一种高低电压连续过程故障穿越测试方法[发明专利]

(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201410734345.X
(22)申请日 2014.12.04
G01R 31/00(2006.01)
G01R 31/08(2006.01)
(71)申请人国家电网公司
地址100031 北京市西城区西长安街86号
申请人中国电力科学研究院
中电普瑞张北风电研究检测有限公
司
江苏省电力公司电力科学研究院
(72)发明人秦世耀 王瑞明 孙勇 李少林
陈晨 张金平
(74)专利代理机构北京安博达知识产权代理有
限公司 11271
代理人
徐国文
(54)发明名称
一种高低电压连续过程故障穿越测试方法
(57)摘要
本发明提供了一种高低电压连续过程故障穿
越测试方法，所述测试方法基于风电机组高低电
压穿越能力检测系统，所述方法包括以下步骤：
I、通过所述风电机组高低电压穿越能力检测系
统产生不间断连续输出的电网电压跌落与电压升
高；II、在高低电压故障穿越中获取非电气量数
据和电气量数据；III、处理所述非电气量数据和
所述电气量数据；IV、分析所述非电气量数据与
电气量数据。

该方法能够不间断真实模拟电网故
障中电压跌落及升高特性，确保产生低电压与高
电压时，其电压相角及电能质量的变化与真实的
电网故障特性一致，能够在一次试验过程中实现
对风电机组开展连贯的低电压与高电压穿越能力
检测。

(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书7页 附图5页CN 105717379 A 2016.06.29
C N 105717379
A
1.一种高低电压连续过程故障穿越测试方法，所述测试方法基于风电机组高低电压穿越能力检测系统，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
I、通过所述风电机组高低电压穿越能力检测系统产生不间断连续输出的电网电压跌落和电压升高；
II、在高低电压故障穿越中获取非电气量数据和电气量数据；
III、处理所述非电气量数据和所述电气量数据；
IV、分析所述非电气量数据与电气量数据。

2.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述系统包括限流电抗支路、短路电抗支路和容性无功注入支路；
所述限流电抗支路包括并联的感抗X1和旁路开关K1；所述短路电抗支路包括串联的感抗X2和开关K2；所述容性无功注入支路包括串联的容抗X3和开关K3；所述感抗X2和所述容抗X3接地；
所述限流电抗支路两侧通过开关S1和开关S2分别连接电网和箱式变压器，所述开关S2与所述限流电抗支路之间接入开关K3和K2；所述箱式变压器另一端连接风电机组；
所述系统采用移动式车载集装箱结构实现一体化设计，所有组件集成安装于标准集装箱。

3.如权利要求2所述的测试方法，其特征在于：所述步骤I中包括，利用所述风电机组高低电压穿越能力检测系统产生不间断连续输出的电网电压跌落，包括以下步骤：步骤1、调节所述感抗X1和所述感抗X2的投入比例以调节测试点电压跌落深度，所述电压跌落深度调节范围为0-100％Un；
步骤2、投入所述感抗X1和所述感抗X2，形成电网系统的可控短路故障；
步骤3、通过调节所述短路开关K2的闭合持续时间调节电压跌落持续时间。

4.如权利要求2所述的测试方法，其特征在于：所述步骤I中包括，利用所述风电机组高低电压穿越能力检测系统产生不间断连续输出的电网电压升高，包括以下步骤：步骤1、调节所述感抗X1和所述容抗X3的投入阻抗值以调节测试点电压升高幅度；
步骤2、投入所述感抗X1和所述容抗X3，所述容抗X3产生容性电流流过所述感抗X1，所述感抗X1两端产生电压差使测试点电压得到抬升；
步骤3、通过调节所述开关K3的闭合持续时间调节电压升高持续时间。

5.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述电气量数据包括所述电网与所述测试系统间一点的三相电流与三相电压、所述箱式变压器与所述测试系统间一点的三相电压和三相电流、所述短路电抗支路中感抗X2的三相电流、所述容性无功注入支路中容抗X3的三相电流、所述箱式变压器低压侧的三相电压和三相电流、所述风电机组中变流器直流母线的直流母线电压；
所述非电气量数据包括风速V
wind 、转速ω
r
和桨距角θ。

6.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述步骤III中，所述非电气量数据的处理方法包括以下步骤：
步骤1、采用数字低通滤波器对所述非电气量数据进行5KHz低通滤波，消除数据高频噪声；
步骤2、对滤波后数据进行数据平滑处理。

7.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述步骤III中，所述电气量数据的处理方法包括以下步骤：
步骤1、采用数字低通滤波器对所述电气量数据进行5KHz低通滤波，消除数据高频噪声；
步骤2、在所述电气量数据中提取震荡频率为50Hz周期的正弦基波数据；
步骤3、利用对称分量法对所述正弦基波数据进行序分量分解，获得正序分量；
步骤4、对所述正弦周期基波的正序分量进行快速傅里叶变换，得到电气量数据的基波正序有效值曲线。

8.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述步骤IV包括以下步骤：
S401、根据所述电网侧与高低电压穿越能力检测系统之间一点的三相电流与三相电压，计算电网侧三相线电压有效值曲线、流经电网侧的有功电流与无功电流曲线、流经电网侧的有功功率与无功功率曲线；
S402、根据所述箱式变压器与所述系统中间一点的三相电压和三相电流，计算该测试点三相线电压有效值曲线、流经测试点的有功电流与无功电流曲线、流经测试点的有功功率与无功功率曲线；
S403、根据所述箱式变压器与所述风机间一点的三相电压和三相电流，计算箱式变压器低压侧三相线电压有效值曲线、流经所述箱式变压器低压侧的有功电流与无功电流曲线、流经所述箱式变压器低压侧的有功功率与无功功率曲线；
S404、根据所述短路电抗支路中感抗X2处的三相相电流和所述箱式变压器与所述系统中间一点的三相电压，计算流经短路电抗支路X2的有功电流与无功电流曲线、流经短路电抗支路的有功功率与无功功率曲线；
S405、根据所述无功注入电容支路中容抗X3的三相电流和所述箱式变压器与所述测试系统中间一点的三相电压，计算流经电容支路的有功电流与无功电流、流经短路电抗支路的有功功率与无功功率；
S406、分析所述风电机组的低电压故障穿越能力和高电压故障穿越能力。

一种高低电压连续过程故障穿越测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种新能源接入与控制领域的方法，具体讲涉及一种高低电压连续过程故障穿越测试方法。

背景技术
[0002] 近年来，随着风电产业发展迅速，风电的装机比例越来越高，大型风电场的并网发电也已成为风电发展的主流。

由于并网型风电机组在其运行时依赖接入点电网电压保持机组自身电压、频率及相位稳定，电网电压稳定对风电机组的正常运行起到重要作用。

当电网发生瞬时故障时，电压瞬时降低，当电网故障清除后，由于电网大量的无功补偿装置不能及时退出，导致电网电压恢复后极易出现电压升高的情况，即当电网发生故障后，风电机组的机端电网不但会出现低电压，而且会接连出现高电压。

2012年以来的几起严重风电脱网事故，充分表明了电网电压故障对风电场/风电机组运行的严重影响。

例如，某风电场电网发生三相短时短路故障，不具备低电压穿越能力的风电机组全部脱网停机，部分具备低电压穿越能力的风电机组成功“穿越”低电压故障不脱网连续运行，而在随后的电网电压恢复过程中，系统无功补偿装置未能及时调节或切除，造成局部电网无功过剩，电网发生了过电压短时故障，使得大量成功“穿越”低电压故障的机组因电网短时高电压故障而切除，因高电压故障导致脱网的机组甚至超过了低电压故障期间脱网的机组数量。

要想保证电网发生瞬时故障时，风电场/风电机组仍然能够不脱网连续运行，就要求风电机组在一次故障电压穿越期间同时具备低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力和高电压穿越(High Voltage Ride Through，HVRT)能力。

对该项能力的检测，需要专门的高低电压穿越测试方法。

[0003] 因此，需要提供一种同时具备低电压穿越能力和高电压穿越能力的测试方法。

发明内容
[0004] 为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种高低电压连续过程故障穿越测试方法。

[0005] 实现上述目的所采用的解决方案为：
[0006] 一种高低电压连续过程故障穿越测试方法，所述测试方法基于风电机组高低电压穿越能力检测系统，其改进之处在于：所述方法包括以下步骤：
[0007] I、通过所述风电机组高低电压穿越能力检测系统产生不间断连续输出的电网电压跌落和电压升高；
[0008] II、在高低电压故障穿越中获取非电气量数据和电气量数据；
[0009] III、处理所述非电气量数据和所述电气量数据；
[0010] IV、分析所述非电气量数据与电气量数据。

[0011] 进一步的，所述系统包括限流电抗支路、短路电抗支路和容性无功注入支路；[0012] 所述限流电抗支路包括并联的感抗X1和旁路开关K1；所述短路电抗支路包括串
联的感抗X2和开关K2；所述容性无功注入支路包括串联的容抗X3和开关K3；所述感抗X2和所述容抗X3接地；
[0013] 所述限流电抗支路两侧通过开关S1和开关S2分别连接电网和箱式变压器，所述开关S2与所述限流电抗支路之间接入开关K3和K2；所述箱式变压器另一端连接风电机组；
[0014] 所述系统采用移动式车载集装箱结构实现一体化设计，所有组件集成安装于标准集装箱。

[0015] 进一步的，所述步骤I中包括，利用所述风电机组高低电压穿越能力检测系统产生不间断连续输出的电网电压跌落，包括以下步骤：
[0016] 步骤1、调节所述感抗X1和所述感抗X2的投入比例以调节测试点电压跌落深度，所述电压跌落深度调节范围为0-100％Un；
[0017] 步骤2、投入所述感抗X1和所述感抗X2，形成电网系统的可控短路故障；[0018] 步骤3、通过调节所述短路开关K2的闭合持续时间调节电压跌落持续时间。

[0019] 进一步的，所述步骤I中包括，利用所述风电机组高低电压穿越能力检测系统产生不间断连续输出的电网电压升高，包括以下步骤：
[0020] 步骤1、调节所述感抗X1和所述容抗X3的投入阻抗值以调节测试点电压升高幅度；
[0021] 步骤2、投入所述感抗X1和所述容抗X3，所述容抗X3产生容性电流流过所述感抗X1，所述感抗X1两端产生电压差使测试点电压得到抬升；
[0022] 步骤3、通过调节所述开关K3的闭合持续时间调节电压升高持续时间。

[0023] 进一步的，所述电气量数据包括所述电网与所述测试系统间一点的三相电流与三相电压、所述箱式变压器与所述测试系统间一点的三相电压和三相电流、所述短路电抗支路中感抗X2的三相电流、所述容性无功注入支路中容抗X3的三相电流、所述箱式变压器低压侧的三相电压和三相电流、所述风电机组中变流器直流母线的直流母线电压；[0024] 所述非电气量数据包括风速V wind、转速ωr和桨距角θ；
[0025] 进一步的，所述步骤III中，所述非电气量数据的处理方法包括以下步骤：[0026] 步骤1、采用数字低通滤波器对所述非电气量数据进行5KHz低通滤波，消除数据高频噪声；
[0027] 步骤2、对滤波后数据进行数据平滑处理。

[0028] 进一步的，所述步骤III中，所述电气量数据的处理方法包括以下步骤：[0029] 步骤1、采用数字低通滤波器对所述电气量数据进行5KHz低通滤波，消除数据高频噪声；
[0030] 步骤2、在所述电气量数据中提取震荡频率为50Hz周期的正弦基波数据；[0031] 步骤3、利用对称分量法对所述正弦基波数据进行序分量分解，获得正序分量；[0032] 步骤4、对所述正弦周期基波的正序分量进行快速傅里叶变换，得到电气量数据的基波正序有效值曲线。

[0033] 进一步的，所述步骤IV包括以下步骤：
[0034] S401、根据所述电网侧与高低电压穿越能力检测系统之间一点的三相电流与三相电压，计算电网侧三相线电压有效值曲线、流经电网侧的有功电流与无功电流曲线、流经电
网侧的有功功率与无功功率曲线；
[0035] S402、根据所述箱式变压器与所述系统中间一点的三相电压和三相电流，计算该测试点三相线电压有效值曲线、流经测试点的有功电流与无功电流曲线、流经测试点的有功功率与无功功率曲线；
[0036] S403、根据所述箱式变压器与所述风机间一点的三相电压和三相电流，计算箱式变压器低压侧三相线电压有效值曲线、流经所述箱式变压器低压侧的有功电流与无功电流曲线、流经所述箱式变压器低压侧的有功功率与无功功率曲线；
[0037] S404、根据所述短路电抗支路中感抗X2处的三相相电流和所述箱式变压器与所述系统中间一点的三相电压，计算流经短路电抗支路X2的有功电流与无功电流曲线、流经短路电抗支路的有功功率与无功功率曲线；
[0038] S405、根据所述无功注入电容支路中容抗X3的三相电流和所述箱式变压器与所述测试系统中间一点的三相电压，计算流经电容支路的有功电流与无功电流、流经短路电抗支路的有功功率与无功功率；
[0039] S406、分析所述风电机组的低电压故障穿越能力和高电压故障穿越能力。

[0040] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0041] 1、本发明提供的方法能够不间断真实模拟电网故障中电压跌落及升高特性，确保产生低电压与高电压时，其电压相角及电能质量的变化与真实的电网故障特性一致，能够在一次试验过程中实现对风电机组开展连贯的低电压与高电压穿越能力检测。

[0042] 2、本发明提供的方法利用基于阻抗短路降压与容性无功注入升压原理结合的测试装置，实现低电压穿越与高电压穿越的不间断测试；利用该测试方法能够在一次试验中连续完成低电压穿越与高电压穿越测试，测试功能完整，测试效率极高。

[0043] 3、本发明提供的方法基于阻抗短路降压原理与容性无功注入升压原理，能够最为真实地模拟电网故障中先后出现的电压跌落及升高特性，测试系统产生低电压与高电压时，其电压幅值、相角及电能质量的变化与真实的电网故障特性一致，保证了测试结果的准确性。

[0044] 4、本发明提供的方法所基于的系统采用移动式车载集装箱结构设计，其全部组成模块均集成安装于标准集装箱内，不受气候及地理环境影响，能够在任何风电场开展全天候现场测试，具备极高的环境适应性。

附图说明
[0045] 图1为本发明中风电机组高低电压连续过程故障穿越测试原理示意图；[0046] 图2为本实施例中电气量数据采集点示意图；
[0047] 图3为本实施例中测试系统测试过程开关动作时序图；
[0048] 图4为本实施例中测试系统电压测试点的线电压实时波形(以Uab示例)示意图；
[0049] 图5为本实施例中对应线电压有效值示意图；
[0050] 图6为本实施例中测试点T处有功电流、无功电流曲线图；
[0051] 图7为本实施例中测试点T处有功功率、无功功率曲线图；
[0052] 图8为本实施例中测试点T处线电压基波正序分量曲线与风速平滑曲线图；
[0053] 图9为本实施例中测试点T处线电压基波正序分量曲线与转速平滑曲线图；[0054] 图10为本实施例中测试点T处线电压基波正序分量曲线与桨距角平滑曲线图。

具体实施方式
[0055] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

[0056] 如图1所示，图1为本发明提供的风电机组高低电压连续过程故障穿越测试原理示意图；图中框线内为一体式高低电压穿越测试系统；该系统基于阻抗短路降压与容性无功注入升压原理，能够不间断模拟电网故障产生电网低电压与高电压，实现风电机组高低电压连续过程故障穿越能力测试。

[0057] 该系统采用移动式车载集装箱结构设计，其全部组成模块均集成安装于标准集装箱内,不受气候及地理环境影响，能够在任何风电场开展全天候现场测试，具备极高的环境适应性。

[0058] 该系统包括限流电抗支路、短路电抗支路和容性无功注入支路。

[0059] 所述限流电抗支路包括并联的感抗X1和旁路开关K1；所述短路电抗支路包括串联的感抗X2和开关K2；所述容性无功注入支路包括串联的容抗X3和开关K3；
[0060] 所述感抗X2和所述容抗X3接地；所述限流电抗支路两侧通过开关S1和开关S2分别连接电网和箱式变压器，所述开关S2与所述限流电抗支路之间接入开关K3和K2。

箱式变压器另一端连接风电机组。

[0061] 根据上述系统不间断的真实模拟电网故障中电压跌落及升高特性，确保产生低电压与高电压时，其电压相角及电能质量的变化与真实的电网故障特性一致，在一次试验过程中实现对风电机组开展连贯的低电压与高电压穿越能力检测。

[0062] 基于阻抗分压原理测试所述风电机组的低电压故障穿越能力，实现低电压故障穿越能力的检测包括以下步骤：
[0063] 1、调节所述感抗X1和所述感抗X2的投入比例，调节测试点电压跌落深度，所述电压跌落深度调节范围为0-100％Un；
[0064] 2、投入所述感抗X1和所述感抗X2，造成电网系统的可控短路故障；
[0065] 3、通过调节所述短路开关K2的闭合持续时间调节电压跌落持续时间。

[0066] 基于容性无功注入提高电压的原理测试所述风电机组的高电压故障穿越能力，实现高电压故障穿越能力的检测包括以下步骤：
[0067] 1、调节所述感抗X1和所述容抗X3的投入阻抗值，调节测试点电压升高幅度；[0068] 2、投入所述容抗X3产生容性电流流过所述感抗X1，所述感抗X1两端产生电压差，使测试点电压得到抬升；
[0069] 3、通过调节所述开关K3的闭合持续时间设置电压升高持续时间。

[0070] 测试时，将该系统串联接入电网和风电机组之间，通过操作测试装置，为风电机组的箱式变压器高压侧提供连贯的低电压与高电压，采集并记录测试期间风电机组多种电气量与非电气量，通过分析上述测试数据，评估该风电机组是否具备符合相关标准要求的高低电压穿越能力。

[0071] 如图2所示，图2为本实施例中电气量数据采集点示意图；开始测试，采集并记录所述系统中的数据量，数据量包括电气量和非电气量。

[0072] 电气量数据包括：
[0073] A、电网与所述测试系统间一点(G点)的三相电流与三相电压；
[0074] B、所述箱式变压器与所述测试系统间一点(T点)的三相电压和三相电流；[0075] C、所述短路电抗支路中感抗X2的三相电流；
[0076] D、所述容性无功注入支路中容抗X3的三相电流；
[0077] E、所述箱式变压器低压侧(L点)的三相电压和三相电流；
[0078] F、所述风电机组中变流器直流母线(B点)的直流母线电压。

[0079] G、非电气量数据包括：风速V wind、转速ωr和桨距角θ。

[0080] 本发明提供的高低电压连续过程故障穿越测试方法包括以下步骤：
[0081] I、通过所述风电机组高低电压穿越能力检测系统产生不间断连续输出的电网电压跌落和电压升高；
[0082] II、在高低电压故障穿越过程中，获取非电气量数据和电气量数据；
[0083] III、处理所述非电气量数据和所述电气量数据；
[0084] IV、分析所述非电气量数据和所述电气量数据。

[0085] 步骤I中，分别基于阻抗分压原理和容性无功注入提高电压的原理，通过所述风电机组高低电压穿越能力检测系统产生不间断连续输出的电网电压跌落和电压升高。

[0086] 步骤II中，获取上述基于阻抗分压原理测试所述风电机组的低电压故障穿越能力时的非电气量数据和电气量数据；
[0087] 及获取上述基于容性无功注入提高电压的原理测试所述风电机组的高电压故障穿越能力的非电气量数据和电气量数据。

[0088] 步骤III中，处理非电气量数据，包括以下步骤：
[0089] 步骤1、采用数字低通滤波器对所述非电气量数据进行5KHz低通滤波，消除数据高频噪声；
[0090] 步骤2、对滤波后数据进行数据平滑处理：在时域内基于局域多项式最小二乘法，取测试数据相邻的5个数据点，拟合出一条3次曲线来，然后用3次曲线上相应的位置的数据值作为平滑后数据结果；依次对测试数据的全部数据点进行上述处理，实现对所有非电气量测试数据的平滑曲线。

[0091] 步骤III中，处理电气量数据，包括以下步骤：
[0092] 步骤1、采用数字低通滤波器对所述电气量数据进行5KHz低通滤波，消除数据高频噪声；
[0093] 步骤2、在所述电气量数据中提取震荡频率为50Hz周期的正弦基波数据；[0094] 步骤3、利用对称分量法对所述正弦基波数据进行序分量分解，获得正序分量；[0095] 步骤4、对所述正弦周期基波正序数据进行快速傅里叶变换，得到电气量数据的基波正序有效值曲线。

[0096] 步骤IV中，依据测试标准分析风电机组在本次测试中的运行状态，评估风电机组高低电压穿越能力。

[0097] 分析所述电气量数据包括以下步骤：
[0098] S401、根据所述电网侧与高低电压穿越能力检测系统之间一点(G)的三相电流与三相电压，计算电网侧三相线电压有效值曲线、流经电网侧的有功电流与无功电流曲线、流
经电网侧的有功功率与无功功率曲线；
[0099] S402、根据所述箱式变压器与所述系统中间一点(T)的三相电压和三相电流，计算该测试点三相线电压有效值曲线、流经测试点的有功电流与无功电流曲线、流经测试点的有功功率与无功功率曲线；
[0100] S403、根据所述箱式变压器与所述风机间一点(L)的三相电压和三相电流，计算出箱式变压器低压侧三相线电压有效值曲线、流经箱式变压器低压侧的有功电流与无功电流曲线、流经箱式变压器低压侧的有功功率与无功功率曲线；
[0101] S404、根据所述短路电抗支路中感抗X2处的三相相电流和所述箱式变压器与所述系统中间一点(T)的三相电压，计算流经短路电抗支路X2的有功电流与无功电流曲线、流经短路电抗支路的有功功率与无功功率曲线；
[0102] S405、根据所述无功注入电容支路中容抗X3的三相电流和所述箱式变压器与所述测试系统间一点(T)的三相电压，计算流经电容支路的有功电流与无功电流、流经短路电抗支路的有功功率与无功功率。

[0103] 根据测试标准分析低电压穿越能力和高电压穿越能力，本实施例中，依据GBT_19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》进行低电压穿越能力的分析，依据IEC 61400-21Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines标准进行高电压故障穿越能力分析。

[0104] 结合附图1和2，说明获得电气量数据的具体操作过程：
[0105] 1、断开一体式高低电压穿越测试系统高压开关，包括：S1、S2、K1、K2、K3，使测试装置处于冷备用状态。

[0106] 2、将一体式高低电压穿越测试系统串联接入电网和风电机组之间，并保持测试系统处于冷备用状态。

[0107] 3、依据测试内容，调节感抗X1、感抗X2和容抗X3的投入组别。

[0108] 4、先后闭合开关K1和S1，将一体式高低电压穿越测试系统投入电网，测试系统处于空载热备用状态。

[0109] 5、在控制系统中设置相关测试参数，包括：电压跌落深度U1、电压升高幅度U2、限流电抗器投入时长T0、限流电抗器投入稳定时长T1、电压跌落时长T2、电压升高时长T3；T0、T1、T2、T3满足设定值T0>(T1+T2+T3)的要求。

[0110] 6、启动数据采集装置，开始记录全部测试数据。

[0111] 7、按图3所示的动作时序依次动作调节系统相应开关，完成一次高低电压连续过程故障穿越空载测试。

[0112] 8、测试系统测试动作完成后，中止记录测试数据。

[0113] 分析空载测试数据，包括电压跌落深度U1、电压跌落时长T2、电压升高幅度U2、电压升高时长T3，确保测试数据满足测试要求。

[0114] 9、闭合开关S2，将风电机组接入电网，测试系统处于带载热备用状态。

[0115] 10、启动风电机组并保持正常运行。

[0116] 11、重复步骤5、6、7，完成一次风电机组高低电压连续过程故障穿越带载测试。

[0117] 12、测试系统测试动作完成后，中止记录测试数据。

[0118] 如下表1所示，表1公开了测试系统具体参数匹配及其测试点电压幅度比例：。