风电机组主控制系统低电压穿越一致性测试系统及其方法

摘要

本发明涉及一种风电机组主控制系统低电压穿越一致性测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：可控直流电压源：用于制造虚拟的电压跌落控制信号；数据采集仪：用于记录测试期间的测试数据；电压互感器PT：用于测量风电机组三相电压；电流互感器CT：用于测量风电机组三相电流；至少一路测试信号线：用于传送机舱风速、发电机转速、桨距角、主控转矩指令和变流器测出的实际电磁转矩。本发明提供的方案专门针对风电机组主控制系统的低电压穿越功能一致性评估，测试方法简单且易于实现。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新能源发电、风电机组测试技术领域，具体涉及一种风电机组主控制系 统低电压穿越一致性测试系统及其方法。

背景技术

近年来风电装机容量飞速发展，风电在电网中的发电比重逐年增加，大规模风电并网对 电力系统的安全稳定运行已经造成不可忽视的影响。特别是2010年以来，“三北”地区多次 发生由于风电机组不具备低电压穿越能力造成的大规模风机脱网事故，对电网安全稳定运行 产生严重影响。

风电机组的低电压穿越（LVRT）功能要求电网故障造成机端电压跌落时，风电机组能够 保持不脱网连续运行且有功功率和无功电流满足风电并网导则的要求。国家电网企业标准 Q/GDW 392-2009《风电场接入电网技术规定》和国家标准GB/T 19963-2011《风电场接入电 力系统技术规定》均对风电机组的低电压穿越能力提出要求。同时，国家能源局于2010年 12月发布《风电机组并网检测管理暂行办法》（国能新能〔2010〕433号），要求风电机组应 通过有资质机构的并网检测方可并网运行，其中并网检测中的重要一项内容便是低电压穿越 特性检测。

风电机组是由机械系统和电气部件等组成的复杂系统，研究发现，任意一项部件的变化 都有可能影响到风电机组的低电压穿越特性。为此，国家能源局国能新能〔2010〕433号文 件中规定“发电机、变流器、主控制系统、变桨控制系统和叶片等影响并网性能的技术参数 发生变化的风电机组视为不同型号，需要重新检测”。然而国内风电机组的配置组合较多，总 共有数百种的机型配置，无法对每一种机型都进行电压跌落现场测试。因此，考虑采用一致 性评估的方法对部件变化后风电机组的低电压穿越特性进行评估。

风电机组的主控制系统对整机的LVRT特性有着至关重要的作用。主控制系统负责协调 风电机组变桨、变流控制，完成远程通信、桨距控制、温度控制、偏航控制、功率控制等功 能。一般而言，主控制系统的硬件变化、程序框架变化、软件升级等都应视为主控制系统发 生了变化，需要对主控制系统进行测试评估。

目前一些公司和研究机构搭建的主控制系统测试平台，一种是针对局部性能测试，如载 荷计算、硬件测试、静态测试等，另一种是核心算法的全面动态测试。这两种测试平台第一 种未针对LVRT功能的测试；另外一种测试平台由于功能较多，不是专门针对LVRT功能的 测试，测试平台往往过于复杂，且实现难度相对较大。如何开发一种适用于风电机组主控制 系统LVRT功能的测试方法，用于判断主控制系统的LVRT功能的一致性是迫切需要解决的 问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种风电机组主控制系统低电压穿越一致性测试系统 及其方法，该测试系统由硬件系统和软件设置组成。按照本发明提供的测试方法，可对风电 机组的主控制系统进行现场测试，测试结果可用于判断主控的LVRT功能的一致性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种风电机组主控制系统低电压穿越一致性测试系统，其改进之处在于，所述测试系统 包括：

可控直流电压源：用于制造虚拟的电压跌落控制信号；

数据采集仪：用于记录测试期间的测试数据；

电压互感器PT：用于测量风电机组三相电压；

电流互感器CT：用于测量风电机组三相电流；

至少一路测试信号线：用于传送机舱风速、发电机转速、桨距角、主控转矩指令和变流 器测出的实际电磁转矩。

其中，所述可控直流电压源与主控制系统的PLC之间通讯，作为低电压穿越状态的虚拟 信号；

所述可控直流电压源与变流器的DSP之间通讯，用于控制在虚拟的电压跌落期间主控转 矩指令的产生方式；

所述可控直流电压源与数据采集仪连接，用于控制测试数据记录的触发；

所述测试数据包括三相电压、三相电流、机舱风速、发电机转速、桨距角、主控转矩指 令和变流器测出的实际电磁转矩。

其中，所述主控制系统的PLC通过主控转矩指令测试信号线与所述数据采集仪连接；

所述变流器的DSP通过实际电磁转矩测试信号线与所述数据采集仪连接。

其中，所述电压互感器PT和电流互感器CT依次连接在风电机组出口变压器的低压侧， 分别用于测量风电机组三相电压和三相电流；

所述风电机组出口变压器的高压侧接入电网中。

其中，所述电压互感器PT和电流互感器CT分别通过电压测试信号线和电流测试信号线 与数据采集仪连接。

其中，与数据采集仪相连的测试信号线包括发电机转速测试信号线、桨距角测试信号线 和机舱风速测试信号线。

本发明基于另一目的提供的一种风电机组主控制系统低电压穿越一致性测试方法，其改 进之处在于，所述方法在进行测试前对主控制系统的接口和变流器的接口进行修改；所述方 法包括下述步骤：

（1）对所述测试系统进行接线和配置；

（2）确定模拟工况（指不同的风况、电压跌落的深度和持续时间），在可控直流电压源 上设置模拟工况对应的电压跌落持续时间，同时根据不同的模拟工况设置变流器在模拟电压 跌落期间的转矩设定值；

（3）对所述主控制系统进行测试并记录测试数据，测试数据包括三相电压、三相电流、 机舱风速、发电机转速、桨距角、主控转矩指令和变流器测出的实际电磁转矩；

（4）根据采集的电压、电流信号数据，计算风电机组出口处变压器低压侧的有功功率、 无功功率；

（5）按照步骤（1）-（4）测试另一个主控制系统的低电压穿越功能；

（6）判断不同主控制系统低电压穿越功能是否一致，完成测试。

其中，所述步骤（1）中，根据主控制系统和变流器接口程序的修改，对所述测试系统进 行接线和配置。

其中，所述步骤（3）中，通过可控直流电压源触发脉冲信号，对主控制系统进行模拟测 试，同时由所述触发脉冲信号触发记录测试数据。

其中，所述步骤（6）中，比较不同主控制系统的主控转矩和有功功率变化曲线，根据主 控转矩和有功功率变化曲线的异同，判断不同主控制系统低电压穿越功能是否一致，完成测 试。

其中，对主控制系统的接口进行修改包括：在主控程序中屏蔽变流器发给主控制系统的 低电压穿越状态握手信号，改为由可控制流电压源产生的触发脉冲信号输入；

对变流器的接口进行修改包括：在假定的电压故障期间，由所述可控直流电压源向变流器发 一定时间（此时间参照GB/T 19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》对低电压穿越要 求根据模拟测试的工况确定）长度的触发脉冲信号；在触发脉冲信号维持期间，主控转矩指 令由主控制系统给定变为变流器自行设定值；在触发脉冲信号到来前和结束后，主控转矩指 令由主控制系统给定。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提供的测试系统专门针对风电机组主控制系统的低电压穿越功能一致性评估， 测试方法简单且易于实现；

2、本发明提供风电机组主控制系统低电压穿越一致性测试系统非常便携，非常适用于野 外对多种型号的风电机组进行现场模拟测试，进而判定主控制系统LVRT功能一致性；

3、通过本发明提供风电机组主控制系统低电压穿越一致性测试，对主控制系统的LVRT 功能进行测试，减少了由于主控制系统更换后风电机组的整机实际低电压穿越测试造成的经 济和时间成本。

附图说明

图1是本发明提供的风电机组主控制系统低电压穿越一致性测试系统硬件结构图；

图2是本发明提供的2次测试的测试风况示意图；

图3是本发明提供的2个主控制系统模拟测试的有功功率比较示意图；

图4是本发明提供的主控转矩指令和实际电磁转矩（#1主控制系统）示意图；

图5是本发明提供的主控转矩指令和实际电磁转矩（#2主控制系统）示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的风电机组主控制系统低电压穿越一致性测试系统及其测试方法，在风电机 组出口电压未发生跌落的正常情况下，通过制造一个虚拟的电压跌落控制信号，触发主控进 入低电压穿越控制模式，进而表现出与真实的低电压穿越特性相类似的特性，用于主控制系 统的低电压穿越功能一致性评估。

本发明提供的风电机组主控制系统低电压穿越一致性测试系统的硬件结构如图1所示， 测试系统包括：

可控直流电压源：用于制造虚拟的电压跌落控制信号，可以是0-24V或0-10V等电压脉 冲信号，脉冲的时间宽度可以根据测试的工况进行设定。可控直流电压源与主控制系统的PLC 建立通讯连接，作为低电压穿越状态的虚拟信号以取代变流器输入的实际电压跌落握手信号； 可控直流电压源与变流器的DSP建立通讯连接，用以控制在虚拟的电压跌落期间转矩指令的 产生方式；同时，可控直流电压源与数据采集仪相连接，用以控制数据记录的触发。；

数据采集仪：用于记录测试期间的各项测试数据。为了保持与实际低电压测试的一致性， 采样频率的设置与实际低电压穿越时的设置保持一致，应不低于5kHz。数据采集仪的通道数 应足够用于所有测试数据量的采集和记录。

电压互感器PT和电流互感器CT：电压互感器PT和电流互感器CT依次连接在风电机组 出口变压器的低压侧，分别用于测量风电机组三相电压和三相电流；风电机组出口变压器的 高压侧接入电网中。电压互感器PT和电流互感器CT分别通过电压测试信号线和电流测试信 号线与数据采集仪连接。电压互感器PT和电流互感器CT的量程和精度应满足测试的需要， 通过对电压和电流测试量进行计算分析，可得出风电机组出口处变压器低压侧的有功功率/无 功功率、有功电流/无功电流的低电压跌落响应特性。

主控制系统的PLC通过主控转矩指令测试信号线与所述数据采集仪连接；变流器的DSP 通过实际电磁转矩测试信号线与所述数据采集仪连接。

至少一条的测试信号线包括：主控转矩指令测试信号线、实际电磁转矩测试信号线、电 压测试信号线、电流测试信号线、发电机转速测试信号线、桨距角测试信号线和机舱风速测 试信号线，这些测试信号线均与数据采集仪相连。

风力机、齿轮箱、发电机-变流器系统和电流互感器CT依次连接，发电机-变流器系统包 括依次串联的发电机和变流器。

在进行风电机组主控制系统低电压穿越一致性测试前，对接口进行修改，接口的修改主 要涉及主控制系统的接口修改和变流器的接口修改，可以通过软件的方式实现，也可以通过 硬接线的方式实现。实现方法如下：

A、主控制系统的接口修改：在主控程序中屏蔽变流器发给主控的低电压穿越状态握手 信号，并将其改为由可控制流电压源产生的信号输入；

B、变流器的接口修改：在假定的电压故障期间，由可控直流电压源向变流器发一定时 间长度的脉冲信号（0-24V或0-10V等）。在脉冲信号维持期间，转矩指令由主控给定变为变 流器自行设定值（实际测试时根据具体工况确定）；在脉冲信号到来前和结束后，转矩指令由 主控给定。

本发明提供的风电机组主控制系统低电压穿越一致性测试方法包括下述步骤：

（1）按照接口的修改方法修改主控制系统和变流器的接口程序，并按照图1所示测试系 统配置对测试系统进行接线和配置；

（2）确定模拟工况，在可控直流电压源上设置模拟工况对应的电压跌落持续时间，同时 根据不同的模拟工况设置变流器在模拟电压跌落期间的转矩设定值；

（3）通过可控直流电压源触发脉冲信号，正式开始模拟测试，同时由脉冲信号触发记录 测试数据；

（4）根据采集的电压、电流信号数据，计算有功功率、无功功率；

（5）按照以上步骤测试另一个主控制系统的LVRT功能；

（6）测试比较采用不同主控制系统之后的转矩和有功功率变化曲线，判断不同的主控制 系统LVRT功能是否一致，完成测试，其中机舱风速、发电机、桨距角等数据用于参考以排 除风速等不同运行工况的影响。

实施例

按照本发明所提供的测试方法对某风电机组制造商的2台风电机组进行模拟低电压穿越 测试，此2台风电机组采用不同的主控制系统，其他部件完全相同。

测试时测试风况均为(5-10)m/s，如图2所示。为了模拟电压跌落至35%Un的低电压穿越 测试，将触发脉冲信号的时间设定为920ms。同时，在模拟电压跌落期间的变流器转矩设定 为额定转矩的10%。

图3所示为测试期间的有功功率。由于小功率时测试风速波动（如图2所示）导致2次 测试的有功功率不完全相等，但是2次测试表现出来的功率恢复波动特性较为一致。

图4、图5分别为2次模拟测试时的主控转矩指令和变流器实测电磁转矩。同样，由于 风速原因这2个图中的转矩大小不相等，但是转矩特性较为一致：

（1）“故障”前，主控的转矩指令较为平稳，变流器跟随主控的转矩指令进行控制；

（2）“故障”期间，主控的转矩指令开始震荡，而变流器跟随自行设定的10%额定转矩 进行控制；

（3）“故障”后，主控的的转矩指令在一段时间内继续震荡，变流器跟随主控的转矩指 令进行控制开始波动。

因此，根据有功功率和主控转矩特性的综合判断，此风电机组制造商的两种主控制系统 的LVRT特性功能一致。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本 发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等 同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。