CN103412260B - 电压跌落发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压跌落发生装置，包括晶闸管相控电抗器阀组、数据采集单元和处理控制单元，以电压为控制目标，采用了晶闸管相控电抗器阀组，可根据风机实验的需要，支持单相实验、两相实验、三相实验的功能。晶闸管相控电抗器阀组技术成熟可靠，在电力***中得到了广泛应用，作为电压跌落装置，具有优良的技术背景，并且成本适中。通过晶闸管触发控制，可以将电压跌落深度在一定范围内进行调节，可以比较平滑调节恢复过程,恢复时间长度也可以进行灵活控制。

Description

电压跌落发生装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种电压跌落发生装置。

背景技术

风力发电作为一种绿色可再生能源，在电力***中将占据着越来越重要的位置。在现实生活中，电网故障在所难免，如果电网***发生故障导致风力发电机脱网，则将严重影响电力***的稳定运行，随着风力发电的发展，越来越多的风场并入电网，风机的低电压穿越能力（LowVoltageRideThrough，LVRT）对电力***的稳定运行起着至关重要的作用。但是风场建设偏僻，且受风速影响，测试较为不便，为了开发和测试风力发电机的低电压穿越能力，采用电压跌落发生装置模拟电网故障，考核风力发电机的性能，为风力发电机的实验提供方便。

就目前所公开的专利来看，现有的电压跌落装置有变压器型式、阻抗型式和电力电子变换式，具体文献如下：

文献一是公开号为CN101119074A的发明专利申请《一种电网电压跌落发生器》。该申请包括包括晶闸管控制电路、隔离变压器、降压变压器、旁路用晶闸管、启动用晶闸管及晶闸管驱动电路。检测输入电压信号，决定反并联晶闸管：启动用晶闸管和旁路用晶闸管的导通信号，在输入信号的过零点处发送反并联晶闸管的动作信号，通过旁路用晶闸管和启动用晶闸管来控制降压变压器的运行状态，改变输入电压幅值。该方案为变压器型电压跌落装置，对于普通变压器，电压比是不可调的，只能获得固定的电压跌落深度，同时电压跌落的动作时间难以精确控制，使用中可能会出现短暂的电压中断，存在一定风险。

文献二是论文编号为1000409215218的北京交通大学论文《低电压穿越》（LVRT）测试装置的研制》。该论文公开了采用阻抗型式的电压跌落发生装置，能够实现电压不同等级的跌落以及一次恢复和阶梯恢复。该方案为阻抗型式的电压跌落装置，能量损失较大，当电压跌落发生时负载侧无法向电网馈送能量，无法实现风力发电无功功率补偿等功能。

文献三是公开号为CN102904458A的发明专利申请《一种电压跌落发生装置、逆变器的控制方法及装置》。该申请的发生装置包括模块化多电平整流器和模块化多电平逆变器意背靠背输电连接方式进行连接，且两者构造相同。该方案为电力电子变换式电压跌落装置，受器件功率的制约，功率等级不能做大。

综上所述，现有的电压跌落发生装置大致为变压器型式、阻抗型式和电力电子变换式。基于变压器型式实现的电压跌落发生装置，动作时间难以精确控制，使用中可能会出现短暂的电压中断，并且可能会出现较大的电压和电流尖峰，这对风力发电***的测试很不利，极有可能损害发电机绝缘和电力电子器件，还有功率较大时，变压器的体积和质量很大，不便携带，同时接触器的电器使用寿命有限，易受环境影响；基于阻抗型式的电压跌落发生装置，由于阻抗在运行或电压跌落时流过功率，因此必须选择大功率的阻抗元件，并且能量损失较大，同时当电压跌落发生时负载侧无法向电网馈送能量，无法实现风力发电无功功率补偿等功能，而且当负载变化时，阻抗的匹配关系也发生变化；基于电力电子变换式的电压跌落发生装置，受器件功率的制约，功率等级无法做大，成本很高，同时控制复杂，可靠性不够高。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种电压跌落发生装置，能够降低电网电压，实现电压瞬间跌落，模拟电网故障。

本发明提供一种电压跌落发生装置，其包括：晶闸管相控电抗器阀组，通过电抗器连接到电网上；数据采集单元，采集电网的实时电压电流模拟信号，将其转换为数字电压电流信号；处理控制单元，与所述数据采集单元相连以接收并传输所述数字电压电流信号，根据预设的实验参数并基于所述数字电压电流信号产生用于控制所述晶闸管相控电抗器阀组的导通和关闭的控制信号，其中，

当需要电压跌落时，所述处理控制单元向所述晶闸管相控电抗器阀组发出导通的控制信号，将所述晶闸管相控电抗器阀组接入到电网中，调节晶闸管的导通角，实现电压跌落。

在本发明的一个优选实施方式中，所述晶闸管相控电抗器阀组采用三相星型接法，其中，

所述晶闸管相控电抗器阀组中性点接地，实现电压单相、双相跌落；或所述晶闸管相控电抗器阀组中性点不接地，实现电压三相跌落。

在本发明的一个优选实施方式中，所述数据采集单元还采集并传输所述晶闸管相控电抗器阀组的实时电流模拟信号并将其转换为数字电流信号，所述数字电流信号用于控制设置在一端与所述晶闸管相控电抗器阀组相连、另一端与电网相连的第一断路开关，当所述晶闸管相控电抗器阀组的实时电流值超过预设范围时，所述第一断路开关断开，从而断开所述晶闸管相控电抗器阀组与电网的连接。

在本发明的一个优选实施方式中，还包括第二断路开关，其与所述电抗器并联，用于实现对电网的无功功率补偿。

在本发明的一个优选实施方式中，还包括监控单元，接收用户设置的实验参数及选择的实验方案，且监控单元与所述处理控制单元相连以接收实时数字电压电流信号。

在本发明的一个优选实施方式中，所述用户设置的实验参数包括电压跌落幅度、电压跌落持续时间和电压跌落恢复至正常值的电压跌落恢复时间，所述用户选择的实验方案包括产生电压跌落模式和无功补偿模式。

在本发明的一个优选实施方式中，所述处理控制单元包括：

计算与处理模块，接收并传输所述采集单元传输的实时数字电压电流信号和接收所述监控单元传输的用户设置的实验参数和用户选择的实验方案，按照装置预设的电压跌落范围对所述用户设置的实验参数和所述用户选择的实验方案的合理性进行判断，产生控制信号；

触发脉冲产生模块，接收所述计算与处理模块的控制信号，将信号转换为控制所述晶闸管相控电抗器阀组导通和关闭的控制信号；

故障检测诊断模块，接收所述触发脉冲产生模块的控制信号和所述计算与处理模块传输的实时数字电压电流信号，当所述实时数字电压电流信号超出装置预设范围时，进行故障诊断，产生跳闸信号，关断所述第一断路开关。

在本发明的一个优选实施方式中，所述处理控制单元内设置有用于将电网电压线性化恢复至原电网电压的控制算法。

本发明带来以下有益效果：本发明提出的电压跌落发生装置，以电压为控制目标，采用了晶闸管相控电抗器阀组，可根据风机实验的需要，支持单相实验、两相实验、三相实验的功能。晶闸管相控电抗器阀组技术成熟可靠，在电力***中得到了广泛应用，作为电压跌落装置，具有优良的技术背景，并且成本适中。通过晶闸管触发控制，可以将电压跌落深度在一定范围内进行调节，可以比较平滑调节恢复过程,恢复时间长度也可以进行灵活控制。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是根据本发明实施例的电压跌落发生电路***；

图2是根据本发明实施例的电压跌落发生装置的结构框图；

图3是根据本发明实施例的数据采集单元与处理控制单元以及监控单元的结构框图；

图4是根据本发明实施例产生的电压跌落曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1所示，其中显示了根据本发明实施例的电压跌落发生电路***。它包括：

风机、690/10kV变压器、10kV/10kV隔离变压器、断路开关QF1、断路开关QF2、电抗器L1、电抗器L2、电抗器L3、电流互感器TA和晶闸管阀组TCR。其中，690/10kV变压器与风机相连，电抗L1通过闸刀接地，晶闸管相控电抗器阀组TCR与电抗器L1相连，电流互感器TA与晶闸管相控电抗器阀组TCR相连，电抗器L2与电流互感器TA相连，断路开关QF1与电抗器L2相连，电抗器L3与断路开关QF1和690/10kV变压器相连，断路开关QF2与电抗L3并联，10kV/10kV变压器与电抗L3相连，并且10kV/10kV变压器连接到电网。

具体地，所述风机发电的电压为690V，通过690/10kV变压器将电压变为10kV，690/10kV变压器与电抗器L3相连，电抗器L3与10kV/10kV隔离变压器相连，其中电抗器L3与10kV/10kV隔离变压器之间的电路为10kV连接线。

其中，电抗器L1为接地电抗器，晶闸管阀组TCR单相跌落试验时，通过电抗器L1组成完整回路；电抗器L2为相控电抗器，通过调节晶闸管的导通角进而实现调节电抗器L2的容量；电抗器L3为限流电抗器，抑制10kV连接线上的电流变化过快，保障装置运行的稳定与安全性。

如图2和3所示，其中显示了根据本发明实施例的电压跌落发生装置。它包括：

晶闸管相控电抗器阀组101，其通过电抗器L3连接到电网上。

在本实施例中，晶闸管相控电抗器阀组101采用三相星型接法，可形成多种电气回路，实现单相实验、双相实验、三相实验功能。

具体地，在单相实验、双相实验时，晶闸管相控电抗器阀组101的中性点接地，三相变压器中性点接地，电压电流传感器所测的10kV连接线相电压为采集监控目标，同时，10kV/10kV隔离变压器的中性点接地；在三相实验中，晶闸管相控电抗器阀组101的中性点不接地，电压电流传感器所测的10kV连接线的线电压为采集监控目标，同时，10kV/10kV隔离变压器中性点不接地。

另外，晶闸管相控电抗阀组作为电压跌落装置，其功率容量略大于风机功率容量，其设置的晶闸管导通角也较小，按照晶闸管相控电抗阀组较小的约105°的触发角进行选型。

数据采集单元102，利用电压电流传感器采集晶闸管相控电抗器阀组101上的实时模拟电流信号和10kV连接线上的实时模拟电压、电流信号。其中，所述实时模拟电压信号包括实时相电压值和实时线电压值，并将采集到的实时模拟信号转化为实时数字信号。

具体地，在本实施例中，采用模数转换芯片对采集到的模拟电压信号进行隔离与转换。

更具体地，在本实施例中，采用的模数转换芯片为AD7865芯片。

监控单元103，包括参数设置模块1031、数据收发和处理模块1032、实时数据显示/存储模块1033、曲线绘制模块1034和故障报警模块1035，具体地，

参数设置模块1031，接收用户设置的参数和用户选择的实验方案。其中，用户设置的参数包括电压跌落幅度、电压跌落持续时间和电压跌落恢复至正常值的电压跌落恢复时间，用户选择的实验方案包括产生电压跌落模式、无功补偿模式。具体地，用户选择的产生电压跌落模式包括产生单相跌落、两相跌落和三相跌落三种跌落方式；

数据收发和处理模块1032，接收参数设置模块模块传输的用户输入的相关信息，按照预设的电压跌落范围对用户设置的实验参数和用户选择的实验方案的合理性进行初步判断；

实时数据显示/存储模块1033，对装置的实时电压电流值进行显示和存储处理；

曲线绘制模块1034，利用实时数据显示/存储模块1033接收到的数据根据时间推移画出实时电压、电流曲线图和历史电压、电流曲线图；

故障报警模块1035，当所述电压跌落装置电压电流运行在预设的范围之外时，发出报警信号，保障装置的安全。

处理监控单元104，包括控制数据收发与处理模块1041、计算与处理模块1042、触发脉冲产生模块1043和故障检测诊断模块1044，具体地，

控制数据收发与处理模块1041，接收数据采集单元102传输的实时数字电压电流信号，接收监控单元103传输的用户设置的实验参数和用户选择的实验方案信号，并对其进行初步处理，产生初步控制信号；

计算与处理模块1042，接收数据收发与处理模块1041传输的信号，按照装置预设的电压跌落范围对用户设置的实验参数和用户选择的实验方案的合理性进行判断，产生控制信号；

触发脉冲产生模块1043，接收计算与处理模块1042传输的控制信号，将其转换为触发晶闸管相控电抗器阀组101中晶闸管导通和关闭的触发信号。其中，触发模式为光电触发；

故障检测诊断模块1044，接收计算与处理模块1042监测到的实时数字电压电流信号，接收触发脉冲产生模块1043的回报信号，当接收的数字电压电流值超出装置预设的电压电流安全范围时，进行故障诊断，产生跳闸信号，断路开关QF1、QF2关断，并将所述跳闸信号传输给监控单元103。

具体地，在本实施例中，处理控制单元104采用的处理器由数字信号处理器（DigitalSignalProcessing，DSP）与复杂可编程逻辑器件（ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD)组成。

所述监控单元103与处理控制单元104通过通信单元进行信息交互。

更具体地，在本实施例中，所述监控单元103与处理控制单元104通过RS485串口通讯协议进行信息交互。

其中，监控单元103中的实时数据显示/存储模块1033根据处理控制单元104传输的实时数字电压电流信号进行数据的显示与存储。

在本实施例中，当所述处理控制单元104接收到监控单元103传输的实验方案为产生电压跌落、所传输的实验参数满足装置预设的电压跌落范围并且数据采集单元102所传输的实时数字电压电流信号在预设的范围之内时，闭合断路开关QF1、关断断路开关QF2，触发脉冲产生模块1043产生晶闸管相控电抗器阀组101导通的控制信号，所述晶闸管相控电抗器阀组101接入到电网中，启动所述晶闸管相控电抗器阀组，根据预设的方案产生电压跌落。

具体地，当产生电压跌落时，晶闸管相控电抗器阀组101根据预设的方案，以电压为控制目标，在接收到产生电压跌落的控制信号后，晶闸管相控电抗器阀组101调节晶闸管的导通角，晶闸管相控电抗器阀组101工作在近似短路状态，产生较大的电压跌落，并按照用户设置的电压跌落幅度降低电压，其中，所述电压跌落装置的最大电压跌落深度，可以通过调节电抗器L2和电抗器L3的值实现其合理匹配，最多可将电压降至原电网电压的20%；当装置的电压跌落幅度达到预设幅度时，按照用户设置的电压跌落持续时间持续运行电压跌落状态；当电压跌落持续时间完成后，晶闸管相控电抗器阀组101对晶闸管的导通角进行阶梯调节，在用户设置的电压跌落恢复时间内，按照国家电网的标准，将装置电压线性化恢复至原电网电压值。

如图4所示，其中显示了一个根据本发明实施例产生的电压跌落曲线图。

具体地，晶闸管相控电抗器阀组101接收到实验指令后在70ms内，通过降低晶闸管的导通角，将电压降至原电网电压的20%，持续运行625ms之后，在约2s内将电压恢复至原电网电压的90%。

当所述数据处理控制单元104接收到数据监控单元103传输的实验方案为无功补偿模式时，闭合断路开关QF1、QF2，触发脉冲产生模块1043产生晶闸管相控电抗器阀组101导通的控制信号，将实时数字电压电流信号传输给晶闸管相控电抗器阀组101，所述晶闸管相控电抗器阀组101接入电网。处理控制单元104根据实时数字电压电流信号计算无功补偿功率，产生调节自身无功功率的控制信号，脉冲触发模块接收控制信号，触发晶闸管，调节装置的感性无功功率，与电网的容性无功功率进行跟踪补偿，提高电网的功率因素。

虽然本发明所披露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种电压跌落发生装置，其特征在于，包括：

晶闸管相控电抗器阀组，通过电抗器连接到电网上；

数据采集单元，采集电网的实时电压电流模拟信号，将其转换为数字电压电流信号；

处理控制单元，与所述数据采集单元相连以接收并传输所述数字电压电流信号，根据预设的实验参数并基于所述数字电压电流信号产生用于控制所述晶闸管相控电抗器阀组的导通和关闭的控制信号，其中，

当需要电压跌落时，所述处理控制单元向所述晶闸管相控电抗器阀组发出导通的控制信号，将所述晶闸管相控电抗器阀组接入到电网中，调节晶闸管的导通角，实现电压跌落，所述晶闸管相控电抗器阀组采用三相星型接法，其中，所述晶闸管相控电抗器阀组中性点接地，实现电压单相、双相跌落；或所述晶闸管相控电抗器阀组中性点不接地，实现电压三相跌落。

2.如权利要求1所述的电压跌落发生装置，其特征在于，所述数据采集单元还采集并传输所述晶闸管相控电抗器阀组的实时电流模拟信号并将其转换为数字电流信号，所述数字电流信号用于控制设置在一端与所述晶闸管相控电抗器阀组相连、另一端与电网相连的第一断路开关，当所述晶闸管相控电抗器阀组的实时电流值超过预设范围时，所述第一断路开关断开，从而断开所述晶闸管相控电抗器阀组与电网的连接。

3.如权利要求2所述的电压跌落发生装置，其特征在于，还包括第二断路开关，其与所述电抗器并联，用于实现对电网的无功功率补偿。

4.如权利要求3所述的电压跌落发生装置，其特征在于，还包括监控单元，接收用户设置的实验参数及用户选择的实验方案，且所述监控单元与所述处理控制单元相连以接收实时数字电压电流信号。

5.如权利要求4中所述的电压跌落发生装置，其特征在于，所述用户设置的实验参数包括电压跌落幅度、电压跌落持续时间和电压跌落恢复至正常值的电压跌落恢复时间，所述用户选择的实验方案包括产生电压跌落模式和无功补偿模式。

6.如权利要求4所述的电压跌落发生装置，其特征在于，所述处理控制单元包括：计算与处理模块，接收并传输所述采集单元传输的实时数字电压电流信号和接收所述监控单元传输的用户设置的实验参数和用户选择的实验方案，按照装置预设的电压跌落范围对所述用户设置的实验参数和所述用户选择的实验方案的合理性进行判断，产生控制信号；

触发脉冲产生模块，接收所述计算与处理模块的控制信号，将信号转换为控制所述晶闸管相控电抗器阀组导通和关闭的控制信号；

故障检测诊断模块，接收所述触发脉冲产生模块的控制信号和所述计算与处理模块传输的实时数字电压电流信号，当所述实时数字电压电流信号超出装置预设范围时，进行故障诊断，产生跳闸信号，关断所述第一断路开关。

7.如权利要求1-6中任一项所述的电压跌落发生装置，其特征在于，所述处理控制单元内设置有用于将电网电压线性化恢复至原电网电压的控制算法。