CN108152667A - 一种虚拟同步发电机故障穿越检测装置及方法 - Google Patents

一种虚拟同步发电机故障穿越检测装置及方法 Download PDF

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杨青斌
徐亮辉
姚广秀
秦筱迪
陈志磊
夏烈
张晓琳
周荣蓉
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China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
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Abstract

本发明提供了一种虚拟同步发电机故障穿越检测装置及方法，包括：控制装置、阻抗分压装置和动态补偿装置；所述阻抗分压装置和动态补偿装置串联；所述控制装置分别与所述阻抗分压装置和所述动态补偿装置连接；所述阻抗分压装置与待测虚拟同步发电机装置连接。本发明提供的技术方案，给阻抗分压装置串联动态补偿装置限制了阻抗分压装置接入电网时引起的电压/电流幅值突变、频率异常、相位畸变以及低次谐波，从而消除电网故障穿越实验时对电网的扰动。

Description

一种虚拟同步发电机故障穿越检测装置及方法
技术领域
本发明属于新能源及节能技术领域，具体涉及一种虚拟同步发电机故障穿越检测装置及方法。
背景技术
目前光伏发电、风力发电等新能源电源与负荷呈逆向分布，以集中大规模的方式接入输电网为主。在光资源和风资源丰富的地区，电网架构多数比较薄弱，发展特高压交直流输电，有助于新能源的有效消纳，但同时电力***的故障也从传统的横向故障和纵向故障扩展到直流闭锁、直流功率损失等***故障。
由于电力电子变流器控制策略各异，加之新能源电源功率具有波动性、不确定性等特点，很难实现即插即用与自主协调运行，这对以传统同步发电机理论构建的电网的安全稳定运行带来了严峻挑战。目前已有采用电力电子变流器的新能源电源通过采用虚拟同步发电机技术模拟同步发电机组的机电暂态特性，使其具有同步发电机组的惯量、一次调频、无功调压等并网运行外特性的技术。然而，由于电力电子半导体器件自身耐压和电流容量的限制，在电网出现故障时，通常伴随着短时的过电压或者大电流，对虚拟了同步发电机外特性的电力电子能量变换器提出了严峻挑战。
因此如何测量评定虚拟同步发电机电力电子变换器的面对电网故障引起的高/低电压穿越能力，对电网安全运行来说尤为重要。在进行电网故障实验时，通常用模拟电网(电力电子变频器)串联来模拟电网电压的骤升骤降，或者用更真实的阻抗分压方式逼近真实的电网故障。模拟电网的故障波形过于平滑，与真实的电网故障波形相差较远，而电网故障类实验通常伴随着巨大的电压和频率扰动，阻抗分压的方式必然会对电网造成冲击，威胁电网的安全稳定运行。
发明内容
本发明通过基于动态补偿的阻抗分压方式集成了阻抗分压装置和模拟电网装置的优点，又规避了两者的缺陷，能够充分逼近电网故障时的电压/频率工况，同时前端的动态补偿装置可以限制阻抗分压装置接入电网时引起的电压/电流幅值突变、频率异常、相位畸变以及低次谐波，从而消除电网故障穿越实验时对电网的扰动。
本发明提供的一种虚拟同步发电机故障穿越检测装置，包括：
控制装置、阻抗分压装置和动态补偿装置；
所述阻抗分压装置和动态补偿装置串联；
所述控制装置分别与所述阻抗分压装置和所述动态补偿装置连接；
所述阻抗分压装置与待测虚拟同步发电机装置连接。
所述阻抗分压装置包括：串联的限流电抗器Z1和短路阻抗Z2。
所述控制装置包括：
上位机，用于向PLC集成控制器下发执行指令和接收PLC集成控制器的反馈信息；
PLC集成控制器，用于读取上位机下发的执行指令，向阻抗分压装置和动态补偿装置下发执行指令并接收阻抗分压装置和动态补偿装置的反馈信息。
所述待测虚拟同步发电机装置包括：储能单元输出检测点、光伏发电单元输出检测点、风电机组输出检测点。
所述阻抗分压装置与待测虚拟同步发电机装置之间设有进线开关；
所述进线开关设有检测点。
所述的虚拟同步发电机故障穿越检测装置还包括：数字录波仪，用于在检测过程中记录待检测虚拟同步发电机的电参数。
本发明提供的一种虚拟同步发电机故障穿越检测方法，包括：
阻抗分压装置根据接受的控制装置下发执行指令调整对待测虚拟同步发电机装置的检测模式；
动态补偿装置在阻抗分压装置电参数异常时对阻抗分压装置进行动态补偿。
所述阻抗分压装置根据接受的控制装置下发执行指令调整对待测虚拟同步发电机装置的检测模式包括：
通过切换阻抗分压装置中的限流电抗器Z1和短路阻抗Z2组合模式，以及调整短路阻抗Z2的电抗值，模拟不同幅值的低/高电压穿越工况。
所述控制装置下发执行指令包括：
控制装置中的PLC集成控制器接收控制装置中上位机下发的执行指令并下发给阻抗分压装置和动态补偿装置。
所述阻抗分压装置中的限流电抗器Z1短路而短路阻抗Z2工作时，所述动态补偿装置作为模拟电网运行，模拟电网频率的变化工况。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的技术方案，通过给阻抗分压装置串联动态补偿装置限制了阻抗分压装置接入电网时引起的电压/电流幅值突变、频率异常、相位畸变以及低次谐波，从而消除电网故障穿越实验时对电网的扰动；
本发明提供的技术方案，适应性强、性能稳定、兼容性好，能够充分逼近电网故障时的工况。
本发明提供的技术方案，通过给阻抗分压装置串联动态补偿装置，兼备了阻抗分压装置和模拟电网装置的优点，能够实现电网的各种故障类型，为虚拟同步发电机发电单元的故障穿越能力测试检测创造了更加真实的测试检测条件。
附图说明
图1为本发明一种虚拟同步发电机故障穿越检测装置示意图；
图2为本发明实施例包含常见新能源发电单元的多类型虚拟同步发电机单元并网模型示意图；
图3为本发明实施例基于动态补偿的阻抗分压检测主回路模型图；
图4为本发明实施例基于动态补偿的虚拟同步发电机故障穿越检测回路图；
图5为本发明实施例动态补偿的虚拟同步发电机检测装置模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明：
实施例一：
图1为本发明提供的一种虚拟同步发电机故障穿越检测装置示意图，如图1所示，本发明提供的一种虚拟同步发电机故障穿越检测装置，包括：
控制装置、阻抗分压装置和动态补偿装置；
所述阻抗分压装置和动态补偿装置串联；
所述控制装置分别与所述阻抗分压装置和所述动态补偿装置连接；
所述阻抗分压装置与待测虚拟同步发电机装置连接。
所述阻抗分压装置包括：串联的限流电抗器Z1和短路阻抗Z2。
所述控制装置包括：
上位机，用于向PLC集成控制器下发执行指令和接收PLC集成控制器的反馈信息；
PLC集成控制器，用于读取上位机下发的执行指令，向阻抗分压装置和动态补偿装置下发执行指令并接收阻抗分压装置和动态补偿装置的反馈信息。
所述待测虚拟同步发电机装置包括：储能单元输出检测点、光伏发电单元输出检测点、风电机组输出检测点。
所述阻抗分压装置与待测虚拟同步发电机装置之间设有进线开关；
所述进线开关设有检测点。
所述的虚拟同步发电机故障穿越检测装置还包括：数字录波仪，用于在检测过程中记录待检测虚拟同步发电机的电参数。
本发明提供的一种虚拟同步发电机故障穿越检测方法，包括：
阻抗分压装置根据接受的控制装置下发执行指令调整对待测虚拟同步发电机装置的检测模式；
动态补偿装置在阻抗分压装置电参数异常时对阻抗分压装置进行动态补偿。
所述电参数异常包括相位、幅值和频率的突变。
所述阻抗分压装置根据接受的控制装置下发执行指令调整对待测虚拟同步发电机装置的检测模式包括：
通过切换阻抗分压装置中的限流电抗器Z1和短路阻抗Z2组合模式，以及调整短路阻抗Z2的电抗值，模拟不同幅值的低/高电压穿越工况。
所述控制装置下发执行指令包括：
控制装置中的PLC集成控制器接收控制装置中上位机下发的执行指令并下发给阻抗分压装置和动态补偿装置。
所述阻抗分压装置中的限流电抗器Z1短路而短路阻抗Z2工作时，所述动态补偿装置作为模拟电网运行，模拟电网频率的变化工况。
实施例二：
本检测装置及方法应用于虚拟同步发电机发电单元并网检测，图5为动态补偿的虚拟同步发电机检测装置模型示意图，如图5所示，以基于动态补偿的故障穿越检测装置为核心构成的检测检测平台包括以下几个部分：上位机、PLC集成控制器、基于动态补偿故障穿越装置、待检测虚拟同步发电机、数字录波仪。
上位机：整个故障穿越检测检测装置的总控主机，它用于控制指令下发和PLC反馈信息接收及处理。它控制整个检测过程，在人机交互界面完成控制指令的输入和设备状态显示。
PLC集成控制器：故障穿越检测装置的集成控制器，它用于读取控制指令，并向下级分配和下发执行指令,同时,接收故障穿越装置继电器组合状态、传感器输出值、动态补偿装置输出状态值等反馈量。
基于动态补偿的故障穿越装置：是整个检测装置的核心部件，由动态补偿装置和阻抗分压装置构成，在接收到PLC集成控制器的指令后，通过控制接触器切换Z2的电容、电抗以及串联电抗器Z1组合模式，模拟不同幅值的低/高电压穿越工况，并对故障模拟点进行动态补偿。
数字录波仪：用于检测过程中记录待检测虚拟同步发电机的各项电参数。
实施例三：
1)包含常见新能源发电单元的多类型虚拟同步发电机单元并网模型
图2为包含常见新能源发电单元的多类型虚拟同步发电机单元并网模型示意图，如图2所示，虚拟同步发电机通常包含风力发电机组、光伏发电单元以及储能单元，它是一种包含大量电力电子设备的电源。
2)基于动态补偿的阻抗分压检测主回路模型
图3为基于动态补偿的阻抗分压检测主回路模型图，如图3所示，基于动态补偿的阻抗分压检测主回路主要由能发生电网扰动的阻抗分压装置、动态补偿装置、进线开关以及待测对象虚拟同步发电机单元组成。其中，在进线开关处需要布置一个检测点。在虚拟同步发电机单元也包含了多个检测点，即储能单元输出、光伏发电单元输出、风电机组输出。
3)装置使用及检测方法
图4为基于动态补偿的虚拟同步发电机故障穿越检测回路图，如图4所示，在阻抗分压装置前端串联动态补偿装置，通过上位计算机的人机交互界面设定将要发生的电网工况，装置上电后，上位计算机下发控制指令给PLC，PLC控制接触器切换短路阻抗Z2的电容、电抗组合模式，配合串联电抗器Z1模拟不同幅值的低/高电压穿越工况，例如，在进行0％Un跌落时，首先短路阻抗Z2的内部继电器切换到0电抗模式，然后S1开关断开将限流电抗器Z1串入回路，接着S2闭合投入短路阻抗，完成并网点的零电压跌落。而由此产生的电压/电流幅值突变、频率异常、相位畸变以及低次谐波，通过串联的背靠背式动态补偿装置输出侧传感器检测到阻抗分压装置前级的电参数异常，进行动态的相位、幅值、频率补偿，从而降低甚至消除故障穿越对电网的冲击补偿吸收，从而不影响电网侧的电压/电流的原始幅值、频率和相位，从而保障在故障穿越实验期间电网安全平稳得运行。
同时，当S1闭合、S2断开时，串联在前端的动态补偿装置可以作为模拟电网使用，模拟电网频率变化的各种工况，如：一次调频、惯量、无功控制能力、电网适应性等的检测能力。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种虚拟同步发电机故障穿越检测装置，其特征在于，包括：
控制装置、阻抗分压装置和动态补偿装置；
所述阻抗分压装置和动态补偿装置串联；
所述控制装置分别与所述阻抗分压装置和所述动态补偿装置连接；
所述阻抗分压装置与待测虚拟同步发电机装置连接。
2.如权利要求1所述的虚拟同步发电机故障穿越检测装置，其特征在于，所述阻抗分压装置包括：串联的限流电抗器Z1和短路阻抗Z2。
3.如权利要求1所述的虚拟同步发电机故障穿越检测装置，其特征在于，所述控制装置包括：
上位机，用于向PLC集成控制器下发执行指令和接收PLC集成控制器的反馈信息；
PLC集成控制器，用于读取上位机下发的执行指令，向阻抗分压装置和动态补偿装置下发执行指令并接收阻抗分压装置和动态补偿装置的反馈信息。
4.如权利要求1所述的虚拟同步发电机故障穿越检测装置，其特征在于，所述待测虚拟同步发电机装置包括：储能单元输出检测点、光伏发电单元输出检测点、风电机组输出检测点。
5.如权利要求1所述的虚拟同步发电机故障穿越检测装置，其特征在于，所述阻抗分压装置与待测虚拟同步发电机装置之间设有进线开关；
所述进线开关设有检测点。
6.如权利要求1所述的虚拟同步发电机故障穿越检测装置，其特征在于，所述的虚拟同步发电机故障穿越检测装置还包括：数字录波仪，用于在检测过程中记录待检测虚拟同步发电机的电参数。
7.一种虚拟同步发电机故障穿越检测方法，其特征在于，包括：
阻抗分压装置根据接受的控制装置下发执行指令调整对待测虚拟同步发电机装置的检测模式；
动态补偿装置在阻抗分压装置电参数异常时对阻抗分压装置进行动态补偿。
8.如权利要求7所述的虚拟同步发电机故障穿越检测方法，其特征在于，所述阻抗分压装置根据接受的控制装置下发执行指令调整对待测虚拟同步发电机装置的检测模式包括：
通过切换阻抗分压装置中的限流电抗器Z1和短路阻抗Z2组合模式，以及调整短路阻抗Z2的电抗值，模拟不同幅值的低/高电压穿越工况。
9.如权利要求7所述的虚拟同步发电机故障穿越检测方法，其特征在于，所述控制装置下发执行指令包括：
控制装置中的PLC集成控制器接收控制装置中上位机下发的执行指令并下发给阻抗分压装置和动态补偿装置。
10.如权利要求8所述的虚拟同步发电机故障穿越检测方法，其特征在于，所述阻抗分压装置中的限流电抗器Z1短路而短路阻抗Z2工作时，所述动态补偿装置作为模拟电网运行，模拟电网频率的变化工况。
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