电网模拟与拖动一体化的风电机组试验平台及试验方法

技术领域

本发明涉及风电机组试验技术领域，并且更具体地，涉及一种电网模拟与拖动一体化的风电机组试验平台及试验方法。

背景技术

风电机组的机械性能及运行可靠性是影响风电发展的重要因素。随着风电技术发展与市场需求变化，新机型迭代设计在明显加速。当前，在风电机组新机型的研发阶段，一般是基于设计仿真软件对机组的机械性能和可靠性进行计算校核。为进一步验证机组的机械性能与可靠性，国内外部分整机厂家建立了风电机组地面拖动试验平台，将新研发的试验样机放在平台上拖动运行。试验平台利用变频拖动单元为被试机组提供转动运行的驱动力，将试验样机拖动运行于不同工况条件下，模拟风机的实际运行工况，对试验样机的机械特性进行较为真实的测试，较大程度地提升了风电机组的机械性能与可靠性。

为在地面拖动试验平台上测试被试风电机组样机的并网特性，现有技术方案为：在常规风电机组地面拖动试验平台基础上增加一套电网模拟单元，平台整体功能模块电气拓扑如图1所示。该电网模拟单元置于被测风电机组与电网之间，通过电力电子背靠背变流技术方案，在机组并网点产生电网电压/频率扰动，模拟电网扰动状态，测试被拖风电机组的并网特性，包括电压偏差适应性测试、频率偏差适应性测试、三相电压不平衡适应性测试、电压闪变适应性测试、谐波适应性测试等。

增加的电网模拟单元如图1所示，采用电力电子背靠背变流技术方案，主要包括降压变压器、网侧模块、直流母线、机侧模块等，其中，网侧模块和机侧模块均采用大功率全控型半导体功率器件，如IGBT,IGCT等，以降低谐波污染，提高电网模拟控制性能。降压变压器、网侧模块和机侧模块的容量配置均需大于被测机组容量，从而确保电网模拟单元的整体通流能力满足被试机组满功率运行时的功率输出。

现有技术通过增加独立的电网模拟单元的方式，增加了机组并网特性的测试功能，但存在几点缺点与不足：

1)增加电网模拟单元全部功能模块后，平台整体电气拓扑为共交流母线方案，被试机组发电功率需依次经过电网模拟器的机侧模块、网侧模块、变压器后，才能回馈至电网交流母线，构成能量环流路径。在试验台稳定运行状态的能量环流路径下，电网模拟单元主要损失的能量包括流经变压器电能损失W6、机侧模块电能损失W7、流经网侧模块电能损失W8、降压变压器的电能损失W9，电网模拟单元整体能量损失和Wtotal2＝W6+W7+W8+W9,考虑原电机拖动发电测试系统能量损失Wtotal1，整个试验台能量损失为Wtotal1+Wtotal2的总和，即W1至W9的总和，能量损耗较大；

2)该方案需在常规拖动试验平台基础上增加电网模拟单元全部功能模块，包括：降压变压器、网侧模块、直流母线、机侧模块等，投资造价较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种电网模拟与拖动一体化的风电机组试验平台及试验方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种电网模拟与拖动一体化的风电机组试验平台，包括：

变频拖动单元、拖动电机、被测风电机组以及电网模拟单元，其中

电网模拟单元串联在被测风电机组的并网点，并且电网模拟单元和变频拖动单元的直流母线通过直流断路器连接，构成共直流母线；

变频拖动单元控制拖动电机，拖动电机驱动被测风电机组转动运行并发电，发电能量通过共直流母线回馈至变频拖动单元，构成能量环流路径。

可选地，变频拖动单元采用电力电子背靠背变流技术，包括：降压变压器、网侧模块、直流母线和第一机侧模块，其中

网侧模块和第一机侧模块均采用大功率全控型半导体功率器件。

可选地，第一机侧模块的容量配置大于被测风电机组的容量，变频拖动单元的降压变压器、网侧模块的容量小于被测风电机组的容量。

可选地，电网模拟单元采用电力电子背靠背变流技术，包括：第二机侧模块和变压器。

可选地，拖动电机通过开关与变频拖动单元连接，并且拖动电机与被测风电机组通过联轴器连接。

可选地，变频拖动单元与交流母线通过第一交流断路器连接。

可选地，被测风电机组通过第二交流断路器与电网模拟单元连接。

可选地，被测风电机组通过第三交流断路器与交流母线连接。

根据本发明的另一个方面，提供了一种风电机组试验方法，包括：

由变频拖动单元的网侧模块整流向共直流母线充电注能，建立稳定直流电压；

变频拖动单元的第一机侧模块从共直流母线获取能量并驱动拖动电机转动；

电网模拟单元的第二机侧模块充电启动并向被测风电机组并网点注入电网扰动，测试被测风电机组对电网扰动的耐受适应能力；

拖动电机通过联轴器驱动被测风电机组转动并发电；

被测风电机组发的交流电经过电网模拟单元的第二机侧模块后整流为直流电，注入共直流母线，为变频拖动单元的第一机侧模块提供电能，完成被测风电机组的测试。

从而，本发明提出的电网模拟与拖动一体化的风电机组试验平台，在拖动试验平台已有的拖动变频单元的功率模块基础上，仅增加电网模拟单元的第二机侧模块，通过共直流母线方式，构成电网模拟与拖动一体化装置。该一体化风电机组试验平台较常规的拖动和电网模拟独立系统相比减少了电网模拟的网侧模块和网侧降压变压器，缩短试验台能量环流路径，有效降低能量损耗。并且减少了电网模拟的网侧模块和网侧降压变压器，可大幅降低电网模拟的投资造价。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1是本发明背景技术描述的传统的风电机组试验平台的电气拓扑结构示意图；

图2是本发明一示例性实施例提供的电网模拟与拖动一体化的风电机组试验平台的电气拓扑结构示意图；

图3是本发明一示例性实施例提供的风电机组试验方法的流程示意图；

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。

应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

本领域技术人员可以理解，本发明实施例中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。

还应理解，在本发明实施例中，“多个”可以指两个或两个以上，“至少一个”可以指一个、两个或两个以上。

还应理解，对于本发明实施例中提及的任一部件、数据或结构，在没有明确限定或者在前后文给出相反启示的情况下，一般可以理解为一个或多个。

另外，本发明中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本发明中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

还应理解，本发明对各个实施例的描述着重强调各个实施例之间的不同之处，其相同或相似之处可以相互参考，为了简洁，不再一一赘述。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图2是本发明一示例性实施例提供的电网模拟与拖动一体化的风电机组试验平台的电气拓扑结构示意图。如图2所示，电网模拟与拖动一体化的风电机组试验平台，包括：

变频拖动单元、拖动电机、被测风电机组以及电网模拟单元，其中

电网模拟单元串联在被测风电机组的并网点，并且电网模拟单元和变频拖动单元的直流母线通过直流断路器Q1连接，构成共直流母线；

变频拖动单元控制拖动电机，拖动电机驱动被测风电机组转动运行并发电，发电能量通过共直流母线回馈至变频拖动单元，构成能量环流路径。

具体地，参考图2所示，在被试机组并网点串联增加电网模拟单元的第二机侧模块，同时电网模拟和变频拖动的直流母线通过直流断路器Q1连接，构成共直流母线。电网模拟机侧模块采用与变频拖动单元的第一机侧模块同类型的大功率全控型半导体功率器件，如IGBT,IGCT等，以确保两个机侧模块的直流侧电气特性一致，满足共直流母线运行要求。本专利所述电网模拟与拖动一体化装置，将电网模拟单元与变频拖动单元进行一体化设计，将硬件模块进行功能整合，较图1所示电网模拟单元，可不单独配置电网模拟的降压变压器和网侧模块，仅与拖动单元共用一个网侧输入支路，包括降压变压器和网侧单元。该网侧输入支路的容量可依据变频拖动单元机侧模块等容量配置，也可降容量配置，满足平台启动和稳定运行后损耗能量补偿需求即可。

可选地，变频拖动单元采用电力电子背靠背变流技术，包括：降压变压器、网侧模块、直流母线和第一机侧模块，其中

网侧模块和第一机侧模块均采用大功率全控型半导体功率器件。

可选地，第一机侧模块的容量配置大于被测风电机组的容量，变频拖动单元的降压变压器、网侧模块的容量小于被测风电机组的容量。

可选地，电网模拟单元采用电力电子背靠背变流技术，包括：第二机侧模块和变压器。

可选地，拖动电机通过开关与变频拖动单元连接，并且拖动电机与被测风电机组通过联轴器连接。

可选地，变频拖动单元与交流母线通过第一交流断路器Q2连接。

可选地，被测风电机组通过第二交流断路器Q3与电网模拟单元连接。可选地，被测风电机组通过第三交流断路器Q4与交流母线连接。

从而，本发明所述电网模拟与拖动一体化平台，将电网模拟单元与变频拖动单元进行一体化设计，较图1所示电网模拟单元，主要具备以下优点：

(1)常规拖动变频单元和电网模拟单元独立配置的方案，需配置变频单元网侧模块、变频单元机侧模块、电网模拟单元网侧模块、电网模拟单元机侧模块，上述4套功率变换单元模块容量基本相同，且均需大于被试机组容量，硬件成本较高。本专利将拖动变频单元和电网模拟单元的硬件模块进行功能整合，仅配置两套等容量的机侧模块和一个小容量的降压变压器和网侧模块，不配置电网模拟的降压变压器和网侧模块，较拖动变频单元和电网模拟单元独立配置方式，本专利一体化装置可减少硬件投资25％以上，具有较大的经济优势。

(2)常规拖动变频单元和电网模拟单元独立配置的方案，整个试验台能量损失为Wtotal1+Wtotal2的总和，即W1至W9的总和，能量损耗较大；本专利所述一体化装置，因实现直流环流，能量流动路径缩短，省去了流经电网模拟网侧模块的电能损失W8、电网模拟降压变压器的电能损失W9；同时，且因流过共用降压变压器和网侧模块的补偿损失能量远小于环流能量，因此，流经共用降压变压器和网侧模块的能量损耗也远小于流经变频拖动支路降压变压器电能损失W1和网侧模块电能损失W2。综上，本一体化装置较独立配置系统能大幅降低运行时的能量损耗，所节省的能量损耗Wsave定量分析为：(W8+W9)

图3是本发明一示例性实施例提供的风电机组试验方法的流程示意图。本实施例可应用在电子设备上，如图1所示，风电机组试验方法300包括以下步骤：

步骤301，由变频拖动单元的网侧模块整流向共直流母线充电注能，建立稳定直流电压；

步骤302，变频拖动单元的第一机侧模块从共直流母线获取能量并驱动拖动电机转动；

步骤303，电网模拟单元的第二机侧模块充电启动并向被测风电机组并网点注入电网扰动，测试被测风电机组对电网扰动的耐受适应能力；

步骤304，拖动电机通过联轴器驱动被测风电机组转动并发电；

步骤305，被测风电机组发的交流电经过电网模拟单元的第二机侧模块后整流为直流电，注入共直流母线，为变频拖动单元的第一机侧模块提供电能，完成被测风电机组的测试。

具体地，通过上述步骤平台启动阶段完成，进入稳定运行阶段：变频拖动系统第一机侧模块及电动机拖动被试机组发电，并经模拟单元第二机侧整流至共直流母线形成能量环流路径，在环流过程产生的小比例能量损耗，由一体化装置的网侧模块进行能量补偿。平台达到能量平衡，进入稳定运行状态。

从而，本发明提出的电网模拟与拖动一体化的风电机组试验平台，在拖动试验平台已有的拖动变频单元的功率模块基础上，仅增加电网模拟单元的第二机侧模块，通过共直流母线方式，构成电网模拟与拖动一体化装置。该一体化风电机组试验平台较常规的拖动和电网模拟独立系统相比减少了电网模拟的网侧模块和网侧降压变压器，缩短试验台能量环流路径，有效降低能量损耗。并且减少了电网模拟的网侧模块和网侧降压变压器，可大幅降低电网模拟的投资造价。

在本发明的系统、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本发明。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本发明的范围。因此，本发明不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本发明的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。