CN101299540A - 用于实现风力发电机组低电压穿越的装置 - Google Patents

Abstract

用于实现风力发电机组低电压穿越的装置，其组成包括能量储存装置电抗变压器、能量转换装置交直变换器及其保护器件、以及由风机主控系统控制的旁路开关，电抗变压器的原边分别与滤波器、网侧变压器电连接，其副边与旁路开关、交直变换器、保护器件并联，交直变换器的电压输出端与不间断电源的直流电压输入电端连接。电网电压发生跌落时，旁路开关断开，电抗变压器中储存的能量通过交直变换器提供给不间断电源，确保不间断电源具有充足的电能向所有子系统的关键部件供电，实现低电压穿越；同时由于电抗变压器副边通过交直变换器向不间断电源供电，其等效阻抗大大提高，使电流也得到有效抑制。

Description

用于实现风力发电机组低电压穿越的装置

技术领域

本发明涉及一种用于实现风力发电机组低电压穿越的装置。

背景技术

随着风电机组单机容量的增大，风能正在成为电力系统广泛应用的能源之一。为了可靠地向电网供电，风电机组要严格满足电网的接入要求。特别是低电压穿越(简称LVRT，下同)通常要求电网电压跌落在预定范围内的时候，风电机组不能与电网解列，并且风电机组在此过程中要能提供无功以支持电网电压恢复。

按照LVRT要求，如图1示出了电压波动与时间的关系曲线，在电网电压跌落到某一幅值时，风电机组能否跳机，以及与电网维持连接多长时间方可跳机都有明确规定。

风力发电机组有多种结构方式，最为常见的是双馈式和直驱式风电机组。如图2所示，为双馈式风力发电机组的电路结构示意图(以下说明以此方式机组为例)，它包括：桨叶PI，发电机GE，变桨系统PS(含变桨控制器、变桨驱动电机及其驱动控制系统)，齿轮箱GB，变流器系统CS，风机主控系统TS，变压器TR，滤波器FL，低压配电盘LVDP以及其它组件等。风能作用于桨叶PI，桨叶PI旋转通过齿轮箱GB升速，将能量传递到发电机转子。根据机电转换原理，发电机定子侧产生电能。图2中GR为电网。

风机主控系统TS完成对机组整机的控制，它监视风速和发电机转速，驱动变桨系统PS控制桨距角，调节最优的叶尖速比，保持合适的转速运行，并向变流器系统CS中的变流器控制器CC发出指令，调节转子励磁、控制机组与电网的同步连接。在一个实施例中，风机主控系统TS采用可编程逻辑控制器(PLC)实现，也可以采用其它控制器实现。此外，风机主控系统TS还与系统传感器SE相连，系统传感器SE提供各部分的实时运行状态，如转子速率和发电机输出电压等，风机主控系统TS根据检测的信息来判断并处理各种事故。

变流器系统CS(如图3所示)包括转子侧变流器CR、网侧变流器CG、变流器控制器CC及Crowbar保护回路。其中，用于风力发电机组的背靠背变流器CR&CG在本领域是已知的，并且多种结构方式均可使用。转子侧变流器CR连接到发电机GE，网侧变流器CG连接电网GR，Crowbar保护回路与发电机转子的输出相连，变流器控制器CC与转子侧变流器CR相连，以接收指示转子侧变流器的电流、电压数据，并且变流器控制器CC与Crowbar保护回路相连，根据所测得的数据，启动或停止Crowbar保护电路，对发电机GE和变流器CR&CG进行分流，以确保电流、电压在容许的范围内。

变压器TR是使风电机组输出的电压等级与本地电网电压相匹配。

滤波器FL通常采用“L-C-L”型结构或者“L-C”型结构。其中L表示滤波电抗器、C表示滤波电容。根据不同类型机组的需要，滤波器可以放置在发电机组转子侧也可以放置在机组定子侧，以改善输出电能的质量。

正常运行时，由电网GR向变流器CR&CG、低压配电盘LVDP及其他组件供电。LVDP包含变压器，主要作用是将电网电压转化为风电机组使用的各种等级的电压，如120V、230V、400V等(根据需要也可以提供其它等级电压)，分别向以下各子系统供电，包括变桨系统、变流器系统、偏航系统、风机主控系统，各种润滑和冷却系统，以及不间断电源UPS、电力插座、照明、加热器和其他各种设备等。

若电网电压发生波动，当电压跌落到额定电压的90％或90％以上值时，由于电网电压还可以继续通过低压配电盘LVDP向各子系统供电来维持各相关控制组件的正常工作，仍然可以满足与电网连接和同步的要求。但是，当电压降到额定电压的90％以下或发生更为剧烈的电压波动时，发电机组无法向电网输送电能，此时风电机组子系统也无法正常地从电网电压获得充足的电能，导致各子系统不能正常工作。为了在LVRT要求范围内维持机组正常运行，或者在超出LVRT要求范围时控制机组安全停机，需要利用备用电源，在电网电压跌落期间为机组子系统供电。

过去，电网出现比较轻微的故障，就允许风电机组跳闸退出运行。机组一般采用几个独立的电池组，作为子系统(特别是关键组件如变桨系统、变流器系统、风机主控系统等)的备用电源。由于备用电源能量有限，仅能保证关键的保护组件正常工作，使机组安全停机，而不能满足LVRT要求。以变桨系统为例，在电压跌落期间，变桨系统从LVDP供电方式切换到由备用电源供电的方式，控制桨距角使桨叶顺桨，保护机组安全退出运行后，断开变桨系统与备用电源的连接。

目前，由于风电装机容量不断增大，对风电机组接入电网的要求也逐步提高。机组实现低电压穿越要求，要保证在电网电压跌落在LVRT要求范围内时，能够维持机组的控制调节功能，保持与电网的连接和同步；在电压跌落超出LVRT要求范围时，能够确保机组安全停机。这就特别要求风电机组必须具备充足的备用电源给各子系统特别是其中关键的部件供电。

如图4所示，中国发明专利“具有低压克服控制器的风轮机发电机和控制风轮机组件的方法”，申请号：200480005070.0，图中，LVDP为低压配电盘，UPS为不间断电源，其他标号参见图2，在电路中增加了不间断电源UPS作为备用电源，正常工作时，由低压配电盘LVDP向UPS及其它关键部件供电；当检测到电压跌落时，风机主控系统TS将低压配电盘LVDP向机组关键组件供电的方式转换为由不间断电源UPS供电的方式，同时停止部分非关键组件，保证关键组件的正常运行。如图5所示，为现有的实现低电压穿越的风力发电机组中子系统供电的原理框图，图中符号的含义同图4，图中虚线部分表示在电网电压跌落期间CC和CR&CG转为由UPS供电。但是，在电压跌落时，若只是单一地采用不间断电源UPS供电，而没有后续电源的补充支撑，由于受到UPS自身供电能力的约束，未必能保证向所有关键部件提供充足电能，也就无法确保在整个电压跌落过程中控制机组安全运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供用于实现风力发电机组低电压穿越的装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：用于实现风力发电机组低电压穿越的装置，其特征是：组成包括能量储存装置电抗变压器、能量转换装置交直变换器及其保护器件、以及由风机主控系统控制的旁路开关，其中，所述能量储存装置电抗变压器的原边分别与滤波器、网侧变压器电连接，其副边与所述的旁路开关、能量转换装置交直变换器、保护器件并联，能量转换装置交直变换器的电压输出端与不间断电源的直流电压输入端电连接。

本发明的有益效果如下：在正常状态下旁路开关闭合，能量储存装置电抗变压器的副边被短路，此时能量储存装置电抗变压器的原边就等效于一个滤波电抗器；电网电压发生跌落时，滤波器中的电流将发生突变，风机主控系统检测到这个电压跌落，控制变流器控制器相应地调整降低网侧变流器的电压输出，并向能量储存装置电抗变压器副边的旁路开关发出控制信号，断开开关，此时能量储存装置电抗变压器中储存的能量向能量转换装置交直变换器转移，同时能量转换装置交直变换器开始工作，向不间断电源供电补充电能，维持变桨系统等子系统关键部件的功能，避免由于自身供电能力有限而导致无法满足低电压穿越要求；同时由于能量储存装置电抗变压器副边向不间断电源供电，其等效阻抗大大提高，使电流也得到有效抑制。本发明所采用的技术适用于双馈式和直驱式风电机组，可以实现在剧烈的电压波动期间保持机组与电网的同步，并且保护变流器和发电机等避免高电压、高电流的损坏。

附图说明

图1为风力发电机组电压波动与时间的关系曲线。

图2为现有的双馈式风力发电机组的电路结构示意图。

图3为现有的双馈式风力发电机组的变流器系统结构示意图。

图4为现有的采用不间断电源UPS提供电能的双馈式风力发电机组的结构示意图。

图5为现有的实现低电压穿越的风力发电机组中子系统供电的原理框图。

图6为本发明实施例1用于双馈式风力发电机组的电路结构示意图。

图7为本发明实施例2用于直驱式风力发电机组的电路结构示意图。

图8为含本发明装置的风力发电机组实现低电压穿越的工作流程图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

例1：

如图6所示，为本发明用于双馈式风力发电机组的电路结构示意图，图中，PI为桨叶、GB为齿轮箱、GE为发电机、TR为网侧变压器、虚线框CS为变流器系统、FL为滤波器、PS为变桨系统、TS为风机主控系统、UPS为不间断电源、LVDP为低压配电盘，如图虚线框EQ表示部分为本发明装置，其组成包括能量储存装置电抗变压器TL、能量转换装置交直变换器AC/DC及其保护器件R、以及由风机主控系统TS控制的旁路开关SC，其中，所述能量储存装置电抗变压器TL的原边分别与滤波器FL、网侧变压器TR电连接，其副边与所述的旁路开关SC、能量转换装置交直变换器AC/DC、保护器件R并联，能量转换装置交直变换器AC/DC的电压输出端与不间断电源UPS的直流电压输入端电连接。

如图6所示的实施例中，旁路开关SC为电子开关，保护器件R为一个非线性电阻，它也可以采用带可控开关的耗能电阻。

图6所示的实施例中，滤波器FL为“L-C”型滤波器，能量储存装置电抗变压器TL与滤波器FL及网侧变压器TR连接方式如图6所示。当然，滤波器FL也可以采用“L-C-L”型滤波器。在本实施例中，当机组正常工作时，旁路开关SC闭合，能量储存装置电抗变压器TL的副边被短路，此时能量储存装置电抗变压器TL的原边就等效于一个滤波电抗器L，电路中的“L-C”型滤波器就变成了“L-C-L”型滤波器，同理，对于采用“L-C-L”型滤波器的电路来说，旁路开关SC闭合，“L-C-L”型滤波器就变为“L-C-L-L”型滤波器。变流器系统CS包括：转子侧变流器CR、网侧变流器CG、变流器控制器CC及Crowbar保护回路。转子侧变流器CR连接到发电机GE，网侧变流器CG通过“L-C”滤波器、能量储存装置电抗变压器TL的原边连接到网侧变压器TR，Crowbar保护回路与发电机转子的输出相连。

风机主控系统TS检测到电压跌落，控制变流器控制器CC相应地调整降低网侧变流器CG的电压输出，并向能量储存装置电抗变压器TL副边的旁路开关SC发出控制信号，断开开关(正常状态下闭合)，本发明中的能量转换装置交直变换器AC/DC开始工作，向不间断电源UPS供电，维持如变桨系统、变流器系统等关键部件的功能，并且满足下列要求：当电压跌落在LVRT的要求范围内，维持机组的调桨能力，直到电网电压恢复；当电压跌落超出LVRT的要求范围时，使桨叶快速顺桨，保护机组安全退出运行。同时，变流器CR&CG(转子侧变流器CR、网侧变流器CG)和变流器控制器CC被转换到不间断电源UPS供电的方式，在电压跌落期间，变流器控制器CC还要根据检测到的转子电流，有选择地启动Crowbar保护回路(在正常工作期间，保护回路是不工作的)，以保护机组和变流器系统CS。Crowbar保护回路在本领域中是已知的，各种形式的Crowbar回路都可以使用。

如图8所示，为含本发明装置的风力发电机组实现低电压穿越的工作流程图。

本发明在双馈式风电机组中的原理及应用说明，对于直驱式风电机组中也同样适用，两者只是在构成方式上有所区别，但对于本发明所使用的装置及原理方法具有通用性。

例2：

如图7所示，本发明用于直驱式风力发电机组的电路结构示意图，图中的标号参见例1，发电机定子侧通过变流器系统CS(包括电机侧整流器RE、电网侧逆变器IN及能量存储或保护装置ESS)连接到电网，其中，ESS的工作原理和控制方式类似双馈式机组中的Crowbar电路，其余装置在本发明中的控制和应用与上述双馈式风电机组相同。风机主控系统TS检测到电压跌落，向能量储存装置电抗变压器TL副边的旁路开关SC发出控制信号，断开开关，通过能量转换装置交直变换器AC/DC向不间断电源UPS供电，为UPS补充电能，确保所有关键部件正常工作，实现低电压穿越。

Claims (4)

1、用于实现风力发电机组低电压穿越的装置，其特征是：组成包括能量储存装置电抗变压器、能量转换装置交直变换器及其保护器件、以及由风机主控系统控制的旁路开关，其中，所述能量储存装置电抗变压器的原边分别与滤波器、网侧变压器电连接，其副边与所述的旁路开关、能量转换装置交直变换器、保护器件并联，能量转换装置交直变换器的电压输出端与不间断电源的直流电压输入端电连接。

2、根据权利要求1所述的用于实现风力发电机组低电压穿越的装置，其特征是：所述的旁路开关为电子开关。

3、根据权利要求1或2所述的用于实现风力发电机组低电压穿越的装置，其特征是：所述的保护器件为非线性电阻。

4、根据权利要求1或2所述的用于实现风力发电机组低电压穿越的装置，其特征是：所述的保护器件为带可控开关的耗能电阻。

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