CN101383576B - 一种大型风力发电机组穿越电网低电压故障的方法 - Google Patents

Abstract

一种大型风力发电机组穿越电网低电压故障的方法，属电力输送技术领域，用于解决风力发电的并网问题。其技术方案是：在风力发电机组和电网之间串接三相无源阻抗网络或电阻网络，在无源阻抗网络或电阻网络上并联由电力半导体器件构成的三相交流开关，当电网出现低电压故障时，断开三相交流开关，使无源阻抗网络或电阻网络接入；在电压恢复后，闭合三相交流开关，使无源阻抗网络或电阻网络被短路，恢复风力发电机组与电网之间的正常连接。本发明不仅能确保在电网出现低电压故障时双馈感应风力发电机组自身的安全性，还可不间断地向电网提供电流，使线路保护装置能够可靠动作。

Description

一种大型风力发电机组穿越电网低电压故障的方法

技术领域

本发明涉及一种兆瓦级大型双馈感应风力发电机组穿越电网低电压故障的方法。

背景技术

随着全球化学能源的日益枯竭，风力发电越来越受到人们的重视。在近20年里，风力发电机组不断向大型化发展，兆瓦级双馈感应风力发电机组已成为当前市场上的主流产品。

在发生低电压故障时，过去第一重要的是保护风力发电机组本身，允许风力发电机从电网解列，然而，随着风力发电机组份额的增加，从安全稳定角度考虑，大量的风电机组从电网解列已经是不可接受的了。国际上新提出的电网要求是：在发生故障时，MW级风力发电机应提供一定的短路电流以保证保护装置可靠动作，从而缩小电压骤降影响的范围；同时，参照同步发电机必需具有抵抗电压跌落冲击的能力，风电机组穿越低电压故障的规程要求用图形描述如图2所示，图2中，A区域内不允许风力发电机从电网解列，B区域内则允许风力发电机从电网解列。

综合考虑MW级双馈感应风力发电机自身的安全性和新的入网规程要求，风力发电机组应满足如下要求：

1)在电网故障电压骤降期间，风力发电机组应最大限度、不间断地向电网提供电流，以保证保护装置可靠动作。

2)风力发电机组齿轮箱和驱动轴的瞬时转矩不得过载200％-250％T_N，并且不允许有大的瞬时冲击转矩和极性反转，以免齿轮箱毁坏。

3)风力发电机组交流励磁变流器(MSC)及变换器直流(DC)母线瞬态电压应保持不超过变换器电压额定值，以免损坏转子侧、网侧电力电子变换器。

4)风力发电机组交流励磁变流器(MSC)瞬态电流应保持不超过2倍变换器电流额定值，以免损坏转子侧、网侧电力电子变换器。

5)为了成功抵御和穿越电网各类故障引起的低电压，可能需要采用功率变换器或辅助电路装置，但变换器或辅助电路装置容量应最小，控制尽量简单，以降低功率损耗及成本。

目前，双馈感应发电机(DFIG)穿越低电压故障的方案主要有以下几种：

1)增设无源转子泄放电路：

该方法是在转子侧与励磁变流器并联由晶闸管、电阻构成的转子泄放电路，具有穿越对称故障、电网电压低至15％U_N的能力。在故障期间，转子泄放电路迅速投入，转子电流被泄放电阻分流，避免了励磁变流器过流。但泄放电阻的取值是个问题，取值太大可能导致励磁变流器过压而损坏，取值太小可能引起大的转子电流，导致瞬时转矩过大。

2)增设有源转子泄放电路

该方法采用PWM的IGBT取代转子泄放电路的晶闸管，优点是低电压穿越能力有所提高，交流励磁变流器在故障初期100ms内可以调节转子电流，使发电机向电网提供无功，缺点是冲击力矩仍达到3T_N。

3)增设定子侧电力电子开关及转子泄放电路

该方法是在双馈感应发电机与电网之间串入反并联的GTO或SCR，同时转子侧与励磁变流器并联接入转子泄放辅助电路。研究表明在故障期间这种方案能使定子电流和转矩峰值限定在2倍左右，但转子泄放辅助电路必须具有紧急保护交流励磁变流器(MSC)的功能，而且，励磁变流器(MSC)必须增大容量以利于迅速吸收在故障期间的电磁储能，电网侧变换器(GSC)也需要增大容量，以保证在故障期间能最大程度地向电网提供故障动作电流。

4)修改交流励磁变流器(MSC)控制策略

该方法可以改进矢量控制算法，在小值故障(85％U_N)时，转子电流、电磁转矩幅值都有明显的降低，也可以控制发电机漏磁链以抵消定子磁链中的暂态直流分量对转子侧影响的励磁控制策略。这类方案的优点是只需修改励磁变流器的电流控制策略，不改变双馈感应发电机(DFIG)主电路，缺点是未考虑转轴及齿轮箱承受的瞬态转矩，有的存在转矩振荡、极性重复反转现象。

5)在定子侧串联变换器

这种方法具有较好的穿越低电压故障的能力。但因变换器固定地串接于定子侧，将降低双馈感应发电机(DFIG)系统的发电效率；另外，由于公共连接点(PCC)电压在故障期间是一个随机的瞬变量，在故障状态下基于公共连接点(PCC)电压矢量定向的定子磁链稳定动态控制则会带来新的问题。

总之，现有技术中的各个方案都存在各自的局限性，有必要进一步探索大型双馈感应风力发电机组抵御和穿越低电压新的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在电网故障期间既能确保双馈感应风力发电机组自身安全、又能使发电机最大限度地向电网提供电流、以确保线路保护装置能可靠动作的大型风力发电机组穿越电网低电压故障的方法。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种大型风力发电机组穿越电网低电压故障的方法，在风力发电机组和电网之间串接三相无源阻抗网络，在无源阻抗网络上并联由电力半导体器件构成的三相交流开关，当电网出现低电压故障时，断开三相交流开关，使无源阻抗网络接入；在电压恢复后，闭合三相交流开关，使无源阻抗网络被短路，恢复风力发电机组与电网之间的正常连接。

上述大型风力发电机组穿越电网低电压故障的方法，所述三相无源阻抗网络设置为二级串联结构，当电网出现低电压故障时，通过控制与二级无源阻抗网络并联的开关，动态调整串联阻抗电路参数，减轻由于无源阻抗网络投入或退出造成的瞬时电流和转矩的冲击。

上述大型风力发电机组穿越电网低电压故障的方法，增设与风力发电机并联连接的三相无源阻抗支路，在故障期间，闭合该并联阻抗支路的控制开关，使并联阻抗支路吸收发电机的暂态能量，增加双馈感应风力发电机组的动态稳定性。

本发明采用在风力发电机组和电网之间串接三相无源阻抗网络和在发电机输出端并联三相无源阻抗支路的方法，使大型风力发电机组得以顺利穿越电网低电压故障。所述无源阻抗网络用于在低电压故障期间，限制过大的短路电流，使风力发电机组定、转子电流、电压、磁链以及电磁力矩等的瞬态值限制在允许范围内，同时，最大限度地向电网提供电流，以保证线路保护装置可靠动作。并联三相无源阻抗支路用于在低电压故障期间吸收发电机的暂态能量，以利于双馈感应风力发电机组的动态稳定。本发明不仅能确保在电网出现低电压故障时双馈感应风力发电机组自身的安全，还可不间断地向电网提供电流，使线路保护装置能够正常工作。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的电原理图；

图2是风电机组穿越低电压故障的规程要求示意图；

图3～图6是本发明无源阻抗网络的四种结构的实施例；

图7是采用无源阻抗网络实现低电压穿越的大型双馈感应风力发电系统的等效电路模型；

图8是电网故障时，PCC出现电压跌落时，PCC点电压波形；

图9是电网故障时，PCC出现电压跌落时，双馈感应风力发电机电磁力矩暂态波形；

图10是电网故障时，PCC出现电压跌落时，双馈感应风力发电机定子磁链暂态波形；

图11是电网故障时，PCC出现电压跌落时，双馈感应风力发电机转子磁链暂态波形；

图12是电网故障时，PCC出现电压跌落时，双馈感应风力发电机定子电流暂态波形；

图13是电网故障时，PCC出现电压跌落时，双馈感应风力发电机转子电流暂态波形；

图14是双馈感应风力发电机采用无源阻抗网络低电压穿越时PCC点电压暂态波形；

图15是双馈感应风力发电机采用无源阻抗网络低电压穿越时的电磁转矩暂态波形；

图16是双馈感应风力发电机采用无源阻抗网络低电压穿越时的定子磁链暂态波形；

图17是双馈感应风力发电机采用无源阻抗网络低电压穿越时的转子磁链暂态波形；

图18是双馈感应风力发电机采用无源阻抗网络低电压穿越时的定子电流暂态波形；

图19是双馈感应风力发电机采用无源阻抗网络低电压穿越时的转子电流暂态波形；

以上图8～图13是电网故障时不带无源阻抗网络的双馈感应风力发电机电磁暂态波形；图14～图19是电网故障时带有无源阻抗网络的双馈感应风力发电机电磁暂态波形。

图中各标号为：G、电网，P_cc、公共连接点，V_PCC、公共连接点电压，V_S、发电机端电压，Z、无源阻抗网络，Z_s1、Z_s2为串联阻抗，Z_p为并联阻抗，Ss，Sp，S_s1，S_s2为电力半导体器件构成的三相交流开关，JC_s1、JC_s2为交流接触器。Z_s1、Z_s2为串联阻抗，Zp为并联阻抗，Ss，Sp，S_s1，S_s2为电力半导体器件构成的三相交流开关，JC_s1、JC_s2为交流接触器，i_s、双馈感应发电机定子电流，i_r、双馈感应发电机转子电流，R_s，双馈感应发电机定子电阻，R_r、双馈感应发电机转子电阻，L_ls、双馈感应发电机定子漏电感，L_lr、双馈感应发电机转子漏电感，L_m、双馈感应发电机定、转子之间的互电感，L_s，双馈感应发电机定子电感，L_r、双馈感应发电机转子电感，ω_s、发电机定子侧系统同步角速度，ω_r、发电机转子角速度，T_m、转速ω_r时的机械输入转矩，P、发电机的总极数，J_m、发电机转动惯量，G_m、发电机转子摩擦阻尼系数，T_e、？？，DFIG、双馈感应发电机，GSC、电网侧变换器，MSC、电机侧变换器，T、变压器，GB、齿轮箱，PD、桨叶，F、故障点，t、时间。

文中所用符号：λ_sq、λ_sd分别为双馈感应发电机定子磁链q轴分量、d轴分量，λ_rq、λ_rd分别为双馈感应发电机转子磁链q轴分量、d轴分量，V_sq、V_sd分别为双馈感应发电机定子电压q轴分量、d轴分量，V_rq、V_rd分别为双馈感应发电机转子电压q轴分量、d轴分量，i_sq、i_sd分别为双馈感应发电机定子电流q轴分量、d轴分量，i_rq、i_rd分别为双馈感应发电机转子电流q轴分量、d轴分量，U_N、PCC额定电压，T_N、风力发电机组齿轮箱和驱动轴的额定转矩，MSC、交流励磁变流器。

具体实施方式

本发明以一台2兆瓦的典型大型双馈感应风力发电机组为例，说明电网故障引起的低电压对双馈感应风力发电机组的影响。

图8～图13为2兆瓦大型双馈感应风力发电机组在电网出现低电压故障，PCC(Point of CommonConnection)电压降低至15％U_N(其中，U_N为PCC额定电压值)时，双馈感应风力发电机组电流、磁链及其电磁转矩的暂态过程计算波形。可以看到：

1)定子磁链剧烈变化，定、转子电流剧烈变化，暂态峰值分别达10倍额定值，严重威胁双馈感应风力发电机组的变流设备；

2)在电压塌陷和电压恢复的过程中，电磁力矩剧烈变化，暂态峰值达5倍额定力矩，并且，还伴随有电磁力矩的剧烈振荡，力矩极性重复反转，严重危害双馈感应风力发电机组的变速齿轮箱和大轴的安全。

不难发现，电网故障导致的PCC低电压对双馈感应风力发电机组的冲击是巨大的，危害是严重的。另一方面，随着风力发电机组份额的增加，以及风电场直接接入大电网，故障时大量的风电机组从电网解列还将危害到电网的安全稳定。因此，在故障状态下如何确保双馈感应风力发电机组自身安全，同时，最大限度地向电网提供电流，以保证线路保护装置准确动作，确是一个亟待解决的问题。

图3～图6为本发明的四个实施例，其中，Z_s1、Z_s2为串联阻抗，Zp为并联阻抗，Ss，Sp，S_s1，S_s2为电力半导体器件构成的三相交流开关，JC_s1、JC_s2为交流接触器。下面对四个实施例分别加以说明：

参看图3，正常运行时，S_s1，S_s2闭合，作为双馈感应风力发电机组与电网的互联开关，此时，串联阻抗Z_s1，Z_s2被开关短接，不影响风力发电系统的正常运行。当电网发生故障，电压塌陷时，S_s1，S_s2快速断开，双馈感应风力发电机输出电流被迫经串联阻抗Z_s1，Z_s2再流入系统，串联阻抗支路将向电网故障点提供电流，以加速和保证线路保护装置快速、准确地动作；同时，串联阻抗支路将有效地减缓双馈感应风力发电机组定、转子电流、磁链和转矩的剧烈变化，将定、转子电流和转矩限制在允许的范围内；串联阻抗支路还将吸收发电机的暂态能量，以助于双馈感应风力发电机组的稳定。一直到电网故障消失或线路保护断路器动作，信号检测电路在检测到电压恢复后，控制电力半导体三相交流开关S_s1闭合，串联阻抗Z_s1两端被短接，Z_s1相当于退出，经适当延时后闭合S_s2，串联阻抗Z_s2两端被短接，Z_s2相当于退出，系统恢复到正常运行状态。通过分级、分时切换串联阻抗，减少其状态改变造成的瞬时电流和转矩的冲击。

参看图4，考虑到双馈感应风力发电机组调节系统的敏感性，以及不同型号调节参数的不同一性，在图3拓扑电路基础上增加了并联阻抗支路Zp，以吸收发电机的暂态能量，这有利于双馈感应风力发电机组的动态稳定。并联阻抗Zp的接入和退出控制逻辑是：当电网发生故障，电压塌陷时，在S_s1，S_s2快速断开的同时闭合Sp，接入并联阻抗Zp，用于吸收发电机的暂态能量；直到电网故障消失或线路保护断路器动作，电压恢复后，在闭合S_s2的同时断开Sp，退出并联阻抗Z_s2，系统恢复到正常运行状态。

参看图5，为了减少对双馈感应风力发电机组正常工作效率的影响，以及降低低电压穿越装置的成本，在图3拓扑电路基础上改进得到图5所示拓扑电路。与图3不同的是：正常运行时，Ss作为双馈感应风力发电机组与电网的互联开关，JC_s1、JC_s2则为断开状态，故障发生时，Ss快速断开，JC_s1、JC_s2保持原状态；直到电网故障消失或线路保护断路器动作，电压恢复后，先闭合JC_s1，串联阻抗Z_s1两端被短接，Z_s1相当于退出，经适当延时后闭合JC_s2，串联阻抗Z_s2两端被短接，Z_s2相当于退出，然后，再经一定延时，逻辑控制使Ss闭合，JC_s1、JC_s2断开，系统恢复到正常运行状态。

参看图6，它是在考虑到双馈感应风力发电机组调节系统的敏感性、不同型号调节参数的不同一性，以及减少对双馈感应风力发电机组正常工作效率的影响、降低低电压穿越装置的成本等多种因素，在图5基础上改进而来，它综合了图4和图5拓扑电路的优点。

对本发明进行分析时，双馈感应风力发电机采用同步坐标系下5阶模型，状态方程组如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{sq}}-R_s{i}_{\mathrm{sq}}-j{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sd}}\\ \frac{d{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{sd}}-R_s{i}_{\mathrm{sd}}+j{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sq}}\\ \frac{d{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rq}}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{rq}}-R_r{i}_{\mathrm{rq}}-j{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ls}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rd}}\\ \frac{d{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rd}}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{rd}}-R_r{i}_{\mathrm{rd}}+j{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ls}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rq}}\\ \frac{d{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=\frac{P}{2J_m}[T_m-\frac{3P}{4}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sd}}-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sq}})-\frac{2{\mathrm{\ω}}_r}{P{G}_m}]\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{L}_s=L_{\mathrm{ls}}+L_m\\ L_r=L_{\mathrm{lr}}+L_m\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sq}}=L_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_m{i}_{\mathrm{rq}}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sd}}=L_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_m{i}_{\mathrm{rd}}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rq}}=L_m{i}_{\mathrm{rq}}+L_r{i}_{\mathrm{rq}}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rd}}=L_m{i}_{\mathrm{sd}}+L_r{i}_{\mathrm{rd}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中：λ_sq，λ_sd分别为双馈感应发电机定子磁链q轴分量、d轴分量，λ_s＝λ_sq-jλ_sd；

      λ_rq，λ_rd分别为双馈感应发电机转子磁链q轴分量、d轴分量，λ_r＝λ_rq-jλ_rd；

      V_sq，V_sd分别为双馈感应发电机定子电压q轴分量、d轴分量，V_s＝V_sq-jV_sd；

      V_rq，V_rd分别为双馈感应发电机转子电压q轴分量、d轴分量，V_r＝V_rq-jV_rd；

      i_sq，i_sd分别为双馈感应发电机定子电流q轴分量、d轴分量，i_s＝i_sq-ji_sd；

      i_rq，i_rd分别为双馈感应发电机转子电流q轴分量、d轴分量，i_r＝i_rq-ji_rd；

      R_s，R_r分别为双馈感应发电机定子和转子电阻；

      L_ls是双馈感应发电机定子漏电感；

      L_lr是双馈感应发电机转子漏电感；

      L_m是双馈感应发电机定、转子之间的互电感；

      L_s，L_r分别为双馈感应发电机定子和转子电感。

      ω_s为发电机定子侧系统同步角速度；

      ω_r为发电机转子角速度；

      T_m为转速ω_r时的机械输入转矩；

      P为发电机的总极数；

      J_m为发电机转动惯量；

      G_m为发电机转子摩擦阻尼系数。

为了突出问题，同时简化计算，假设双馈感应风力发电系统开环控制，转子绕组接电压源给定励磁，等效电路模型如图7。

其中：Z_s为无源阻抗网络的串联支路总阻抗，Z_p为无源阻抗网络的并联支路总阻抗；v_PCC为公共连接点的电压；图7中其它参数的含义同上述状态方程组中各参数的定义。

图14～图19为2兆瓦大型双馈感应风力发电机组出现电网故障，PCC(Point of CommonConnection)电压降低至15％U_N(其中，U_N为PCC额定电压值)时，迅速在双馈感应风力发电机组与电网之间投入无源阻抗网络时，其电流、磁链及其电磁转矩的暂态过程计算波形。同样可以看到：

1)在故障期间，接入无源阻抗网络有效地减缓了双馈感应风力发电机组电流、磁链和转矩的剧烈变化，转子电流瞬态值小于2倍变换器电流额定值，避免损坏转子侧、网侧电力电子变换器。

2)在电压塌陷和电压恢复的过程中，齿轮箱和驱动轴的瞬时转矩小于200％T_N，并且没有大的瞬时冲击转矩和极性反转，避免齿轮箱毁坏。

3)在故障期间，定子电流限制在2倍额定值范围内，但短时大于定子电流额定值，这有利于在电网故障期间，风力发电机组不间断地向电网提供电流，以保证保护装置可靠动作。

Claims (2)

1.一种大型双馈感应风力发电机组穿越电网低电压故障的方法，其特征是，在双馈感应风力发电机组和电网之间串接三相无源阻抗网络(Z)或电阻网络，在无源阻抗网络(Z)或电阻网络上并联由电力半导体器件构成的三相交流开关，增设与双馈感应风力发电机(DFIG)并联的三相无源阻抗支路(Zp)或电阻支路；当电网出现低电压故障时，断开三相交流开关，使无源阻抗网络(Z)或电阻网络接入；同时，闭合串接在该无源阻抗支路或电阻支路的控制开关(Sp)，使无源阻抗支路(Zp)或电阻支路吸收发电机的暂态能量；在电压恢复后，闭合三相交流开关，使无源阻抗网络或电阻网络被短路，恢复双馈感应风力发电机组与电网(G)之间的正常连接，同时断开所述控制开关。

2.根据权利要求1所述大型双馈感应风力发电机组穿越电网低电压故障的方法，其特征是，所述三相无源阻抗网络(Z)或电阻网络设置为二级串联结构。

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