CN101630850B - 一种双馈型感应发电机穿越电网故障的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种双馈型感应发电机穿越电网故障的装置及方法，该装置包括控制器和撬棒电路，控制器与双馈型感应发电机的机侧变流器和网侧变流器及撬棒电路控制连接，撬棒电路的三相输入端与机侧变流器与du/dt电感连接端连接，撬棒电路包括开关电路和与开关电路驱动连接的驱动电路，控制器与驱动电路控制连接，开关电路包括由全控型电力电子器件为构成元件构成的桥式电路，开关电路的三相输入端连接在撬棒电路的三相输入端上；该方法通过上述装置，当电网跌落使转子电流等于大于导通门限值时，关闭机侧变流器，触发开关电路导通，当转子电流等于小于关断门限值时，关断开关电路。本发明提高了撬棒电路的使用寿命和工作可靠性，结构简单，实施容易。

Description

一种双馈型感应发电机穿越电网故障的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种双馈型感应发电机系统故障保护装置，还涉及使用该装置的双馈型感应发电机系统故障保护方法，更具体地说，涉及一种双馈型感应发电机穿越电网故障的装置及方法。
背景技术
作为清洁、可再生、有着巨大潜力的新能源，风力发电在全世界范围内获得了迅猛的发展。基于双馈型感应发电机的风力发电机组是目前市场上的主流机型。如图1所示，发电机10的定子侧直接接电网20，转子侧经变流器连接电网。变流器一般可分为与电网相连的网侧变流器60和与连接在发电机转子上的du/dt电感80相连的机侧变流器40，机侧变流器40与网侧变流器60二者之间通过直流母线(及其直流母线电容50)连接。变流器40、60通过控制器70实施控制。控制器70通过变流器控制发电机转子侧的电流来实现对发电机有功功率和无功功率的控制。
随着风力发电机组装机容量的不断增大，其发电容量在电网中所占的比重也越来越高。如果在电网发生跌落故障时，风力发电机组脱网停机，不能给电网提供频率和电压的支撑，将非常不利于电网的安全运行。因此，世界各国先后推出了一系列的风力发电机组运行规范，包括电网故障穿越能力，即在电网出现短暂跌落时，风力发电机组要保持并网状态，并在故障期间提供一定的无功支持，以帮助电网尽快恢复。
基于双馈型感应发电机的风力发电机组，由于是通过控制转子电流间接控制定子功率，而定子直接连接在电网的双馈型感应发电机则会受到电网的直接影响，对电网的扰动非常敏感，从而使得在电网故障时系统的控制难度加大，甚至失控。当电网出现短暂跌落时，发电机会产生去磁过程，该过程引起定子电流、转子电流急速上升。当电网跌落幅度较大时，定、转子就会出现过流，如果不采取其他措施，将导致变流器毁坏。
为了解决上述问题，现有技术采用配备被动式撬棒电路的技术手段。如图1所示，被动式撬棒电路30一般并接在du/dt电感80的前端(即du/dt电感80与双馈感应发电机10的转子绕组之间)。如图2所示，被动式撬棒电路30由二极管31组成的三相不控整流桥和串接在该整流桥直流侧的耗能电阻32和晶闸管33或其他半控型电力电子器件组成。当电网出现短暂跌路时，被动撬棒电路中的晶闸管33被触发导通，短路发电机转子，使变流器40、60迅速脱网停机，实现保护变流器的目的。
但是，由于被动式撬棒电路采用的半控型电力电子器件在电网发生故障时导通，实现对变流器的保护后在发电机转子绕组能量耗尽前无法进行关断，需要将变流器脱网且使发电机转子绕组剩余能量消耗完毕才能实现该半控型电力电子器件关断，使得电网发生故障，发电机不能实现连续工作，即不具备穿越电网故障的能力。
为了解决这一问题，出现了主动式撬棒电路。如图3所示是现有常用的主动式撬棒电路，该主动式撬棒电路由二极管31组成的三相不控整流桥和串接在该整流桥直流侧的耗能电阻32和全控型电力电子器件34组成。当电网电压发生跌落故障时，控制器70关闭机侧变流器40，同时触发该主动式撬棒电路导通，短路发电机转子，对机侧变流器40实现保护。当电网故障产生的瞬时能量衰减到设定值时，控制器70关闭该主动式撬棒电路，同时开启机侧变流器40，对电网20提供无功支持，帮助电网快速恢复，实现电网故障穿越。
上述主动式撬棒电路虽然解决了被动式撬棒电路存在的问题，但仍然存在如下缺陷：
1、当如图1所示，该主动式撬棒电路连接在du/dt电感80与双馈感应发电机10的转子绕组之间时，在控制器70控制该主动式撬棒电路关闭瞬间，原先流经撬棒电路和发电机转子绕组的电流将通过du/dt电感、机侧变流器回路进行续流，撬棒电路导通时，du/dt电感80内没有电流流过，而当撬棒电路关闭时，流经du/dt电感80的电流瞬间增大，将在du/dt电感80两端产生非常高的端电压，使得与du/dt电感80相连的撬棒电路的输入端也同样产生了高压，该高压在不能及时消除时有可能击穿撬棒电路直流侧的全控型电力电子器件34，使得该主动式撬棒电路的工作可靠性降低；
2、当如图4所示，该主动式撬棒电路连接在du/dt电感80与机侧变流器40之间时，这种连接方式虽然可缓解撬棒电路关闭时在撬棒电路输入端产生的高压。但是，在发电机组正常运行时，机侧变流器40的输出端输出高频率、高幅值的电压脉冲，由于该主动式撬棒电路中构成不控整流桥的二极管31的反向恢复时间一般较长，该高频率、高幅值的电压脉冲将持续作用在二极管31上使之产生积累热量，长期运行时将大大缩短二极管31的使用寿命，使得该主动式撬棒电路的使用寿命受到极大限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一在于，提供一种双馈型感应发电机穿越电网故障的装置，克服上述现有技术缺陷，提高主动式撬棒电路的工作可靠性和使用寿命。
本发明要解决的技术问题之二在于，提供一种双馈型感应发电机穿越电网故障的方法，克服上述现有技术缺陷，提高主动式撬棒电路的工作可靠性和使用寿命。
本发明解决其技术问题之一所采用的技术方案是：构造一种双馈型感应发电机穿越电网故障的装置，所述双馈型感应发电机的定子侧直接接电网，转子侧经变流器连接电网；所述变流器包括与电网相连的网侧变流器和与连接在所述双馈型感应发电机转子上的du/dt电感相连的机侧变流器，所述机侧变流器与所述网侧变流器之间通过直流母线连接；所述双馈型感应发电机穿越电网故障的装置包括控制器和撬棒电路，该控制器与双馈型感应发电机的机侧变流器和网侧变流器及所述撬棒电路控制连接，所述撬棒电路的三相输入端与机侧变流器和du/dt电感的连接端连接，其特征在于，所述撬棒电路包括开关电路和与该开关电路驱动连接的驱动电路，所述控制器与所述驱动电路控制连接，所述开关电路包括由全控型电力电子器件为构成元件构成的桥式电路，所述开关电路的三相输入端连接在所述撬棒电路的三相输入端上。
在本发明的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置中，所述开关电路包括由所述全控型电力电子器件为构成元件构成的全桥式电路。
在本发明的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置中，所述开关电路包括由所述全控型电力电子器件为构成元件构成的半桥式电路。
在本发明的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置中，所述撬棒电路包括连接在所述开关电路三相输入端上的耗能电阻。
在本发明的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置中，所述撬棒电路包括检测电路，所述检测电路分别与所述控制器和所述耗能电阻信号连接。
在本发明的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置中，所述撬棒电路包括滤波电路，所述滤波电路的三相输入端连接在所述开关电路与所述耗能电阻连接的三相连接端上。
在本发明的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置中，所述撬棒电路包括耗能电阻、检测电路和滤波电路，所述耗能电阻连接在所述开关电路三相输入端上，所述检测电路分别与所述控制器和所述耗能电阻信号连接，所述滤波电路的三相连接端连接在所述开关电路与所述耗能电阻连接的三相连接端上。
本发明解决其技术问题之二所采用的技术方案是：提供一种双馈型感应发电机穿越电网故障的方法，所述双馈型感应发电机的定子侧直接接电网，转子侧经变流器连接电网；所述变流器包括与电网相连的网侧变流器和与连接在所述双馈型感应发电机转子上的du/dt电感相连的机侧变流器，所述机侧变流器与所述网侧变流器之间通过直流母线连接；所述方法包括双馈型感应发电机穿越电网故障的装置，该装置包括控制器和撬棒电路，该控制器与双馈型感应发电机的机侧变流器和网侧变流器及所述撬棒电路控制连接，所述撬棒电路的三相输入端与机侧变流器与du/dt电感连接端连接，其特征在于，所述撬棒电路包括开关电路和与该开关电路驱动连接的驱动电路，所述控制器与所述驱动电路控制连接，所述开关电路包括由全控型电力电子器件为构成元件构成的桥式电路，所述开关电路的三相输入端连接在所述撬棒电路的三相输入端上；
所述方法包括：
当电网电压跌落导致双馈型感应发电机转子电流上升到等于或大于设定的撬棒电路导通门限值时，控制器关闭机侧变流器并触发撬棒电路使撬棒电路中的开关电路导通；
当双馈型感应发电机的转子电流衰减到等于或小于设定的撬棒电路关断门限值时，控制器关断撬棒电路使撬棒电路中的开关电路关断并开启机侧变流器，为电网迅速提供无功支持，帮助电网恢复。
在本发明的双馈型感应发电机穿越电网故障的方法中，所述开关电路包括由所述全控型电力电子器件为构成元件构成的全桥式电路或半桥式电路。
实施本发明的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置及方法，与现有技术比较，其有益效果是：
1.将撬棒电路输入端连接在du/dt电感与机侧变流器之间，避免了撬棒电路关闭时du/dt电感产生的高压对撬棒电路中全控型电力电子器件的危害；同时采用全控型电力电子器件组成全桥或半桥式开关电路，由于全控型电力电子器件具有快速恢复特性，在发电机组正常运行时，机侧变流器输出的电压脉冲在全控型电力电子器件上的热量积累较小，不会损害其运行寿命，从而提高了撬棒电路的使用寿命和工作可靠性；
2.结构简单，实施容易。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有配置撬棒电路的双馈型感应发电机组系统示意图。
图2是现有的一种被动式撬棒电路图。
图3是现有的一种主动动式撬棒电路图。
图4是配置本发明双馈型感应发电机穿越电网故障的装置的双馈型感应发电机组系统示意图。
图5是本发明双馈型感应发电机穿越电网故障的装置实施例一的结构示意图。
图6是本发明双馈型感应发电机穿越电网故障的装置中开关电路实施方式一的电路图。
图7是本发明双馈型感应发电机穿越电网故障的装置中开关电路实施方式二的电路图。
图8是在电网发生对称跌落故障时，采用本发明双馈型感应发电机穿越电网故障的装置的双馈型感应发电机组系统中，电网电压波形、机侧变流器输出电流波形、发电机定子电流波形、撬棒装置耗能电阻上的电流波形、直流母线电压波形的波形图。
图9是在电网发生非对称跌落故障时，采用本发明双馈型感应发电机穿越电网故障的装置的双馈型感应发电机组系统中，电网电压波形、机侧变流器输出电流波形、发电机定子电流波形、撬棒装置耗能电阻上的电流波形、直流母线电压波形的波形图。
具体实施方式
实施例一
如图4、图5所示，本发明的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置包括控制器70和撬棒电路100。
控制器70与双馈型感应发电机的机侧变流器40和网侧变流器60及撬棒电路100控制连接。
撬棒电路100的三相输入端与机侧变流器40和du/dt电感80的连接端连接。
如图5所示，撬棒电路100包括开关电路130、驱动电路120、滤波电路140、耗能电阻150和检测电路110。驱动电路120与开关电路130驱动连接，耗能电阻150连接在开关电路130的三相输入端上，滤波电路140的三相连接端连接在开关电路130与耗能电阻150连接的三相输出端上，检测电路110与耗能电阻150信号连接。控制器70与检测电路110信号连接、与驱动电路120控制连接，耗能电阻150的三相输入端连接在机侧变流器40与双馈型感应发电机10的转子三相连接的连接端上。
上述检测电路110、驱动电路120、滤波电路140和耗能电阻150采用现有的电路、电阻。
如图6所示，开关电路130可以采用包括由全控型电力电子器件(如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅型双极晶体管)、IGCT(IntergratedGate Commutated Thyristors集成门极换流晶闸管)等)131组成的全桥式开关电路，每个全控型电力电子器件的驱动端均与驱动电路120的控制端连接，实现对全控型电力电子器件的导通、关断控制。
该由全控型电力电子器件131组成的全桥式开关电路可以设置吸收电路(如吸收电容等)，吸收全控型电力电子器件的端电压尖峰，实现对全控型电力电子器件保护。
如图7所示，开关电路130也可以采用全控型电力电子器件131组成的半桥式开关电路，能够实现本发明目的。
同样，该由全控型电力电子器件131组成的半桥式开关电路可以设置吸收电路(如吸收电容等)，吸收全控型电力电子器件的端电压尖峰，实现对全控型电力电子器件保护。
当电网电压发生跌落故障时，控制器70检测到双馈型感应发电机转子电流上升到等于或大于设定的主动撬棒电路导通门限值时(该值根据设计要求预先设定)，控制驱动电路120驱动开关电路130导通(即驱动开关电路130中的全控型电力电子器件131导通)，并关闭机侧变流器40，对机侧变流器40进行保护；当双馈型感应发电机的转子电流衰减到等于或小于设定的主动撬棒电路关断门限值时(该值根据设计要求预先设定)，检测电路110检测耗能电阻150的电信号(电流信号或电压信号)，获得转子电流衰减到等于或小于设定的主动撬棒电路关断门限值的信号并将该信号传递到控制器70，控制器70根据该信号控制驱动电路120关断开关电路130(即驱动开关电路130中的全控型电力电子器件131关断)，并开启机侧变流器40，为电网迅速提供无功支持，帮助电网恢复。
滤波电路140在系统工作中吸收电压尖峰，保证撬棒电路中的全控电力电子器件131的安全。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，区别在于：撬棒电路包括开关电路130和驱动电路120，电路驱动120与开关电路130驱动连接，控制器70与驱动电路120控制连接，开关电路130的三相输入端为撬棒电路100的三相输入端。
本实施例未设置检测电路110、耗能电阻150和滤波电路140，不影响本发明目的的实现。
在撬棒电路100未设置检测电路110时，开关电路130的关断是通过如下方式实现的：
控制器70检测电网跌落故障是对称跌落还是非对称跌落，当电网发生对称跌落时，控制器70检测撬棒电路100导通时间大于等于设定时间T时(该设定时间T根据发电机系统参数设定，在到达该时间T时，对应于撬棒电路的撬棒电流(即开关电路输入端的电流)恢复到开关电路130的可关断门限值)，控制驱动电路120关断开关电路130。
当电网发生非对称跌落时，控制器70检测撬棒电路100导通时间和电网电压的不平衡度(在三相电力系统中三相电压不平衡的程度，用电网电压负序分量与正序分量的方均根值百分比表示)，当满足撬棒电路100导通时间大于等于设定时间T、同时电网电压不平衡度等于或小于不平衡度设定值时，控制驱动电路120关断开关电路130。
在撬棒电路100未设置耗能电阻150时，开关电路130的输入端直接连接在机侧变流器40与双馈型感应发电机10的转子三相连接的连接端上，直接通过发电机的定子电阻、转子电阻实现能量衰减。
实施例三
本实施例的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置包括控制器70和撬棒电路100，撬棒电路100包括开关电路130、驱动电路120和耗能电阻150，电路驱动120与开关电路130驱动连接，耗能电阻150连接在开关电路130的三相输入端上。控制器70与驱动电路120控制连接，耗能电阻150的三相输入端为撬棒电路100的三相输入端。
实施例四
本实施例的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置包括控制器70和撬棒电路100，撬棒电流100包括开关电路130、驱动电路120、滤波电路140和耗能电阻150，电路驱动120与开关电路130驱动连接，耗能电阻150连接在开关电路130的三相输入端上，滤波电路140的三相连接端连接在开关电路130与耗能电阻150连接的三相连接端上。控制器70与驱动电路120控制连接，耗能电阻150的三相输入端为撬棒电路100的三相输入端。
实施例五
本实施例的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置包括控制器70和撬棒电路100，撬棒电路100包括开关电路130、驱动电路120、检测电路110和耗能电阻150，电路驱动120与开关电路130驱动连接，耗能电阻150连接在开关电路130的三相输入端上，检测电路110与耗能电阻150信号连接。控制器70与检测电路110信号连接、与驱动电路120控制连接，耗能电阻150的三相输入端为撬棒电路100的三相输入端。
本发明的双馈型感应发电机穿越电网故障的方法通过上述双馈型感应发电机穿越电网故障的装置实现：
当电网电压发生跌落故障导致双馈型感应发电机转子电流上升到等于或大于设定的撬棒电路导通门限值时(该导通门限值根据发电机系统参数设定)，控制器70关闭机侧变流器40，并触发撬棒电路100使撬棒电路中的开关电路130导通，实现对机侧变流器40的保护。
当双馈型感应发电机的转子电流衰减到等于或小于设定的撬棒电路关断门限值时(该导通门限值根据发电机系统参数设定)，控制器70关断撬棒电路100使撬棒电路中的开关电路130关断，并开启机侧变流器40，为电网迅速提供无功支持，帮助电网恢复。
下面以电网发生对称跌落故障和非对称跌落故障时，对本发明双馈型感应发电机穿越电网故障的方法进行具体说明：
假设发电机额定功率1.5MW，定子额定电压690V，转子开口电压2100V，系统在电网发生故障前处于正常运行状态。假设在时刻3.5s，电网电压对称跌落为原来的20％，发电机转子电流会极速上升，当达到触发主动撬棒电路的设定门限值时，控制器70会关闭机侧变流器40，并触发撬棒电路100。此后通过耗能电阻150，发电机定子、转子电流持续衰减，通过检测电路110判断发电机转子电流低于设定门限值后，约在时刻3.75s，控制器70会关闭撬棒电路，重新开启机侧变流器40，迅速提供无功支持，帮助电网恢复。在时刻4.2s，电网恢复(故障共持续600ms)，系统停止无功支持，迅速进入正常发电状态。
上述过程中，各关键电压、电流波形如图8所示，其中(一)是电网电压波形，(二)是机侧变流器输出电流波形，(三)是发电机定子电流波形，(四)是撬棒装置耗能电阻上的电流波形，(五)是直流母线电压波形。
假设发电机额定功率1.5MW，定子额定电压690V，转子开口电压2100V，系统在电网发生故障前处于正常运行状态。假设在时刻3.5s，电网A相电压跌到落额定电压的20％，B，C两相电压维持不变。发电机转子电流会极速上升，当达到触发撬棒电路的设定门限值时，控制器70会关闭机侧变流器40，并触发撬棒电路100。此后通过耗能电阻150，发电机定子、转子电流衰减到一定程度，由于电网中负序电压分量较大，导致发电机转子侧的激磁电压较高，而机侧变流器40没有能力提供如此高的电压来进行平衡，故在此期间发电机转子电流无法衰减到设定门限值，系统仍无法关闭撬棒电路，开启机侧变流器。在时刻3.8s(A相严重跌落达300ms)时，电网A相电压开始恢复；至时刻3.9s，A相电压恢复到额定电压的70％，电网中负序电压减小到一定程度，系统关闭撬棒电路100，重新开启变流器40，迅速提供无功支持，帮助电网恢复。在时刻4.2s，电网完全恢复，系统停止无功支持，迅速进入正常发电状态。
上述过程中，各关键电压、电流波形如图9所示，其中图(一)是电网电压波形，(二)是机侧变流器输出电流波形，(三)是发电机定子电流波形，(四)是撬棒装置耗能电阻上的电流波形，(五)是直流母线电压波形。

Claims (9)

1.一种双馈型感应发电机穿越电网故障的装置，所述双馈型感应发电机的定子侧直接接电网，转子侧经变流器连接电网；所述变流器包括与电网相连的网侧变流器和与连接在所述双馈型感应发电机转子上的du/dt电感相连的机侧变流器，所述机侧变流器与所述网侧变流器之间通过直流母线连接；所述双馈型感应发电机穿越电网故障的装置包括控制器和撬棒电路，该控制器与双馈型感应发电机的机侧变流器和网侧变流器及所述撬棒电路控制连接，所述撬棒电路的三相输入端与机侧变流器和du/dt电感的连接端连接，其特征在于，所述撬棒电路包括开关电路和与该开关电路驱动连接的驱动电路，所述控制器与所述驱动电路控制连接，所述开关电路包括由全控型电力电子器件为构成元件构成的桥式电路，所述开关电路的三相输入端连接在所述撬棒电路的三相输入端上。
2.如权利要求1所述的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置，其特征在于，所述开关电路包括由所述全控型电力电子器件为构成元件构成的全桥式电路。
3.如权利要求1所述的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置，其特征在于，所述开关电路包括由所述全控型电力电子器件为构成元件构成的半桥式电路。
4.如权利要求1至3之一所述的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置，其特征在于，所述撬棒电路包括连接在所述开关电路三相输入端上的耗能电阻。
5.如权利要求4所述的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置，其特征在于，所述撬棒电路包括检测电路，所述检测电路分别与所述控制器和所述耗能电阻信号连接。
6.如权利要求5所述的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置，其特征在于，所述撬棒电路包括滤波电路，所述滤波电路的三相连接端连接在所述开关电路与所述耗能电阻连接的三相连接端上。
7.如权利要求1至3之一所述的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置，其特征在于，所述撬棒电路包括耗能电阻、检测电路和滤波电路，所述耗能电阻连接在所述开关电路三相输入端上，所述检测电路分别与所述控制器和所述耗能电阻信号连接，所述滤波电路的三相输入端连接在所述开关电路与所述耗能电阻连接的三相连接端上。
8.一种双馈型感应发电机穿越电网故障的方法，所述双馈型感应发电机的定子侧直接接电网，转子侧经变流器连接电网；所述变流器包括与电网相连的网侧变流器和与连接在所述双馈型感应发电机转子上的du/dt电感相连的机侧变流器，所述机侧变流器与所述网侧变流器之间通过直流母线连接；所述方法包括双馈型感应发电机穿越电网故障的装置，该装置包括控制器和撬棒电路，该控制器与双馈型感应发电机的机侧变流器和网侧变流器及所述撬棒电路控制连接，所述撬棒电路的三相输入端与机侧变流器与du/dt电感连接端连接，其特征在于，所述撬棒电路包括开关电路和与该开关电路驱动连接的驱动电路，所述控制器与所述驱动电路控制连接，所述开关电路包括由全控型电力电子器件为构成元件构成的桥式电路，所述开关电路的三相输入端连接在所述撬棒电路的三相输入端上；
所述方法包括：
当电网电压跌落导致双馈型感应发电机转子电流上升到等于或大于设定的撬棒电路导通门限值时，控制器关闭机侧变流器并触发撬棒电路使撬棒电路中的开关电路导通；
当双馈型感应发电机的转子电流衰减到等于或小于设定的撬棒电路关断门限值时，控制器关断撬棒电路使撬棒电路中的开关电路关断并开启机侧变流器，为电网迅速提供无功支持，帮助电网恢复。
9.如权利要求8所述的双馈型感应发电机穿越电网故障的方法，其特征在于，所述开关电路包括由所述全控型电力电子器件为构成元件构成的全桥式电路或半桥式电路。
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