CN101902052B - 一种风电场整体低电压穿越系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风电场整体低电压穿越系统，风电场侧包含至少一个串联的风电机组和风电机组升压变压器电网侧包含至少一个主升压变压器，还包括：若干条集电母线，每条集电母线上至少接入一个所述串联的风电机组和风电机组升压变压器；所述集电母线分为至少一组，每组包括至少一条集电母线；一电网总线，用于接入所述电网侧主升压变压器；所述每组集电母线分别通过一LVRT装置连接到所述电网总线。使用本发明，可以采用较少的LVRT装置实现风电场低电压的穿越。

Description

一种风电场整体低电压穿越系统

技术领域

本发明是指一种风电场整体低电压穿越系统。

背景技术

低电压穿越(简称LVRT，Low Voltage Ride Through)是指电网故障引起电压跌落，风电场在电网发生故障时及故障后，保持不脱网连续并网运行的能力。

在风电发展初期，由于风电机组一般采用丹麦概念的定速异步发电机技术，无法提供主动励磁，电网发生故障时机端电压难以建立，风电机组若继续挂网运行将会使电网电压无法恢复。因此，电网发生故障出现电压跌落时，一般都是采取切除风电机组的方法来处理，由于当时风电装机比例较低时，不会引起严重后果。最近几年我国风电发展迅猛，风电接入电网比例的大幅增加，在故障时将风电场切除不再是一个合适的策略。如果风电机组或风电场没有低电压穿越功能，由于输电网故障而使大量风电切除，会导致系统潮流的大幅变化。特别是高风速期间，切机甚至会引起大面积的停电，从而带来频率和电压的稳定问题。

因此，从技术角度讲，为维持电网的安全稳定运行和保证风电场安全并网运行，09年我国国家电网发布《风电场接入电网技术规定(修订版)》，提出风电场要具备LVRT的功能，限定了电压穿越的轮廓线和故障切除后的功率恢复速度；09年底，发布《风电场接入电网技术规定》企业标准，对LVRT的要求进一步进行了明确。因此，原先的风电场必须进行LVRT整改，新建的风场必须安装具备LVRT能力的风电机组。

但是从成本角度讲，除了全功率变频的机型以外，其它机型实现LVRT难度较大，主要体现在：

1)老式风电机组多采用定速定桨方式，功率无主动调节能力；单机容量小，相同容量风场采用机组台数较多，LVRT改造困难，造价非常高。

2)近几年安装的MW级风电机组中，多为双馈机型，电网电压跌落时，若不切机，容易因输出功率突降引起发电机转子侧过压过流和叶轮的超速。

3)双馈机组实现LVRT一般通过外加Crowbar的方式，通过其阻性单元抑制过压过流，阻尼电磁转矩的振荡，但仍然对机组有一定的损害。

4)许多国产双馈机组在设计之初没有预留Crowbar接口和放置空间，改造难度很大。

国内对LVRT的研究尚处于起步阶段，而国外的一些公司已有成型产品，大体上分为下述两种方案：

方案1、如西班牙W2PS公司的Coverdip产品、美国超导公司的D-VAR RT产品，其原理大体是串联一个与机组容量接近的变频单元，放置在塔筒内。这相当于把机组改造成全功率变频形式，优点显而易见，但也有两个明显的问题：一是每台机组都需要做相应改动，施工困难，甚至塔筒内设备需重新布局；二是价格昂贵，按照我国的风电上网电价水平测算，大约使资本收益率降低两个百分点。

方案2、如以色列Elspec公司的ViaVar产品，其原理是每台机组并联一个SVC(SVC，静止型动态无功补偿装置设备)，该SVC采用特殊技术设计，可以在短时间内释放出数倍于机组容量的无功，从而抬起机端电压。

无论是国内的改造方式，还是国外的上述成型产品，其都需对每台风电机组改动，此外可能需要增加断路器、跌落保险等设备的容量。由于风电机组数量庞大，因此对每台机组进行改动，会导致设备的改造成本非常高。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种风电场整体低电压穿越系统，以实现采用较少的LVRT装置实现风电场低电压的穿越。

本发明提供了一种风电场整体低电压穿越系统，风电场侧包含至少一个串联的风电机组和风电机组升压变压器电网侧包含至少一个主升压变压器，包括：

若干条集电母线，每条集电母线上至少接入一个所述串联的风电机组和风电机组升压变压器；所述集电母线分为至少一组，每组包括至少一条集电母线；

一电网总线，用于接入所述电网侧主升压变压器；

所述每组集电母线分别通过一LVRT装置连接到所述电网总线。

由上，可以不必每个风电机组均设置一个LVRT装置，实现采用较少的LVRT装置实现风电场低电压的穿越，降低成本。

可选的，所述集电母线分为一组，该组包括全部条集电母线。

由上，可以实现仅一个LVRT装置，进一步降低了成本。

可选的，不同组的集电母线条数不同。

由上，可以根据将风电机组根据地域分布等情况灵活进行分组，从而采用不同的集电母线、对应的不同LVRT装置。

其中，所述LVRT装置包括：三个旁路开关，每个旁路开关两端分别连接集电母线和电网三相中的一路。其中，每个旁路开关与LVRT控制单元连接，接收LVRT控制单元的控制信号执行开断操作；三个逆变器，三个逆变器的交流接口分别与三个所述旁路开关并联，三个逆变器的直流接口串联同一电容C，电容C并联一直流斩波器；控制单元，与所述三个旁路开关、逆变器、直流斩波器相连，用于通过监测电网电压和风场电压来检测电压跌落大小及计算出要补偿的电压，并据此驱动旁路开关、逆变器、直流斩波器。

由上，采用的器件相对成本较低。

可选的，所述逆变器与电网总线之间还连接有变压器。

由上，可以降低逆变器、电阻R、电容C、开关K的耐压等级要求。

可选的，所述旁路开关由一正反并联的晶闸管组成。

由上，采用的器件相对成本较低。

可选的，所述直流斩波器由串联的电阻R和开关K组成。

由上，采用的器件相对成本较低，直流斩波器用于释放多余能量，保持电容电压稳定

可选的，在逆变器的出口端还设置有输出滤波器。

其中，所述控制单元包括：

采样率波模块，分别用于对电网侧电压、风电场集电母线上的电压、所述电容C电压进行采样滤波；

跌落检测模块，用于检测采样后的电网侧电压跌落的时刻和跌落的幅度；

判断模块，用于判断跌落检测模块所检测的电网侧电压跌落幅度在规定的电压曲线的区间，并发出相应的控制信号驱动旁路开关；

计算补偿电压模块，用于根据采样后的电网侧电压、风电场集电母线上的电压计算需要补偿的电压，并根据电容C电压和逆变器调制策略，生成PWM信号驱动逆变器工作；

电压控制范围模块，用于对采样后的电容C的电压进行监测，当判断电容C电压超过允许的范围时驱动直流斩波器。

由上，通过控制单元实现对本发明系统中LVRT装置工作的控制。

总之，本发明的风电场整体低电压穿越系统具备如下优势：

1、适合定速机组风场、双馈机组风场，或两种机组混装的风场。对混装情况，每条集电母线一台LVRT装置的优势更加明显。

2、LVRT的实现基本与风电机组参数范围及控制方式无关，无需对机组内任何设备进行改造。

3、放置在升压站内，不占用塔筒空间，不增加风电机组散热负担。

4、LVRT装置台数较少，便于工程施工，总成本远低于单机方案。

5、三相独立，便于实现电压不对称跌落的穿越。

附图说明

图1为风电场LVRT系统的第一实施例示意图；

图2为风电场LVRT系统的第二实施例示意图；

图3为风电场LVRT系统的第三实施例示意图；

图4为LVRT装置的第一实施例原理图；

图5为LVRT装置的第二实施例原理图；

图6为LVRT装置的控制单元的原理图。

具体实施方式

本文提出了一种风电场整体低电压穿越系统，实现了可采用较少的LVRT装置设置于风场升压站内，其基本原理是：

当多个风电机组和对应的风电机组升压变压器连接在一条集电母线上时，将这多个风电机组和风电机组升压变压器视为一个整体，从而仅在每条集电母线连接至电网主升压变压器之前(相当于每条集电母线为一组)在每条集电母线上串联一LVRT装置，这样使得LVRT装置数量仅与集电母线相同即可，从而大大减少了LVRT装置的设置数量。

进一步的，还可以以几条集电母线为一组，在所述集电母线并联后形成该组、连接至电网侧主升压变压器之前，串联一个LVRT装置，这样使得LVRT装置数量仅与集电母线组数相同即可，进一步减少了LVRT装置的设置数量。其中，每组所包含的集电母线数量可以不一致。

甚至，仅在所有集电母线并联后连接至电网侧主升压变压器之前，串联唯一一个LVRT装置，相当于将所有集电母线分为一组，更进一步减少了LVRT装置的设置数量。

下面参见各个附图，对本发明进行详细说明。

如图1示出了本发明风电场LVRT系统的第一实施例，即在每条集电母线上串联一LVRT装置的实施例，如图所示，该系统包括：

若干条集电母线，其中每条集电母线上并联多个串联的风电机组和风电机组升压变压器。其中，风电机组升压变压器将风电机组的电压升高后输出给与其连接的集电母线。其中，该风电机组升压变压器用于将电压提升至10kV或35kV；

一条电网总线，用于连接所示各个集电母线到电网侧主升压变压器。其中，该电网侧主升压变压器用于将电压提升至110kV或220kV；和

串联在所述各个集电母线到所述电网总线之间的LVRT装置。其中本发明的LVRT装置将在后文进行描述。

对于该第一实施例，由于设置每条风电场内集电母线均连接一LVRT装置，故，LVRT装置的台数等于集电母线条数N，即图中的P₁，P₂，...，P_N位置。一般的，各条集电母线接入风电的容量大体相当，每台LVRT装置容量S_D可取：

S_D＝max(S₁，S₂，L，S_N)*K_V*K_S*K_P        (1)

其中，公式(1)中的S_i(i＝1，2，...，N)为各集电母线接入风电容量；K_V为电压折减系数，即最大允许跌落的电压pu，根据我国标准K_V可取0.8；K_S为容量安全系数，K_S＞1，以保证LVRT装置容量有一定的余量；K_P功率折减系数，可取0.8左右，这是因为风电是一种间歇性电源，达到满发风速的时间段较少，再考虑到风电机组前后排间的尾流效应、切除风速、故障、检修等因素的影响，输出功率超过额定值80％的概率一般不超过10％。即使这10％期间刚好发生了高达80％的电压跌落(三个小概率事件同时发生)，可允许一小部分机组直接切机，这对风电场整体的LVRT性能影响不大。

如图2示出了本发明风电场LVRT系统的第二实施例，其将集电母线进行分组，每组包括若干条集电母线，不同组的集电母线数量可以相同也可以不同，与图1所示不同之处在于每组中的各个集电母线并联，形成的每组分别串联LVRT装置后连接到电网总线上。

如图3示出了本发明风电场LVRT系统的第三实施例，其与图1所示不同之处在于所有集电母线并联后，相当于形成一个大组，然后串联LVRT装置后连接到电网总线上。

对于该第三实施例，设置风电场内所有集电母线均连接一LVRT装置再连接在电网侧的主升压变压器侧，LVRT装置的台数等于主升压变压器台数，我国常见的5万kW风场常采用1台主升压变压器，则LVRT装置容量S_D为：

S_D＝S_mt*K_V*K_S*K_P            (2)

其中，公式(2)中的S_mt为主升压变压器容量；K_V、K_S、K_P与第一实施例公式(1)中含义相同，不再赘述。

由上述三个实施例可以看出，本发明系统的LVRT装置串联在集电母线到电网侧主升压变压器之间，电压跌落时该LVRT装置发出恰当的电压使风电机组机端电压保持稳定，使得每台风电机组的控制系统觉察不到电压跌落的发生，可继续稳定工作。相比背景技术单机方案(即每台风电机组均连接一LVRT装置)，本发明整体方案本身具有一定的规模效应。并且，根据上述公式(1)和(2)又可知，本发明方案的LVRT装置容量小于单机方案容量之和；同时，本发明还不涉及风机塔筒内的设备布置和断路器等设备的改造，这样整体方案的总成本低得多。

由上可见，本发明主要思想是针对风场整体而不针对每台单体机组，但对风电场系统的最终作用是等效的，具体到本发明的实现，可以采用不同的LVRT装置。下面，对本发明提出的LVRT装置进行详细说明。

如图4的电路结构为本发明LVRT装置的第一实施例，包括：

三个旁路开关KA、KB和KC，每个旁路开关两端分别连接集电母线和电网三相中的一路。其中，每个旁路开关由一正反并联的晶闸管组成，每个晶闸管与如图6所示的LVRT控制单元(图4中未示出)连接，接收LVRT控制单元的控制信号执行开断操作；和

三个单相逆变器IA、IB和IC，三个逆变器的交流接口分别与三个所述旁路开关并联，三个逆变器的直流接口串联同一电容C，电容C并联一直流斩波器，所述直流斩波器由串联的电阻R和开关K组成。设置直流斩波器的目的在于：电网侧电压跌落期间，认为每台机组的风速不变，即发出的功率不变，电压跌落导致系统吸收的功率降低，二者之差会使电容C充电电压升高，直流斩波器用于释放多余能量，保持电容电压稳定。其中，所述逆变器IA、IB和IC、开关K也分别与图6所示的LVRT控制单元连接，接收LVRT控制单元的控制信号执行相应操作。其中，在逆变器的出口端还可设置输出滤波器(由于滤波器为公知技术，故图中未示出)。

如图5的电路结构为本发明LVRT装置的第二实施例，其与图4的区别在于在逆变器与电网总线之间连接了变压器。图4中逆变器直接与10kV或35kV集电母线串联，省去了变压器，但高压逆变器需要采用多电平技术和耐压较高的IGBT(IGBT，绝缘三双极型功率管)开关，电阻R、电容C、开关K的耐压等级要求也很高；而图5则采用成熟可靠的低压逆变器，虽然相应的增加了TA、TB、TC三台变压器的成本，但降低了逆变器、电阻R、电容C、开关K的耐压等级要求。

由图4和5示出的电路结构，可以看出LVRT装置输出侧A、B、C三相独立，控制灵活性，既适合三相对称跌落故障的穿越，也适合不对称跌落故障的穿越。系统三相线电压由

跌落至

LVRT装置的逆变器输出三相电压为：

公式(3)中N为变压器的变比，若无变压器N取1；

表示线电压变化，如

本发明由LVRT控制单元及时而准确的控制输出补偿电压，具体参见如图6示出的上述LVRT装置的控制单元的原理图，如上所述，该控制单元用于通过监测电网电压和风场电压来检测电压跌落，以及计算出要补偿的电压，向旁路开关、逆变器、开关K发出相应控制信号。其包括：

采样率波模块，分别用于对电网侧电压、风电场集电母线上的电压、上述电容C电压进行采样滤波；

跌落检测模块，用于检测电网侧电压跌落的时刻和跌落的幅度，可采用基波分量法、改进的瞬时电压dq分解法、小波变换等方法实现检测；

判断模块，用于判断跌落检测模块所检测的电网侧电压跌落幅度在《风电场接入电网技术规定》中规定的电压曲线的范围，并发出相应的控制信号到旁路开关；

计算补偿电压模块，用于根据电网侧电压、风电场集电母线上的电压计算需要补偿的电压，并根据电容C电压和相应的逆变器调制策略，生成PWM信号提供给逆变器的IGBT开关；

电压控制范围模块，用于对电容C的电压进行监测，当判断电容C电压超过允许的范围，则向斩波单元的开关K发出一控制信号，控制K的开通。

下面结合附图4和6，对本发明的工作原理进行详细说明，包括以下步骤：

步骤a：电网电压(主变低压侧电压)信号经LVRT控制单元A/D采样和滤波后，由其电压跌落检测模块分析：

当电压跌落检测模块判断电网侧电压正常时，旁路开关开通，LVRT电路其余部分被旁路，表示当前为正常状态，返回步骤a继续监控；

当电压跌落检测模块判断电网侧电压跌落时，且电网电压在《风电场接入电网技术规定》中规定的电压曲线之下，则允许控制风电场从电网中切出，则向风电场监控系统(SCADA)提供一切机指令，由收到该指令的SCADA系统控制风电场从电网中切出，结束本流程。其中，切机过程非本发明重点且为公知技术，故此处不再赘述；

当电压跌落检测模块判断系统电压跌落时，且电网电压值在规定曲线之上，则必须对风场电压进行补偿，执行下一步。

步骤b：LVRT控制单元向旁路开关发出控制信号，控制旁路开关断开，以使单相逆变器IA、IB、IC投入工作；

同时，LVRT控制单元根据电网电压、风场电压计算需要补偿的电压，再根据直流电容电压和相应的逆变器调制策略，生成PWM信号驱动逆变器IGBT开关动作，使逆变器发出适当的电压与系统电压相叠加，使机组升压变电压保持稳定，进而最终使每台风电机组机端电压基本保持稳定，从而实现LVRT。

另外，LVRT控制单元还对电容C的电压进行监测，当判断电容C电压超过允许的范围，则向斩波单元的开关K发出一控制信号，控制K的开通，使多余的能量通过R泄放压，保持电容电压稳定。

此外，为了保证安全，LVRT控制单元还通过其状态监测模块，不断监测处于低压穿越中的风电机组，若发现关键指标异常，也向SCADA提供一切机指令，通过风场SCADA系统迅速将其切除。

其中，附图5的工作原理与图4不同之处在于，采用了升压变压器，变频器电压较低，可采用简单的两电平电路，其他与上基本相同，不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种风电场整体低电压穿越系统，风电场侧包含至少一个串联的风电机组和风电机组升压变压器，电网侧包含至少一个主升压变压器，其特征在于，包括：

若干条集电母线，每条集电母线上至少接入一个所述串联的风电机组和风电机组升压变压器；所述集电母线分为至少一组，每组包括至少一条集电母线；

一电网总线，用于接入所述电网侧主升压变压器；

所述每组集电母线分别通过一LVRT装置连接到所述电网总线；

所述LVRT装置包括：

三个旁路开关，每个旁路开关两端分别连接集电母线和电网三相中的一路，其中，每个旁路开关与LVRT控制单元连接，接收LVRT控制单元的控制信号执行开断操作；

三个逆变器，三个逆变器的交流接口分别与三个所述旁路开关并联，三个逆变器的直流接口串联同一电容C，电容C并联一直流斩波器；

LVRT控制单元，与所述三个旁路开关、逆变器、直流斩波器相连，用于通过监测电网电压和风场电压来检测电压跌落大小及计算出要补偿的电压，并据此驱动旁路开关、逆变器、直流斩波器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述集电母线分为一组，该组包括全部条集电母线。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，不同组的集电母线条数不同。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述逆变器与电网总线之间还连接有变压器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述旁路开关由一正反并联的晶闸管组成。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直流斩波器由串联的电阻R和开关K组成。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在逆变器的出口端还设置有输出滤波器。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述LVRT控制单元包括：

采样滤波模块，分别用于对电网侧电压、风电场集电母线上的电压、所述电容C电压进行采样滤波；

跌落检测模块，用于检测采样后的电网侧电压跌落的时刻和跌落的幅度；

判断模块，用于判断跌落检测模块所检测的电网侧电压跌落幅度在规定的电压曲线的区间，并发出相应的控制信号驱动旁路开关；

计算补偿电压模块，用于根据采样后的电网侧电压、风电场集电母线上的电压计算需要补偿的电压，并根据电容C电压和逆变器调制策略，生成PWM信号驱动逆变器工作；

电压控制范围模块，用于对采样后的电容C的电压进行监测，当判断电容C电压超过允许的范围时驱动直流斩波器。

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