CN102005779A - 基于变流器的风力发电机组低电压穿越控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于变流器的风力发电机组低电压穿越控制系统，包括变流器、变流器控制器和低电压穿越主控制器，变流器和辅断路器串联成受控支路，风力发电机组和电网之间的主断路器和受控支路并联，整流器和逆变器之间设有直流正极母线和直流负极母线，直流正极母线和直流负极母线之间连接电容和卸荷电阻，卸荷电阻和电容并联，卸荷电阻与受控阀串联，受控阀与变流器控制器连接，电网端连接交流电压检测器，直流正极母线和直流负极母线之间连接直流电压检测器，交流电压检测器、直流电压检测器均与低电压穿越主控制器连接，低电压穿越控制器与变流器控制器、主断路器和辅断路器连接。本发明有效适应深度电压跌落场合、稳定性良好。

Description

基于变流器的风力发电机组低电压穿越控制系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组的低电压穿越控制系统。

背景技术

随着风电机组安装容量的不断上升，风电系统在电网故障情况下的运行变得尤为重要，同时电网导则要求风电机组在电网电压瞬间跌落一定范围内不脱网运行。因为电压跌落会给电机带来一系列暂态过程，如出现过电压、过电流、或者转速上升等，严重危害风机本身及其控制系统的安全运行，所以，一般情况下若电网出现故障时风机就被实施被动式自我保护而立即解列，并不考虑故障的持续时间和严重程度，这样能最大限度的保障风机的安全。在风力发电的电网穿透功率较低时是可以接受的，然而，当风电在电网中占有较大比重时，若风机在电压跌落时仍采取被动保护式解列，则会增加整个系统的恢复难度，甚至可能加剧故障，最终导致系统其它机组全部解列；同时，系统潮流的大幅变化，甚至可能引起大面积的停电，而带来频率的稳定问题。

电网导则要求的低电压穿越LVRT，指在风机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间区域。电网跌落幅度越深，要求在网时间越短。

国内外学者对于双馈风机的低电压穿越特性进行了深入的研究，并且提出了好的解决方案，但是对于定桨距失速型风机的低电压穿越一直没有一个很好的解决方法。对于现在已经在现场大量运行的定桨距风电机组，无论对于风电场的业主还是风机制造商，风电机组的低电压穿越改造问题亟待解决。

风机出口端并联无功功率补偿器的改造方案，由于无功功率补偿器的补偿效果和其所连接的风机出口端的电压二次方成正比的关系，所以当电网故障电压跌落的时候，无功功率补偿器的补偿效果受到很大的限制。电压跌落的时候，机组产生的有功功率无法送入电网，同时又无法使得机组发出的有功功率快速消耗掉，积蓄的有功能量最终使得机组的转速快速大幅上升；在电压恢复时，发电机的转矩大幅震荡，对发电机的齿轮箱产生非常严重的危害。使用这种改造方案，只能完成电压较低程度的跌落情况，对于深度的电压跌落，无法完成。

发明内容

为了克服已有的风力发电机组的低电压穿越控制方式的无法适应深度电压跌落场合、稳定性差的不足，本发明提供一种有效适应深度电压跌落场合、稳定性良好的基于变流器的风力发电机组低电压穿越控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种基于变流器的风力发电机组低电压穿越控制系统，包括变流器、变流器控制器和低电压穿越主控制器，所述变流器和辅断路器串联成受控支路，风力发电机组和电网之间的主断路器和所述受控支路并联，所述变流器包括整流器、逆变器和电容，所述整流器和逆变器之间设有直流正极母线和直流负极母线，所述直流正极母线和直流负极母线之间连接电容和卸荷电阻，所述卸荷电阻和电容并联，所述卸荷电阻与用以控制投切所述卸荷电阻的受控阀串联，所述受控阀与所述变流器控制器连接，所述电网端连接交流电压检测器，所述直流正极母线和直流负极母线之间连接直流电压检测器，所述交流电压检测器、直流电压检测器均与所述低电压穿越主控制器连接，所述低电压穿越主控制器与所述变流器控制器、主断路器和辅断路器连接；所述低电压穿越主控制器包括：启动控制模块，不仅用以监视电网电压跌落后，风机主断路器和变流器辅断路器的通断，同时用以当检测到直流电压超于预设直流电压阈值时，向所述变流器控制器发出闭合所述受控阀的指令；风力发电机组重新投切控制模块，用以当检测到交流电压恢复时，向所述变流器控制器发出调节励磁电流大小、相位和频率的控制指令，当风力发电机组的定子电压的相位、大小和频率与电网电压的相位、大小和频率对应时，向主断路器发出闭合指令，并向辅断路器发出断开指令，以及向变流器控制器发出断开所述受控阀的指令。

作为优选的一种方案：所述受控阀为IGBT开关。

本发明的技术构思为：定桨距失速风机在低电压穿越的过程中，电网的电压降低，导致机组对外的电能量输送能力下降， 风机和电力系统连接图1及其等值电路图2。

    图1中，G代表风力发电机，L代表风机与箱变之间的电缆，T代表风机的箱变。

在电力系统中，输电线路传递有功功率的能力为:

                             式（1）

      其中：E为机组出口端电压；

U为风机箱变高压侧的电压，也指所说的电网电压；

X为传输阻抗，

；

δ为机组出口端电压

和电网电压

之间的相位差。

电网电压的跌落一般都发生在中高压线路，在这样的情况下风机箱变高压侧的电压

是跌落的，由于风力发电机需要完成低电压穿越，风力发电机出口的断路器执行断开以维持风机出口端的电压稳定。在电压深度跌落时，由于线路的输电能力大大下降，导致电压跌落过程中，在机组积聚了非常大的动能。

低电压穿越过程中，定桨距失速风力发电机叶轮上积聚的机械能量无法对外输送，也无法像变桨机组通过调整桨叶角度减小叶轮吸收的风能量，因而，电压跌落期间机组无法对外输送的电能就作为机械能在叶轮上累积，造成叶轮转速升高，严重时导致飞车。为了解决在电压跌落过程中能量的释放问题，在低电压过程中使用变流器，控制风力发电机侧的变流器在直流侧电容上储存一定的能量，但是电容储存能量的能力是有限的。为了保护风电机组侧变流器和直流侧，设定直流母线电压超过设定值时，将剩余能量消耗在变流器的直流电阻上，并由网侧变流器向电网传递部分能量，但因为变压器后端电压取决于电网电压跌落深度，因而网侧变流器传递的电能量是受限的，电阻R将承担消耗能量的主要责任，总的控制原理框图3。

变频器PMW控制可以控制风机流入电网的有功功率和无功功率。在d-q-0坐标系下，通过调节能表征电网侧变频器1、风机侧变频器2的调制比和相位差的控制参数

来实现对风机励磁电压

的控制和直流电容器电压及并网母线电压的调整。变频器直流电容器动态方程为：

其中：为电容值；

     为变频器直流电压值，V；

     

为注入网侧变频器的有功功率，pu；

     

为注入风电机组侧变频器有功功率，pu；

     

为风力发电机的额定功率，W。

PWM控制时的控制参数和交直流电压的关系为：

其中：

为电网侧变频器1的输入电压，pu；

     

为风机侧变频器2的输入电压，pu；

     

为并网母线电压的相位；

为电容器额定电压，V。

对直流侧卸荷电路采用滞环控制，例如：当直流侧电压大于

时，投入直流侧卸荷电阻，小于（

）时切除卸荷电阻，卸荷电路控制框图为图4。

变流器直流侧参数分别为直流侧额定电压

和最大可持续操作直流电压

。设定直流侧电压大于最大可持续操作直流电压

时，投入卸荷电阻；小于直流侧额定电压时，切出卸荷电阻。

卸荷电阻可以保证直流侧电压在安全范围内，阻值的选择取决于需消耗的最大功率及直流侧允许的最高电压，卸荷电阻是以热能形式把直流侧多余能量消耗掉的。

目前，对于卸荷电阻的计算通常采用估算的方法，主要是由于部分参数无法精确测量。卸荷电阻参数主要包括电阻阻值和功率容量两个重要的参数。卸荷电阻的阻值选取如下步骤：

首先，当放电电流等于风机额定电流的一半时，就可以得到与电动机的额定转矩相同的制动转矩了，所以卸荷电阻粗略计算如下：

其中，

为直流电压设定值上限，即最大可持续操作直流电压

；

为风机的额定电流。

其次，为了保证变频器不受损坏，强制限定当流过卸荷电阻的电流为额定电流时的电阻数值为卸荷电阻的最小数值。选择卸荷电阻的阻值时，不能小于该阻值，计算公式如下：

其中，

为直流电压设定值上限，即最大可持续操作直流电压

；

为风机的额定电流。

综上所述，卸荷电阻R的阻值的选择范围为：

选择电阻阻值要选择市场上能够买到的型号。

上述提出的低电压穿越改造和控制方案，无论是在电网电压严重短时跌落，还是电网电压长时浅度跌落时，该方法都能够很好的抑制直流侧电压和定、转子侧电流。同时，控制电网侧变流器发出无功功率，以最大程度的帮助电网电压恢复，保证电网的稳定和安全运行。

能够完全实现定桨距风力发电机组低电压穿越的要求，即有效适应深度电压跌落场合；在实现的过程中，减少了从电网吸收的无功功率，稳定了风机出口端的电压，同时，减小电网恢复瞬间风机有功功率和无功功率的大幅变动，增强了电网的稳定性。

本发明的有益效果主要表现在：1.使用电子开关组件快速投/切，响应速度快，完全满足国标低电压穿越要求，甚至更低；                         2. 对原系统的改造工作量很少，安装灵活；3. 以直接提高电压的方式使风机在低电压期间正常运行，对风机无冲击；4.风机正常运行时通过风机断路器直接并网运行，损耗很低，几乎没有电压降。

附图说明

图1是风机和电力系统的连接图。

图2是风机和电力系统连接的等值电路图。

图3是整个系统控制原理图。

图4是直流侧卸荷控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种基于变流器的风力发电机组低电压穿越控制系统，包括变流器、变流器控制器和低电压穿越主控制器，所述变流器和辅断路器串联成受控支路，风力发电机组和电网之间的主断路器和所述受控支路并联，所述变流器包括整流器、逆变器和电容，所述整流器和逆变器之间设有直流正极母线和直流负极母线，所述直流正极母线和直流负极母线之间连接电容和卸荷电阻，所述卸荷电阻和电容并联，所述卸荷电阻与用以控制投切所述卸荷电阻的受控阀串联，所述受控阀与所述变流器控制器连接，所述电网端连接交流电压检测器，所述直流正极母线和直流负极母线之间连接直流电压检测器，所述交流电压检测器、直流电压检测器均与所述低电压穿越主控制器连接，所述低电压穿越主控制器与所述变流器控制器、主断路器和辅断路器连接；所述低电压穿越主控制器包括：启动控制模块，不仅用以监视电网电压跌落后，风机主断路器和变流器辅断路器的通断，同时用以当检测到直流电压超于预设直流电压阈值时，向所述变流器控制器发出闭合所述受控阀的指令；风力发电机组重新投切控制模块，用以当检测到交流电压恢复时，向所述变流器控制器发出调节励磁电流大小、相位和频率的控制指令，当风力发电机组的定子电压的相位、大小和频率与电网电压的相位、大小和频率对应时，向主断路器发出闭合指令，并向辅断路器发出断开指令，以及向变流器控制器发出断开所述受控阀的指令。

所述受控阀为IGBT开关。

本实施例中，参照图3，整个低电压穿越的改造和控制方案包括新增的变流器装置、低电压穿越主控制器和变流器的变流器控制器。变流器安装位置为与风机的主断路器并联；低电压穿越主控制器有输入和输出端口，既可以采集变流器直流侧电压值、电网电压值，同时又可以发出控制命令，控制变流器控制器以及直接控制风机主断路器和变流器电网侧变流器的辅断路器开断，完成定桨距风机的低电压穿越。整个实现控制过程如下：

1）在电网电压跌落时，低电压穿越主控制器通过电压的采集量检测到电网电压跌落，无延时的发出变流器网侧断路器闭合的命令，当变流器网侧辅断路器闭合后，风机主断路器断开，变流器将风机与电网相连接。

2）在执行断路器断开和闭合的动作时，主控制器一直严格监测变流器的直流母线电压是否超过直流侧电压设定值上限。一旦电压超过设定值上限，主控制器发出命令给变流器控制器，变流器控制器向与直流电阻串联的IGBT发出触发脉冲，IGBT导通，直流电阻接入。变流器控制器同时协调发电机侧变流器在电网电压跌落时将能量消耗在变流器的直流电阻上，并由网侧变流器向电网传递部分能量，但是网侧变流器传递的电能量是受限的，电阻R将承担消耗能量的主要责任。         

3）保持上述状态，直到所述的主控制器监测到电网电压恢复，变流器控制器控制电机侧变流器调节励磁电流大小、相位以及频率使得发电机定子电压的相位、大小和频率与电网电压的相位、大小和频率严格对应，在这样的条件下闭合风机的并网断路器，实现准同步并网。这样可以减小合闸时的电流冲击，减小对电网的影响和对风机的危害。

4）风机并入电网后，主控制器发出命令断开变流器网侧的辅断路器，此时变流器退出运行，同时通过变频器控制器向IGBT发出脉冲，关断IGBT，电阻退出运行，等待下次投入使用。

5）风机并入电网正常运行，至此低电压穿越过程结束。

Claims (2)

1.一种基于变流器的风力发电机组低电压穿越控制系统，其特征在于：所述低电压穿越控制系统包括变流器、变流器控制器和低电压穿越主控制器，所述变流器和辅断路器串联成受控支路，风力发电机组和电网之间的主断路器和所述受控支路并联，所述变流器包括整流器、逆变器和电容，所述整流器和逆变器之间设有直流正极母线和直流负极母线，所述直流正极母线和直流负极母线之间连接电容和卸荷电阻，所述卸荷电阻和电容并联，所述卸荷电阻与用以控制投切所述卸荷电阻的受控阀串联，所述受控阀与所述变流器控制器连接，所述电网端连接交流电压检测器，所述直流正极母线和直流负极母线之间连接直流电压检测器，所述交流电压检测器、直流电压检测器均与所述低电压穿越主控制器连接，所述低电压穿越控制器与所述变流器控制器、主断路器和辅断路器连接；所述低电压穿越控制器包括：

启动控制模块，不仅用以监视电网电压跌落后，风机主断路器和变流器辅断路器的通断，同时用以当检测到直流电压超于预设直流电压阈值时，向所述变流器控制器发出闭合所述受控阀的指令；

风力发电机组重新投切控制模块，用以当检测到交流电压恢复时，向所述变流器控制器发出调节励磁电流大小、相位和频率的控制指令，当风力发电机组的定子电压的相位、大小和频率与电网电压的相位、大小和频率对应时，向主断路器发出闭合指令，并向辅断路器发出断开指令，以及向变流器控制器发出断开所述受控阀的指令。

2.如权利要求1所述的基于变流器的风力发电机组低电压穿越控制系统，其特征在于：所述受控阀为IGBT开关。

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