CN102223125B - 一种电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法及装置，利用现有的双馈电机转子侧变频器和CROWBAR电路实现电网电压严重故障时DFIG风电机组不间断运行，控制方法至少包括以下步骤：1）检测网压；2）触发CROWBAR保护；3）待电网电压恢复状态；4）切除crowbar保护；5）启动网侧变流器；6）启动机侧变流器。本发明给出电网电压严重不对称和零电压时的变流器相应状态机时序，通过变流器CROWBAR保护电路完成风力发电机及变流器保护，适应于各种电网故障；电网电压对称故障、电网电压小值的不对称故障、电网电压严重不对称故障、电网电压零电压故障，完全达到电网公司制定的风力发电机组并网要求，机械安装设备简单，安装方便快捷。

Description

一种电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法及装置

技术领域

本发明属于一种适应电网的控制方式及装置，尤其是指一种电压严重故障时，能实现双馈感应电机风电机组不间断运行的控制方法及装置，主要用于克服电网电压严重不对称或零电压故障时，保证双馈感应电机风电机组不间断运行。

技术背景

当电网故障引起发电机输出端电压出现小值的对称跌落或者三相不平衡时，应尽量考虑通过改进双馈感应电机（或称DFIG）发电系统的运行控制来实现风力发电机组的不间断运行，相关的专利论文已报道很多。有代表的有如下一些：

1、专利申请号为：200810163510.5，名称为“一种电网不对称故障时风电机组控制基准信号的检测方法”公开了”一种电网不对称故障时风电机组控制基准信号的检测方法”，提出通过 “T/16延时”分离方法，将采集得到的风力发电机定子三相不对称电压中的正 序、负序分量分离出来，并通过不对称软件锁相环，实现对基波电压正序分量 幅值、相位和频率的快速检测。本方法可快速分离故障电网电压中的基波正、 负序分量，具有检测精度高、实时性好等特点，能为各种电网故障情况下风电 机组的运行控制提供依据。

2、由魏林君  迟永宁  赵建国  王伟胜在《中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十四届学术年会论文集（下册）》 2008年 发表的．名称为“双馈变速风电机组低电压穿越控制”的论文，该论文提出当系统中风电装机容量比例较大时,系统故障导致电压跌落后,风电场切除会严重影响系统运行的稳定性,这就要求风电机组具有低电压穿越能力(LVRT:Low Voltage Ride Through),保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行。本文分析了双馈风电机组LVRT原理和基于转子撬棒保护(crow-bar protection)的LVRT控制策略,在电力系统仿真分析软件DIgSILENT/PowerFactory中建立了双馈风电机组模型及其LVRT控制模型,以某地区风电系统为例进行仿真计算,分析转子撬棒投入与切除策略及动作时间对实现机组LVRT的影响。

3、由胡家兵在《浙江大学》 2009年发表的《 双馈异步风力发电机系统电网故障穿越（不间断）运行研究》论文，论文提出了DFIG风电机组运行分析和电网电压骤降(跌落)故障下实施有效控制的理论基础。仿真分析验证了所建立的DFIG本体精确模型和改进的两种DFIG风电机组矢量控制策略在较小值电网电压骤降故障下实施控制的有效性；提出了不平衡电网电压条件下的增强运行能力控制对策及相应的有功、无功功率与正、负序电流指令算法；研究了严重对称电压骤降(跌落)时DFIG风电机组的控制策略和保护方案,优化了转子crowbar的投／切时刻,分析了转子crowbar所用串联耗能电阻大小对交流电网恢复的影响,并在此基础上提出了一种采用串联电阻的crowbar和改进网侧变换器控制的低电压穿越运行方案；基于不对称电网故障时DFIG风电机组运行特性,分析了大值不对称故障下励磁变频器中网侧、转子侧变换器容量对两者协同控制的影响,据此提出了一种计及有限励磁变频器容量的改进DFIG不对称电网故障穿越运行控制新策略,仿真结果验证了其有效性。

但是现有的技术对于当电网出现严重跌落时，会引起变流器转子严重过流和直流母线严重过压的问题一直没有解决。在上述专利论文所介绍的方法也不再可行。这时应考虑通过合适的保护措施以及变流器协同控制来实现机组的不脱网运行,以满足中华人民共和国国家标准 GB -200 风电场接入电力系统技术规定。

发明内容

  针对现有技术的无法克服电网电压严重不对称或零电压故障时，DFIG风电机组不间断运行的不足，提出一种具有成本低、对电网无冲击、系统结构简单、可靠性高、适用范围广电网电压严重故障时DFIG风电机组不间断运行控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法，利用现有的双馈电机机侧变频器和CROWBAR电路，实现电网电压严重故障时DFIG风电机组不间断运行，控制方法至少包括以下步骤：

 ①检测网压：当电网电压出现严重不对称或零电压故障时，变流器快速检测到电网电压掉电，且封锁变流器脉冲；我们通过检测电网峰值判断电网掉电，注意计算电网电压峰值一定要快，一般5ms左右完成电网电压峰值的计算，否则，电网电压峰值还没有计算完，电网电压又开始恢复了。导致误判断，导致变流器工作时序混乱。

 ②触发CROWBAR保护电路：当检测到网压出现问题时，触发CROWBAR保护电路；通过其消耗掉机侧变流器转子上的能量达到保护变流器的目的；触发CROWBAR保护电路的同时断开网侧接触器和定子侧接触器。考虑如果先触发CROWBAR保护电路，再断开定子侧接触器，为了避免这个时间段内（几个ms）发电机类似于一台鼠笼式异步发电机,且运行滑差很大,将从电网中吸收大量无功,进一步加剧了电网电压的跌落。一定要同时触发CROWBAR保护电路和断开定子侧接触器。

③待电网电压恢复状态：在电网电压处于故障状态时等待电网电压恢复；屏蔽过电压、过电流、电网低等故障，待电网电压恢复状态，这个等待时间根据不同标准可以设置不同的时间常数。

④切除crowbar保护：在每等待一个等待电压恢复时间后，网侧和机侧变流器会快速地检测出电网电压恢复是否恢复；当网侧和机侧变流器快速地检测出电网电压恢复, 将迅速切除crowbar保护电路，考虑到在电网故障清除前切除crowbar, 在电网恢复过程中,可能会引起再一次的变流器过流过压保护; 若在电网故障完全清除后切除crowbar, 在电网恢复过程中,DFIG类似于一台鼠笼式异步发电机,且运行滑差很大,将从电网中吸收大量无功,进一步加剧了电网电压的跌落。

⑤启动网侧变流器：当电网故障完全清除，电网电压完全恢复，切除crowbar保护后，启动网侧变流器；电路网侧变流器一般不发预充电接触器合闸指令，因为在短时间内直流母线电压变化不大。网侧变流器直接逆变三相交流电压与电网电压相位、幅值同步，最终完成网侧变流器并网。

⑥启动机侧变流器：在启动网侧变流器之后启动机侧变流器；机侧变流器逆变三相交流为发电机转子提供励磁电流，实现发电机定子输出电压与电网电压相位、幅值同步，最终完成机侧变流器并网。从电网恢复到发电机并网发电，一般情况下1-2s可以完成，且在10s内达到额定功率，整个过程中，变流器必须无故障，功率试验台必须不脱网安全运行且满足上述要求。

根据上述电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法所提出的一种电网电压故障时风电机组不间断运行控制装置，包括：网侧变流器、网侧滤波电感、网侧接触器、机侧变流器、机侧滤波电感、定子接触器、中间直流斩波制动、发电机无功补偿电容、变流器CROWBAR保护电路、整机控制系统、双馈发电机、齿轮箱和风机叶片，其中：风机叶片通过齿轮箱与双馈发电机的转轴相连，机侧变流器和网侧变流器串接在双馈发电机转子与电网的连接线之间；在网侧变流器与电网之间串接有网侧滤波电感，在机侧变流器与双馈发电机转子之间串接有机侧滤波电感，并在机侧变流器与双馈发电机之间旁接有CROWBAR保护电路。机侧变流器和网侧变流器之间为直流串接，在两直流线之间跨接有中间直流电容，并旁接有中间直流斩波制动；在双馈发电机定子与电网之间的连接线中，设有定子接触器；在网侧变流器与电网之间设有网侧接触器，且并接有网侧滤波电感；在机侧变流器和网侧变流器之间的连接线中设有两个支点，两个支点分别与一整流桥相接，且在一个支点与整流桥的连接中串接有一预充电电阻；整流桥又通过预充电接触器接入网侧变流器与网侧滤波电感之间；整机控制柜通过CAN网络分别与机侧变流器和网侧变流器通信连接，完成最大风能跟踪控制、变浆控制、偏航控制等。

本发明的优点在于：风电机组完全满足了大功率风电机组不间断运行的要求，大大提高了产品的市场竞争力，同时在无需增加任何部件情况下，本发明利用了现有的双馈电机转子侧变频器和CROWBAR电路实现电网电压严重故障时DFIG风电机组不间断运行，相比网侧并联一个变流器等方式成本低；由于无需增加任何部件，具有系统结构简单，可靠性高，便于维护等优点；由于在电网电压故障过程中定子接触器与电网断开，故双馈发电机不吸收电网的无功；由于在电网电压故障过程中网侧接触器也与电网电压断开，对于电网电压对称故障，以及小值的不对称跌落时，该控制方法也可以保护变流器实现DFIG风电机组不间断运行，故适用范围广。

附图说明：

图1是本发明的系统结构图；

图2本发明的核心控制器件:网侧变流器与机侧变流器控制原理框图。

具体实施方式

下面将结合附图1对本发明做进一步的描述。

一种电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法，利用现有的双馈电机转子侧变频器和CROWBAR电路实现电网电压严重故障时DFIG风电机组不间断运行，控制方法至少包括以下步骤：

① 检测网压：当电网电压出现严重不对称或零电压故障时，网侧变流器和机侧变流器能快速检测到电网电压掉电，且封锁变流器脉冲；我们通过连续三次检测电网峰值判断电网掉电。注意计算电网电压峰值一定要快，一般要4-6ms左右完成电网电压峰值的计算，否则，电网电压峰值还没有计算完，电网电压又开始恢复了，导致误判断。

②触发CROWBAR保护：当检测到网压出现问题时，触发CROWBAR保护电路，通过其消耗掉机侧变流器转子上的能量达到保护变流器的目的；同时断开网侧接触器和定子侧接触器。考虑如果先触发CROWBAR保护电路，再断开定子侧接触器，为了避免这个时间段内（几个ms）发电机类似于一台鼠笼式异步发电机,且运行滑差很大,将从电网中吸收大量无功,进一步加剧了电网电压的跌落。一定要同时触发CROWBAR保护电路和断开定子侧接触器。

③ 待电网电压恢复状态：在电网电压处于故障状态时等待电网电压恢复；一定要屏蔽过电压、过电流、电网电压低等故障，这个等待时间根据不同标准可以设置不同的时间常数。

④ 切除crowbar保护：在每等待一个等待电压恢复时间后，网侧和机侧变流器会快速地检测出电网电压恢复是否恢复；当网侧和机侧变流器快速地检测出电网电压恢复, 将迅速切除crowbar保护电路，考虑到在电网故障清除前切除crowbar, 在电网恢复过程中,可能会引起再一次的变流器过流过压保护; 若在电网故障完全清除后切除crowbar, 在电网恢复过程中,DFIG类似于一台鼠笼式异步发电机,且运行滑差很大,将从电网中吸收大量无功,进一步加剧了电网电压的跌落。

⑤启动网侧变流器：当电网故障完全清除，电网电压完全恢复，切除crowbar保护后，启动网侧变流器；电路网侧变流器一般不发预充电接触器合闸指令，因为在短时间内直流母线电压变化不大。网侧变流器直接逆变三相交流电压与电网电压相位、幅值同步，最终完成网侧变流器并网。

⑥启动机侧变流器：在启动网侧变流器之后启动机侧变流器；机侧变流器逆变三相交流为发电机转子提供励磁电流，实现发电机定子输出电压与电网电压相位、幅值同步，最终完成机侧变流器并网。从电网恢复到发电机并网发电，一般情况下1-2s可以完成，且在10s内达到额定功率，整个过程中，变流器必须无故障，功率试验台必须不脱网安全运行且满足上述要求。

根据上述电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法所提出的一种电网电压故障时风电机组不间断运行控制装置，包括网侧变流器1、网侧滤波电感2、网侧接触器3、机侧变流器4、机侧滤波电感5、定子接触器6、中间直流斩波制动7、发电机无功补偿电容8、变流器CROWBAR保护电路9、整机控制系统10、双馈发电机11、齿轮箱12和风机叶片13，其中：风机叶片13通过齿轮箱12与双馈发电机11的转轴相连，机侧变流器4和网侧变流器1串接在双馈发电机11转子与电网14的连接线之间；在网侧变流器1与电网14之间串接有网侧滤波电感2，在机侧变流器4与双馈发电机11转子之间串接有机侧滤波电感5，并在机侧变流器4与双馈发电机11转子之间旁接有变流器CROWBAR保护电路9。机侧变流器4和网侧变流器1之间为直流串接，在两直流线之间跨接有发电机无功补偿电容8，并旁接有中间直流斩波制动7；在双馈发电机11定子与电网14之间的连接线中，设有定子接触器6；在网侧变流器1与电网14之间设有网侧接触器3，且并接有网侧滤波电感2；在机侧变流器4和网侧变流器1之间的连接线中设有两个支点，两个支点分别与一整流桥15相接，且在一个支点与整流桥的连接中串接有一预充电电阻16；整流桥15又通过预充电接触器17接入网侧变流器1与网侧滤波电感2之间；整机控系统10通过CAN网络分别与机侧变流器4和网侧变流器1通信连接，完成最大风能跟踪控制、变浆控制、偏航控制等。

这整套控制方案还需要整机控制的配合，比如，变浆控制、制动等其相应控制方法请参考相关文献。变流器的控制仍然基于电网电压对称条件下的控制，区别在于在跌落和恢复过程中，确保变流器无故障，变流器不需要复位直接运行，从而节约很长时间。为了保证系统的能正常运行，在电网14与系统装置之间的电路上设有模拟电网故障装置18，工作人员可以根据需要对整个系统进行功能检测，以防在真实故障出现时系统失灵。

Claims (9)

1.一种电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法，其特征在于：利用现有的双馈电机转子侧变频器和CROWBAR电路实现电网电压严重故障时DFIG风电机组不间断运行，控制方法至少包括以下步骤：

1）检测网压：当电网电压出现严重不对称或零电压故障时，网侧变流器和机侧变流器快速检测到电网电压掉电，且封锁变流器脉冲；

2）触发CROWBAR保护：当检测到网压出现问题时，触发CROWBAR保护电路，同时断开网侧接触器和定子侧接触器；一定要同时触发CROWBAR保护电路和断开定子侧接触器；

3）待电网电压恢复状态：在电网电压处于故障状态时等待电网电压恢复；

4）切除crowbar保护：在每等待一个等待电压恢复时间后，网侧和机侧变流器会快速地检测出电网电压恢复是否恢复；当网侧和机侧变流器快速地检测出电网电压恢复, 将迅速切除crowbar保护电路；

5）启动网侧变流器：当电网故障完全清除，电网电压完全恢复，切除crowbar保护后，启动网侧变流器；

6）启动机侧变流器：在启动网侧变流器之后启动机侧变流器。

2.根据权利要求1所述的电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法，其特征在于：所述的网侧变流器和机侧变流器快速检测是通过连续三次检测电网峰值判断电网掉电。

3.根据权利要求2所述的电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法，其特征在于：所述的网侧变流器和机侧变流器快速检测是4-6ms完成电网电压峰值的计算。

4.根据权利要求1所述的电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法，其特征在于：所述的待电网电压恢复状态的等待时间根据不同标准设置为不同的时间常数。

5.根据权利要求1所述的电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法，其特征在于：所述的网侧变流器不发预充电接触器合闸指令，网侧变流器直接逆变三相交流电压与电网电压相位、幅值同步，最终完成网侧变流器并网。

6.根据权利要求1所述的电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法，其特征在于：所述的机侧变流器逆变三相交流为发电机转子提供励磁电流，实现发电机定子输出电压与电网电压相位、幅值同步，最终完成机侧变流器并网。

7.根据权利要求1所述的电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法，其特征在于：在电网与系统装置之间的电路上设有模拟电网故障装置，工作人员可以根据需要对整个系统进行功能检测，以防在真实故障出现时系统失灵。

8.一种实现权利要求1所述电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法的电网电压故障时风电机组不间断运行控制装置，包括：网侧变流器、网侧滤波电感、网侧接触器、机侧变流器、机侧滤波电感、定子接触器、中间直流斩波制动、发电机无功补偿电容、变流器CROWBAR保护电路、整机控制系统、双馈发电机、齿轮箱和风机叶片，其特征在于：风机叶片通过齿轮箱与双馈发电机的转轴相连，机侧变流器和网侧变流器串接在双馈发电机转子与电网的连接线之间；在网侧变流器与电网之间串接有网侧滤波电感，在机侧变流器与双馈发电机转子之间串接有机侧滤波电感，并在机侧变流器与双馈发电机之间旁接有CROWBAR保护电路；

机侧变流器和网侧变流器之间为直流串接，在两直流线之间跨接有中间直流电容，并旁接有中间直流斩波制动；在双馈发电机定子与电网之间的连接线中，设有定子接触器；在网侧变流器与电网之间设有网侧接触器，且并接有网侧滤波电感；在机侧变流器和网侧变流器之间的连接线中设有两个支点，两个支点分别与一整流桥相接，且在一个支点与整流桥的连接中串接有一预充电电阻；整流桥又通过预充电接触器接入网侧变流器与网侧滤波电感之间；整机控制柜通过CAN网络分别与机侧变流器和网侧变流器通信连接。

9.根据权利要求8所述的电网电压故障时风电机组不间断运行控制装置，其特征在于：在电网与系统装置之间的电路上设有模拟电网故障装置。