CN102315651A - 撬棒电路及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
一种撬棒电路及双馈型感应发电机穿越电网故障的装置及方法，撬棒电路包括驱动电路、能耗电阻和开关元件包括全控型电力电子器件的开关电路，驱动电路与开关电路驱动连接，开关电路输入端与能耗电阻电连接，能耗电阻输入端为撬棒电路输入端；撬棒电路包括至少两个撬棒支路，每个撬棒支路包括一个开关电路和该开关电路电连接的一组能耗电阻，撬棒支路的能耗电阻同相输入端并联形成撬棒电路输入端；装置包括控制器和上述撬棒电路，控制器与机侧变流器、网侧变流器及撬棒电路控制连接，撬棒电路输入端与机侧变流器和发电机转子连接端连接；方法使用上述装置实现发电机电网故障穿越。本发明将电网和发电机组所受冲击减到最小，提高发电机组保护水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种撬棒电路，还涉及一种在电网故障时使用该撬棒电路保护双馈型感应发电机系统的装置，以及使用该装置保护双馈型感应发电机系统的方法，更具体地说，涉及一种撬棒电路及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。由于发动机转子功率仅是定子功率的一部分，一般转子功率最大为1/3的定子功率，因此控制发电机转子侧的电流可以大大减小变流器的体积和造价。
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)。当电网出现短暂跌路时，被动撬棒电路中的半控型电力电子器件被触发导通，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，出现了如图2所示的采用主动式撬棒电路100替代被动式撬棒电路30实现电网故障穿越的双馈型感应发电机的风力发电机组。
现有常用的主动式撬棒电路如图3所示，该主动撬棒电路100包括驱动电路120、开关电路130、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，开关电路130的三相输入端连接耗能电阻110，检测电路分别与控制器70和耗能电阻150信号连接。主动撬棒电路100的三相输入端(即耗能电阻110输入端)连接在机侧变流器与电机转子侧连接的连接端，控制器70与驱动电路120控制连接。开关电路130包括由全控型电力电子器件为构成元件构成的桥式电路。
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100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100，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、当电网发生不对称跌落且滑差较大时，流过撬棒电路上的电流将非常大，此时关闭撬棒电路，发动机转子上的能量会瞬间冲击变流器直流母线，导致变流器直流母线电流再次升高，到达触发撬棒电路的条件，撬棒电路再次导通，如此循环往复，使撬棒电路难以关闭；
2、如无法关闭撬棒电路，发电机会从电网吸收很大的无功功率，甚至会吸收很大的有功功率(在亚同步时)，此种情形非常不利于电网的恢复；
3、由于撬棒电路耗能电阻阻值很小，每次撬棒电路动作时，对电网和发电机的冲击电流都会非常大，撬棒电路的频繁动作，将严重影响发电机寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一在于，提供一种撬棒电路，克服双馈型感应发电机的风力发电机组现有的主动式撬棒电路存在的上述缺陷，满足电网发生不对称跌落且滑差较大时，保证双馈型感应发电机可靠穿越电网故障。
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装置，克服上述现有技术缺陷，提高双馈型感应发电机穿越电网故障能力、帮助电网故障恢复、延长发电机使用寿命。
本发明要解决的技术问题之三在于，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，提高双馈型感应发电机穿越电网故障能力、帮助电网故障恢复、延长发电机使用寿命
本发明解决其技术问题之一所采用的技术方案是：构造一种撬棒电路，包括驱动电路、三相开关电路和三相能耗电阻，该三相开关电路的开关元件包括全控型电力电子器件，该驱动电路与该三相开关电路驱动连接，一个所述三相开关电路的输入端与一组所述三相能耗电阻电连接，所述三相能耗电阻的输入端为所述撬棒电路的输入端；其特征在于，所述撬棒电路包括至少两个撬棒支路，每个撬棒支路包括一个所述三相开关电路和该三相开关电路电连接的一组所述三相能耗电阻，所述驱动电路分别与每个撬棒支路的所述三相开关电路驱动连接，所述撬棒支路的三相能耗电阻的三相输入端同相端并联形成所述撬棒电路的输入端。
在本发明的撬棒电路中，包括检测电路，该检测电路分别与每个所述撬棒支路的所述三相能耗电阻信号连接。
本发明解决其技术问题之二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，包括控制器和撬棒电路，该控制器与双馈型感应发电机组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发电机转子的连接端连接；其特征在于，所述撬棒电路包括驱动电路、三相开关电路和三相能耗电阻，该三相开关电路的开关元件包括全控型电力电子器件，该驱动电路与该三相开关电路驱动连接，一个所述三相开关电路的输入端与一组所述三相能耗电阻电连接，所述三相能耗电阻的输入端为所述撬棒电路的输入端；其特征在于，所述撬棒电路包括至少两个撬棒支路，每个撬棒支路包括一个所述三相开关电路和该三相开关电路电连接的一组所述三相能耗电阻，所述驱动电路分别与每个撬棒支路的所述三相开关电路驱动连接，所述撬棒支路的所述三相能耗电阻的三相输入端的同相端并联形成所述撬棒电路的输入端。
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，该检测电路分别与每个所述撬棒支路的所述三相能耗电阻信号连接。
本发明解决其技术问题之三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，一种双馈型感应发电机穿越电网故障的方法，使用如权利要求3所述的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置实现双馈型感应发电机电网故障穿越，该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发电机转子的连接端连接；其特征在于，所述撬棒电路包括驱动电路、三相开关电路和三相能耗电阻，该三相开关电路的开关元件包括全控型电力电子器件，该驱动电路与该三相开关电路驱动连接，一个所述三相开关电路的输入端与一组所述三相能耗电阻电连接，所述三相能耗电阻的输入端为所述撬棒电路的输入端；其特征在于，所述撬棒电路包括至少两个撬棒支路，每个撬棒支路包括一个所述三相开关电路和该三相开关电路电连接的一组所述三相能耗电阻，所述驱动电路分别与每个撬棒支路的所述三相开关电路驱动连接，所述撬棒支路的所述三相能耗电阻的三相输入端的同相端并联形成所述撬棒电路的输入端；
其特征在于，所述方法包括：
当电网电压突变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电流门限值时或导致双馈型感应发电机组变流器母线电压上升到等于或大于设定的撬棒电路导通电压门限值时，控制器关闭机侧变流器并通过撬棒电路的驱动电路触发撬棒电路的开关电路导通，触发方式为从一个撬棒支路开始逐个增加撬棒支路的导通个数，至双馈型感应发电机转子电流下降到小于设定的撬棒电路导通电流门限值和双馈型感应发电机组变流器母线电压下降到小于设定的撬棒电路导通电压门限值为止；
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电流门限值时且双馈型感应发电机组变流器母线电压衰减到等于或小于设定的撬棒电路关断电压门限值时，控制器通过撬棒电路的驱动电路逐个关断撬棒电路的撬棒支路的开关电路并开启机侧变流器，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，所述撬棒电路包括检测电路，该检测电路分别与每个所述撬棒支路的所述三相能耗电阻信号连接。
实施本发明的撬棒电路及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.在主动式撬棒电路中设置多个并联的撬棒支路，当电网电压故障跌落或跌落后电网恢复时，特别是当电网发生不对称跌落且滑差较大时，便于控制器根据电网跌落程度逐个触发撬棒电路的撬棒支路达到需要的导通撬棒支路数量，由于各撬棒支路的能耗电阻之间相互并联，随着导通的撬棒支路数量逐步增加，撬棒电路总的能耗电阻逐步下降，可有效调控电网故障时双馈型感应发电机转子电流，将其对电网和发电机组的瞬态能量冲击减到最小，更好地保护发电机组，提高发电机组使用寿命；同时，防止电网恢复时由于撬棒电流过大而冲击电网，导致电网再次发生跌落；
2.在电网电压跌落期间，可逐个关闭撬棒电路的撬棒支路，将对变流器瞬态能量冲击减到最小，有效减小由于能量冲击导致变流器直流母线电压再次上升到撬棒电路的触发条件而再次触发撬棒电路，保证发电机组顺利穿越电网故障；
3.与现有主动式撬棒电路比较，本发明的撬棒电路在总功率容量相同的条件下大大提高了双馈型感应发电机组穿越电网故障的能量，但成本无明显增加。
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是现有配置被动式撬棒电路的双馈型感应发电机组系统示意图。
图2是现有的配置主动式撬棒电路的发电机组系统图。
图3是现有的双馈型感应发电机电网故障穿越装置中主动式撬棒电路的结构示意图。
图4是本发明双馈型感应发电机电网故障穿越装置中主动式撬棒电路一种实施方式的结构示意图。
图5是本发明双馈型感应发电机电网故障穿越装置中开关电路实施方式一的电路图。
图6是本发明双馈型感应发电机电网故障穿越装置中开关电路实施方式二的电路图。
图7是本发明双馈型感应发电机电网故障穿越装置中开关电路实施方式三的电路图。
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电网故障穿越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电网故障穿越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
如图4所示，本发明的撬棒电路1000包括驱动电路120、三相开关电路130、140、三相能耗电阻150、160和检测电路110。
上述检测电路110、驱动电路120和耗能电阻150、160采用现有的电路、电阻。
其中，三相开关电路130、140的开关元件包括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)。三相开关电路可以采用包括但不限于如图5所示的由全控型电力电子器件131为开关元件的全桥式开关电路、如图6所示的由全控型电力电子器件131为开关元件的半桥式开关电路、如图7所示的由不控型电力电子器件132组成的全桥、由全控型电力电子器件131为旁路开关元件的全桥式开关电路。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。
驱动电路120分别与三相开关电路130、140驱动连接，实现对每个三相开关电路的驱动。每个三相开关电路的输入端与一组三相能耗电阻电连接，三相能耗电阻的输入端为撬棒电路的输入端。
撬棒电路包括至少两个撬棒支路，每个撬棒支路包括一个三相开关电路和与该三相开关电路电连接的一组三相能耗电阻。将每个撬棒支路的三相能耗电阻的三相输入端的同相端并联起来，形成撬棒电路1000的输入端。
撬棒电路1000的撬棒支路数量根据设计需要确定，可以是两组、三组或多组，每组撬棒支路的三相能耗电阻的阻值可以相同，也可以不同。
在其他实施例中，撬棒电路1000可以不设置检测电路110，而将检测电路110设置在控制器70中，不影响本发明目的的实现。
当撬棒电路1000未设置检测电路110时，开关电路的关断是通过如下方式实现的：
当电网发生跌落时，控制器70检测撬棒电路1000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、140的可关断门限值)，控制驱动电路120关断开关电路。
如图4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，撬棒电路采用上述本发明的撬棒电路1000。
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1000控制连接，撬棒电路1000的三相输入端与机侧变流器40和发电机转子的连接端连接。
本发明的双馈型感应发电机穿越电网故障的方法使用上述本法发明的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置来实现发电机组电网故障穿越，方法如下：
当电网电压突变(如电网跌落导致的电网电压突变、或跌落后电网恢复导致的电网电压突变等)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1000的导通电流门限值时或导致双馈型感应发电机组变流器母线电压上升到等于或大于设定的撬棒电路1000的导通电压门限值时，控制器70关闭机侧变流器40并通过撬棒电路1000的驱动电路120触发撬棒电路的开关电路导通，触发方式为：从一个撬棒支路开始逐个增加撬棒支路的导通个数，至双馈型感应发电机转子电流下降到小于设定的撬棒电路导通电流门限值和双馈型感应发电机组变流器母线电压下降到小于设定的撬棒电路导通电压门限值为止。
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1000的关断电流门限值时且双馈型感应发电机组变流器母线电压衰减到等于或小于设定的撬棒电路1000的关断电压门限值时，控制器70通过撬棒电路1000的驱动电路120逐个关断撬棒电路1000的撬棒支路的开关电路，然后开启机侧变流器70，为电网迅速提供无功支持，帮助电网恢复。
以下给出本发明的双馈型感应发电机穿越电网故障的方法两个实际例子：
实例一
当电网对称跌落时，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，发电机组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％，转子电流会极速上升，当转子电流等于或大于触发撬棒电路1000的电流门限值时，或变流器母线电压等于或大于触发撬棒电路1000的电压门限值时，控制器70会关闭机侧变流器40并触发撬棒电路1000，逐个导通撬棒电路1000的撬棒支路，至电机转子电流下降到小于控制器70中设定的撬棒电路导通电流门限值和发电机组变流器母线电压下降到小于控制器70中设定的撬棒电路导通电压门限值为止。此后，通过耗能电阻，定、转子电流会持续衰减，通过检测电路110判断转子电流低于控制器70中设定的撬棒电路1000关断电流门限值时或发电机组变流器母线电压衰减到等于或小于设定的撬棒电路1000关断电压门限值时，约在时刻3.75s，控制器70逐个关闭撬棒电路1000的撬棒支路，重新开启机侧变流器40，为电网迅速提供无功支持，帮助电网恢复。在时刻4.2s，电网恢复(故障共持续600ms)，发电机组停止无功支持，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。
实例二
当电网不对称跌落时，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，发电机组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。转子电流会极速上升，当转子电流等于或大于触发撬棒电路1000的电流门限值时，或变流器母线电压等于或大于触发撬棒电路1000的电压门限值时，控制器70会关闭机侧变流器40，并触发撬棒电路1000，逐个导通撬棒电路1000的撬棒支路，至电机转子电流下降到小于控制器70中设定的撬棒电路导通电流门限值和发电机组变流器母线电压下降到小于控制器70中设定的撬棒电路导通电压门限值为止。此后，通过耗能电阻，定、转子电流会衰减到一定程度，但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，故在此期间转子电流会非常大，为了减小撬棒电路关断时对变流器直流母线的冲击，控制器70逐个关闭撬棒电路1000的撬棒支路，使得对变流器母线冲击的能量减小。可成功关闭撬棒电路1000，从而不会向电网吸收有功功率和无功功率。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 (6)
1.一种撬棒电路，包括驱动电路、三相开关电路和三相能耗电阻，该三相开关电路的开关元件包括全控型电力电子器件，该驱动电路与该三相开关电路驱动连接，一个所述三相开关电路的输入端与一组所述三相能耗电阻电连接，所述三相能耗电阻的输入端为所述撬棒电路的输入端；其特征在于，所述撬棒电路包括至少两个撬棒支路，每个撬棒支路包括一个所述三相开关电路和该三相开关电路电连接的一组所述三相能耗电阻，所述驱动电路分别与每个撬棒支路的所述三相开关电路驱动连接，所述撬棒支路的三相能耗电阻的三相输入端同相端并联形成所述撬棒电路的输入端。
2.如权利要求1所述的撬棒电路，其特征在于，包括检测电路，该检测电路分别与每个所述撬棒支路的所述三相能耗电阻信号连接。
3.一种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组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发电机转子的连接端连接；其特征在于，所述撬棒电路采用如权利要求1所述的撬棒电路。
4.如权利要求3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，该检测电路分别与每个所述撬棒支路的所述三相能耗电阻信号连接。
5.一种双馈型感应发电机穿越电网故障的方法，使用如权利要求3所述的双馈型感应发电机穿越电网故障的装置实现双馈型感应发电机电网故障穿越，其特征在于，所述方法包括：
当电网电压突变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电流门限值时或导致双馈型感应发电机组变流器母线电压上升到等于或大于设定的撬棒电路导通电压门限值时，控制器关闭机侧变流器并通过撬棒电路的驱动电路触发撬棒电路的开关电路导通，触发方式为从一个撬棒支路开始逐个增加撬棒支路的导通个数，至双馈型感应发电机转子电流下降到小于设定的撬棒电路导通电流门限值和双馈型感应发电机组变流器母线电压下降到小于设定的撬棒电路导通电压门限值为止；
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电流门限值时且双馈型感应发电机组变流器母线电压衰减到等于或小于设定的撬棒电路关断电压门限值时，控制器通过撬棒电路的驱动电路逐个关断撬棒电路的撬棒支路的开关电路并开启机侧变流器，为电网迅速提供无功支持，帮助电网恢复。
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方法，其特征在于，所述撬棒电路包括检测电路，该检测电路分别与每个所述撬棒支路的所述三相能耗电阻信号连接。
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