CN102447266A - 基于dvr的风力发电机组低电压穿越支撑装置 - Google Patents

基于dvr的风力发电机组低电压穿越支撑装置 Download PDF

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王中
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Abstract

一种基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置，所述的低电压穿越支撑装置由动态电压恢复器DVR、有功功率释放电路、网侧无功电流注入逆变器和控制器组成，DVR设有A端口、B端口和C端口，其中A端口与风力发电机组输出端连接，B端口与电网连接，DVR的滤波器输入侧以串联的方式接入主回路中，H桥逆变器的输出侧为C端口，C端中设有直流电容；无功电流注入逆变器设有AC和DC端口，AC端口与DVR的B端口连接，直流母线电容设在DC端口；定子Crowbar设有AC和DC端口，AC端口与DVR的A端口连接，直流母线电容设在DC端口；DVR的工作状态均由控制器发出的触发信号控制。

Description

基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置
技术领域
本发明涉及一种能够实现低电压穿越的风力发电机组低电压穿越支撑装置，是基于串联的动态电压恢复器DVR实现的。
背景技术
随着风力发电的迅速发展，风电装机容量不断增大，在发电容量中所占的比例也不断提高。当电力系统中风电装机容量比例较大时，电力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。有研究表明，当风力发电机具有低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力时，能提高整个电力系统的稳定性。因此世界上风电装机比例较大的国家，如丹麦、德国、美国等颁布的风电并网规定中，都要求风电机组都具备LVRT能力，保证电力系统发生故障后风电机组能够不间断并网运行。
尽管各国对风电机组低电压穿越能力的要求各不相同，但都包含如下几个方面的内容，以我国颁布的风电场接入电力系统技术规定（Q/GDW 392-2009）为例：
a）风电场必须具有在电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行625ms的低电压穿越能力；
b）风电场电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保持并网运行；
c）风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场必须不间断并网运行。
目前我国的风电机组主要的类型有以下四种：恒速恒频异步发电机组、有限变速异步发电机组、变速恒频双馈发电机组和变速恒频直驱发电机组。其中恒速恒频异步发电机组和有限变速异步发电机组本身不具备LVRT能力；变速恒频双馈发电机组目前可以通过在转子侧加入Crowbar来使其具备LVRT能力，但控制比较复杂，并且穿越过程中需要从电网吸收无功功率；变速恒频直驱发电机组由于采用了全功率变频器，实现LVRT比较简单。
目前我国风电场中安装的绝大多数风电机组都是恒速恒频异步发电机组或者变速恒频双馈发电机组，而这些机组大多数都没有低电压穿越能力。因此对这些机组进行改造，使其具备低电压穿越能力对于电网的稳定运行有着十分重要的意义。
对恒速恒频异步发电机组等改造最直接的方法是在异步发电机组后面加上一个类似于直驱风力发电机组用的全功率变换器，但这种方法的成本很高，而且全功率变换器的容量要随着机组容量的变化而变化，通用性不好。除了全功率变换器方案之外还有基于无功补偿方案，这种方案并不能保证风力发电机组可靠穿越，仅仅是支持帮助作用。因此需要一种结构简单、使用方便、可靠性高的改造方案。
动态电压恢复器DVR（dynamic voltage restorers简称DVR）是一种保证电网供电质量的新型电力电子设备，具有电压补偿能力，它通过串联方式对电能质量进行监控，当系统电压出现短时跌落，可以在1~2毫秒内产生补偿电压，抵消系统电压所受的干扰。主要用于补偿电网产生的电压跌落，闪变和谐波等。它可在电源和敏感负载之间插入一个任意幅值和相位的电压。当电源电压畸变时，通过改变DVR的电压，达到稳定敏感负载电压的目的。
目前，将传统的动态电压恢复器DVR加入其他的功能模块用于风力发电机组低电压穿越支撑装置中，还未见诸报导和应用。
发明内容
本发明的目的在于：针对针对目前风力发电机组并网运行中普遍存在的低电压穿越能力差，提供一种基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置。
本发明的目的是这样实现的：一种基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置，其特征在于，所述的低电压穿越支撑装置由动态电压恢复器DVR、有功功率释放电路、网侧无功电流注入逆变器和控制器组成，低电压穿越支撑装置位于风力发电机组与并网变压器之间，低电压穿越支撑装置中的动态电压恢复器DVR设有A端口、B端口和C端口，A端口与B端口之间每相之间串联对应的独立工作单元，每个独立工作单元均含有一个滤波器和一个H桥逆变器；所述DVR的A端口与风力发电机输出端并网开关连接，DVR的B端口与电网连接， 每相H桥逆变器的交流输入侧经滤波器滤波串联在对应各相的A端口与B端口之间，输入滤波器主要用来滤除H桥逆变器的高频谐波；H桥逆变器的直流输出侧为C端口，C端中设有直流电容；无功电流注入逆变器设有AC端口和DC端口，无功电流注入逆变器的AC端口与动态电压恢复器DVR的B端口并联，直流母线支撑电容设在无功电流注入逆变器的DC端口；所述的H桥逆变器、无功电流注入逆变器和有功功率释放电路的工作状态均由控制器发出的控制信号控制。
    在本发明中，所述的C端口分别为三个H桥逆变器输出侧的独立端口，或为三个H桥逆变器输出侧并联后形成的一个公用端口。
在本发明中，所述的DVR每相H桥逆变器滤波器输入侧分别以串联的方式连接在风力发电机组输出端与电网之间，或在风力发电机输出端和电网之间分别串接一个隔离变压器，每个滤波器的输入侧分别通过对应的隔离变压器串接在主回路中。
在本发明中，在风力发电机低电压穿越支撑装置中还设有与动态电压恢复器DVR并联的快速开关GK，所述的快速开关GK含有三个独立单元，它们分别与动态电压恢复器DVR的三个独立工作单元对应。
在本发明中，所述的快速开关GK是由功率双向开关KG与强制关断电路组成。
在本发明中，所述的有功功率释放电路为设在动态电压恢复器DVR中C端口的直流卸荷单元DBU（DC Brake Unit），或设在动态电压恢复器DVR中A端口侧的定子Crowbar电路，所述的定子Crowbar电路设有AC端口和DC端口，定子Crowbar电路的AC端口与动态电压恢复器DVR的A端口连接。
在本发明中，所述的负载侧的直流卸荷单元DBU为三个独立的DBU1、DBU2、DBU3，它们分别设在对应H桥逆变器单元输出侧的独立CA、CB、CC端口；或为一个公用的DBU，它设在三个独立的H桥逆变器单元直流侧并联后的共用C端口。
在本发明中，所述的设在动态电压恢复器DVR中A端口侧的定子Crowbar电路为含有直流卸荷单元DBU的定子Crowbar电路；或含功率双向开关KG和交流均衡卸荷电阻的定子Crowbar电路。
在本发明中，所述的功率双向开关KG为SCR     或IGBT或其他可控关断的功率开关器件。
在本发明中，无功电流注入逆变器DC端口的直流母线电容与动态电压恢复器DVR中C端口的直流卸荷单元DBU直流母线连接，或无功电流注入逆变器DC端口与定子Crowbar电路设有的DC端口连接。
在本发明中，所述的风力发电机组为恒速恒频异步风力发电机组，或有限变速异步风力发电机组、变速恒频双馈发风力发电机组，或变速恒频直驱风力发电机组。
本发明的工作原理为当电网电压跌落时DVR将输出补偿电压使风力发电机组机端电压保持稳定不变，同时风力发电机组输出的有功功率将通过有功功率释放单元消耗，网侧无功电流注入逆变器将向电网输入一定的无功电流以帮助电网电压恢复。为了提高电网电压正常时系统工作效率，也可以在电网正常时使DVR工作在准备模式，同时用快速开关将DVR短接。在电网电压跌落时快速开关将快速分开，同时DVR将迅速从准备模式切换到电压补偿模式，电网电压恢复时DVR将退回到准备模式同时快速开关将DVR短接。
本发明的优点在于：由于采用动态电压恢复器DVR，可以使风力发电机系统具有完美的低电压穿越能力，包含零电压跌落、电压对称及不对称、电网电压恢复时的高电压等在内的故障均能可靠穿越；电网跌落期间一直与电网保持连接，可以提供无功和有功功率的传输通道。
本发明的优点还在于：对风力发电机组的运行无影响，对风力发电机组的机械传动系统无影响，大大避免电网故障对轴系产生的扭曲、振荡等影响，提高风机的使用寿命；实施时无需对风力发电机组的主控制器和变桨控制器做任何的改动；故障后，风力发电机组能够在2s之内恢复到之前的工作状态，满足电网对低电压穿越的要求。
本发明的优点还在于：本发明在故障期间仍然可以给电网提供无功支持；对现有风力发电机组进行改造所需的成本低、可靠性高，而且不需要变桨系统、主控系统的配合。
附图说明
图1是一种适用于本发明的动态电压恢复器DVR的原理示意图；
图2是另一种适用于本发明的动态电压恢复器DVR的原理示意图；
图3是又一种适用于本发明的动态电压恢复器DVR的原理示意图；
图4是一种用于本发明的网侧无功电流注入逆变器的原理示意图；
图5是一种含有直流卸荷单元DBU的定子Crowbar电路的原理示意图；
图6是一种含功率双向开关和交流均衡卸荷电阻的定子Crowbar电路的原理示意图； 
图7是一种基于DVR的有功功率释放电路采用定子Crowbar电路的低电压穿越支撑装置结构示意图；
图8是另一种基于DVR的有功功率释放电路采用定子Crowbar电路的低电压穿越支撑装置结构示意图；
图9是又一种基于DVR的有功功率释放电路采用定子Crowbar电路的低电压穿越支撑装置结构示意图；
图10是又一种基于DVR的有功功率释放电路采用定子Crowbar电路的低电压穿越支撑装置结构示意图；
图11是一种基于DVR的有功功率释放电路采用直流卸荷单元DBU的低电压穿越支撑装置结构示意图；
图12是另一种基于DVR的有功功率释放电路采用直流卸荷单元DBU的低电压穿越支撑装置结构示意图；
图13是又一种基于DVR的有功功率释放电路采用直流卸荷单元DBU的低电压穿越支撑装置结构示意图。
图14是又一种基于DVR的有功功率释放电路采用直流卸荷单元DBU的低电压穿越支撑装置结构示意图。
具体实施方式
由图1可见，动态电压恢复器DVR的A端口与B端口之间设有三相独立的H桥逆变器单元，每个独立的H桥逆变器单元均设有一个滤波器和H桥逆变器，每相滤波器LBA、LBB、LBC输入侧分别以串联的方式设置在DVR的A端口与B端口之间，一端与风力发电机组对应输出端连接，另一端由DVR的B端口与对应的电网连接，滤波后分别进入对应的各相H桥逆变器UIA、UIB和UIC的交流输入侧。三个H桥逆变器UIA、UIB和UIC的输出侧并联后形成DVR的C端口，C端口中设有直流电容C1。这种结构的动态电压恢复器DVR可以在网侧电压跌落时对风力发电机组输出端电压实现同步补偿。在本实施例中，C端口中还设有与直流电容C1并联的直流卸荷单元DBU。H桥逆变器UIA、UIB和UIC以及直流卸荷单元DBU的控制信号均由控制器KZQ提供。
由图2可见，它与图1的区别在于：三个H桥逆变器UIA、UIB和UIC的输出侧分别为独立的CA、CB和CC端口，CA、CB和CC端口中分别设有直流电容C1A、C1B和C1C。这种结构的动态电压恢复器DVR可以在网侧的任一相电压跌落时对风力发电机组输出端电压的对应相实现补偿，可以对风力发电机组输出每相的有功功率进行独立消耗。在本实施例中，CA、CB和CC端口中还分别设有与直流电容C1A、C1B和C1C并联的直流卸荷单元DBU1、DBU2、DBU3。H桥逆变器UIA、UIB和UIC以及各直流卸荷电路的控制信号均由控制器KZQ提供。
由图3可见，它与图1的区别在于：在与风力发电机组输出端与电网各相之间分别设有一个隔离变压器，隔离变压器BA、BB、BC的原边串接在主回路中，每相中的滤波器输入侧分别与对应的隔离变压器副边对接，所述隔离变压器的原边一端由DVR的A端口与风力发电机组对应输出端连接，另一端由DVR的B端口与对应的电网连接。这种结构的动态电压恢复器DVR可以降低三个H桥逆变器功率开关的耐压等级，降低器件成本。
风力发电机组低电压穿越支撑装置中应该配置常规的无功功率补偿装置，图4公开的无功功率补偿装置是一种无功电流注入逆变器，由图可见，无功电流注入逆变器包括滤波器LB1、逆变器UL1和直流电容C2，网侧电压由无功电流注入逆变器的AC端进入滤波器，滤波后的信号进入逆变器UI1的输入侧，逆变器UI1的输出侧为无功电流注入逆变器的DC端，DC端中设有直流母线电容C2。
图5公开的是一种含有直流卸荷单元DBU的定子Crowbar电路的原理示意图，由图可见，定子Crowbar电路包括滤波器、三相桥式整流电路ZL、直流母线电容C3和直流电阻R，其输入端为AC端，它与DVR的A端口并联后与风力发电机组的输出端对接。所述的滤波器设在AC端，滤波后的信号进入三相桥式整流电路ZL，三相桥式整流电路ZL的输出端为定子Crowbar电路的DC端，直流电容C3和直流电阻R设在DC端中。这种方式的定子Crowbar电路有功功率消耗控制简单快速准确。
图6公开的是一种含功率双向开关KG和交流均衡卸荷电阻的定子Crowbar电路，由图可见，定子Crowbar电路包括两条并联支路，其输入端为AC端，它与DVR的A端口并联后与风力发电机组的输出端对接，风力发电机的输出进入AC端后分为两路，一路通过功率双向开关KG提供给交流均衡卸荷电阻R1，另一路通过三相桥式整流电路ZL后提供给DC端输出。这种方式的定子Crowbar电路其产生的谐波比图5中的定子Crowbar要小，成本低。
图7为本发明的一种实施方式，在图7中，动态电压恢复器DVR以串接的方式设置在风力发电机组输出端与电网之间，有功功率释放电路为设在风力发电机组输出端的定子Crowbar电路，所述的无功电流注入逆变器设在电网侧，其中，DVR的A端口与风力发电机组对应输出端连接，DVR的B端口与电网连接，定子Crowbar电路的AC端与DVR的A端口并联后与风力发电机组的输出端对接，无功电流注入逆变器的AC端与电网侧的三相对应相接。具体实施时，所述的定子Crowbar电路既可以采用图5所述的含有直流卸荷单元DBU的定子Crowbar电路，也可以采用图6所述的含功率双向开关和交流均衡卸荷电阻的定子Crowbar电路；所述的DVR可以采用图1、图2、图3中所述的任一种方式；所述的H桥逆变器、无功电流注入逆变器和定子Crowbar电路的工作状态均由控制器发出的控制信号控制。
图8是本发明的又一种实施方式，它与图8的区别仅在于：在风力发电机组输出端中还设有与动态电压恢复器DVR并联的快速开关GK，所述的快速开关GK含有三个独立的控制单元，它们分别与动态电压恢复器DVR的三个独立的H桥逆变器单元对应。所述的快速开关GK是由功率双向开关KG与强制关断电路组成，其中，功率双向开关KG可以选择SCR或IGBT或其他可控关断的功率开关器件（下同）。这种方式的特点是可以在电网电压正常时将DVR短接，避免DVR带来的损耗，提高系统工作效率。
图9是本发明的又一种实施方式，它与图7的区别仅在于：将定子Crowbar电路的DC端与无功电流注入逆变器的的DC端对接，其优点在于，在对网侧提供无功补偿的同时，还可以向电网提供部分有功功率。
图10是本发明的又一种实施方式，它与图9的区别仅在于：在风力发电机组输出端中还设有与动态电压恢复器DVR并联的快速开关GK，所述的快速开关GK含有三个独立的控制单元，它们分别与动态电压恢复器DVR的三个独立的H桥逆变器单元对应。这种方式的特点是可以在电网电压正常时将DVR短接，避免DVR带来的损耗，提高系统工作效率。
图11是本发明的又一种实施方式，它与图7的区别在于：有功功率释放电路是采用有功功率释放电路采用直流卸荷单元DBU，所述的直流卸荷单元DBU设在动态电压恢复器DVR的C端口，直流卸荷单元DBU由可关断功率开关和直流电阻组成。所述动态电压恢复器DVR中的H桥逆变器、无功电流注入逆变器以及有功功率释放电路DBU中的可关断功率开关等，它们的工作状态均由控制器发出的触发信号控制。
由图12是本发明的又一种实施方式，它与图11的区别在于：在风力发电机组输出端中还设有与动态电压恢复器DVR并联的快速开关GK，所述的快速开关GK含有三个独立单元，它们分别与动态电压恢复器DVR的三个独立H桥逆变器单元对应。这种方式的特点是可以在电网电压正常时将DVR短接，避免DVR带来的功率损耗，提高系统工作效率。
由图13是本发明的又一种实施方式，它与图11的区别在于：将有功功率释放电路采用的直流卸荷单元DBU的DC端与无功电流注入逆变器的的DC端对接，其优点在于，在电网电压跌落时对网侧提供无功电流补偿的同时，还可以向电网提供部分有功功率。
由图14是本发明的又一种实施方式，它与图13的区别在于：在风力发电机组输出端中还设有与动态电压恢复器DVR并联的快速开关GK，所述的快速开关GK含有三个独立单元，它们分别与动态电压恢复器DVR的三个独立H桥逆变器单元对应。这种方式的特点是可以在电网电压正常时将DVR短接，避免DVR带来的功率损耗，提高系统工作效率。
图7~ 14例举了本发明在风力发电机组中的几种具体实施方式，并不是对本发明的具体限制。由上述实施方式可见，所述的动态电压恢复器DVR中的每个滤波器的输入侧可以直接串接在风力发电机组输出端与电网之间，也可以在通过隔离变压器的方式串联在主回路中；动态电压恢复器DVR的C端口可以分别为三个中各H桥逆变器输出侧的独立端口，也可以将三个H桥逆变器输出侧并联后形成一个公用端口；所述的风力发电机组可以择一选择以下机组：恒速恒频异步风力发电机组、有限变速异步风力发电机组、变速恒频双馈发风力发电机组和变速恒频直驱风力发电机组。

Claims (11)

1.    一种基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置，其特征在于，所述的低电压穿越支撑装置由动态电压恢复器DVR、有功功率释放电路、网侧无功电流注入逆变器和控制器组成，低电压穿越支撑装置位于风力发电机组与并网变压器之间，低电压穿越支撑装置中的动态电压恢复器DVR设有A端口、B端口和C端口，A端口与B端口之间每相之间串联对应的独立工作单元，每个独立工作单元均含有一个滤波器和一个H桥逆变器；所述DVR的A端口与风力发电机输出端并网开关连接，DVR的B端口与电网连接， 每相H桥逆变器的交流输入侧经滤波器滤波串联在对应各相的A端口与B端口之间，输入滤波器主要用来滤除H桥逆变器的高频谐波；H桥逆变器的直流输出侧为C端口，C端中设有直流电容；无功电流注入逆变器设有AC端口和DC端口，无功电流注入逆变器的AC端口与动态电压恢复器DVR的B端口并联，直流母线支撑电容设在无功电流注入逆变器的DC端口；所述的H桥逆变器、无功电流注入逆变器和有功功率释放电路的工作状态均由控制器发出的控制信号控制。
2.    根据权利要求1所述的基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置，其特征在于，所述的C端口分别为三个H桥逆变器输出侧的独立端口，或为三个H桥逆变器输出侧并联后形成的一个公用端口。
3.根据权利要求1或2所述的基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置，其特征在于，所述的DVR每相H桥逆变器滤波器输入侧分别以串联的方式连接在风力发电机组输出端与电网之间，或在风力发电机输出端和电网之间分别串接一个隔离变压器，每个滤波器的输入侧分别通过对应的隔离变压器串接在主回路中。
4.根据权利要求3所述的基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置，其特征在于，在风力发电机低电压穿越支撑装置中还设有与动态电压恢复器DVR并联的快速开关GK，所述的快速开关GK含有三个独立单元，它们分别与动态电压恢复器DVR的三个独立工作单元对应。
5.根据权利要求4所述的基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置，其特征在于，所述的快速开关GK是由功率双向开关KG与强制关断电路组成。
6.根据权利要求3所述的基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置，其特征在于，所述的有功功率释放电路为设在动态电压恢复器DVR中C端口的直流卸荷单元DBU（DC Brake Unit），或设在动态电压恢复器DVR中A端口侧的定子Crowbar电路，所述的定子Crowbar电路设有AC端口和DC端口，定子Crowbar电路的AC端口与动态电压恢复器DVR的A端口连接。
7.根据权利要求6所述的基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置，其特征在于，所述的负载侧的直流卸荷单元DBU为三个独立的DBU1、DBU2、DBU3，它们分别设在对应H桥逆变器单元输出侧的独立CA、CB、CC端口；或为一个公用的DBU，它设在三个独立的H桥逆变器单元直流侧并联后的共用C端口。
8.根据权利要求6所述的基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置，其特征在于，所述的设在动态电压恢复器DVR中A端口侧的定子Crowbar电路为含有直流卸荷单元DBU的定子Crowbar电路；或含功率双向开关KG和交流均衡卸荷电阻的定子Crowbar电路。
9.根据权利要求5或8所述的基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置，其特征在于，所述的功率双向开关KG为SCR   或IGBT或其他可控关断的功率开关器件。
10.根据权利要求6所述的基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置，其特征在于，无功电流注入逆变器DC端口的直流母线电容与动态电压恢复器DVR中C端口的直流卸荷单元DBU直流母线连接，或无功电流注入逆变器DC端口与定子Crowbar电路设有的DC端口连接。
11.根据权利要求1或2所述的基于DVR的风力发电机组低电压穿越支撑装置，其特征在于，所述的风力发电机组为恒速恒频异步风力发电机组，或有限变速异步风力发电机组、变速恒频双馈发风力发电机组，或变速恒频直驱风力发电机组。
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