CN102646991B - 用于双馈式风力发电机组低电压穿越的开关和动态电阻 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于双馈式风力发电机组低电压穿越的开关和动态电阻。它包括双馈式风力发电机组，双馈式风力发电机组的转子与转子变流器联接，同时转子还并联有撬棒电阻，定子则直接与电网联接，从而构成撬棒电阻低电压穿越控制拓扑结构，在双馈式风力发电机组的转子绕组和定子绕组上分别加设三个开关，三个动态电阻。它可以保证系统控制效果可行性的同时，使转子变流器的电压等级不提高，节约了系统的成本。
Description
技术领域
本发明属于风力发电机组低电压穿越控制领域，特别是用于双馈式风力发电机组低电压穿越的开关和动态电阻。
技术背景
近年来，风能因为具有清洁和经济的优点，受到越来越多的关注。随着风力发电及其控制技术的不断发展，风力发电机组的容量占整个电网的容量的比例呈现上升趋势。为了防止在故障期间电网因为风力发电机大量切出电网而出现不稳定现象，现在的电网都要求风力发电机组具有低电压穿越能力。低电压穿越是指风力发电机组在电网出现短路故障的情况下，不切出电网而依然保持运行，并按要求向电网提供一定功率的能力。
在各种类型的风力发电机中，双馈式风力发电机受到较多的青睐，这是因为一方面双馈式风力发电机允许转子变速运动，也就是说，此种类型的电机可以根据风速的大小调节转子的速度以使风能转化的效率最高；另一方面，双馈式风力发电机的变流器和转子相连，不是和定子相连，这使双馈式风力发电机的变流器的容量可以是电机系统容量的一部分，即节约了成本。但是对于双馈式风力发电机组，当定子端口的电压突然降低时，转子变流器很容易因为转子出现的过电流或过电压而受到损害。因此为了使双馈式风力发电机组具有低电压穿越能力，必须采取相应的控制策略。
对于双馈式风力发电机组，常用的低电压穿越控制技术可以分为两类：1，在不增加额外硬件的条件下控制系统的某些部件(Dawei Xiang, Li Ran, Peter J. Tavner, et.al., Control of a doubly fed induction generator in a wind turbine during grid fault ride-through, IEEE transactions on energy conversion, Vol. 21, No. 3, Sep. 2006; Lie Xu, Yi Wang, Dynamic modeling and control of DFIG-based wind turbines under unbalanced network conditions, IEEE transactions on power systems, Vol. 22, No. 1, Feb. 2007.)，如转子变流器或风机叶片；2，增加额外的硬件，如电压补偿装置(Patrick S. Flannery, Giri Venkataramanan, A fault tolerant doubly fed induction generator wind turbine using a parallel grid side rectifier and series grid side converter, IEEE transactions on power electronics, Vol. 23, No. 3, May. 2008; Christian Wessels, Fabian Gebhardt, Friedrich Willhelm Fuchs, Fault ride-through of a DFIG wind turbine using a dynamic voltage restorer during symmetrical and asymmetrical grid faults, IEEE transactions on power systems, Vol. 26, No. 3, Mar. 2011.)、功率补偿装置(K. E. Okedu, S. M. Muyeen, Rion Takahashi, et.al., Participation of facts in stabilizing DFIG with crowbar during grid fault based on grid codes, IEEE conference and exhibition, Dubai, Feb. 2011.)、电阻（Graham Pannell, David J.Atkinson, Bashar Zahawi, Mimimum-threhold crowbar for a fault-ride-through grid-code-compliant DFIG wind turbine, IEEE transactions on energy conversion, Vol. 25, No. 3, Sep. 2008; J. Yang, E. Fletcher, J. O. Reilly, A series dynamic resistor based converter protection schemes for doubly fed induction generator during various fault conditions, IEEE transactions on energy conversion, Vol. 25, No. 2, Jun. 2010）。
对于以上的低电压穿越控制策略，在转子上加入撬棒电阻的低电压策略具有结构简单，经济性好的优点，但也有不足和需要提高之处。当撬棒电组在低电压穿越阶段接入转子电路以抑制转子电流时，撬棒电阻的端口会出现较大的电压，而撬棒电阻的端口和转子变流器是相连的，因此必须提高转子变流器的电压等级，这便会提高系统的成本。另一方面，转子加入的撬棒电阻可以加快转子电流直流分量的衰减，但对暂态期间转子电流交流分量的大小的影响极小。
发明内容
为了提高普通撬棒电阻低电压穿越技术的有效性和减少其成本，本发明在普通撬棒电阻低电压穿越控制拓扑结构的基础上，提出了一种用于双馈式风力发电机组低电压穿越的开关和动态电阻。
本发明的技术方案如下：
一种用于双馈式风力发电机组低电压穿越的开关和动态电阻，它包括双馈式风力发电机组，双馈式风力发电机组的转子与转子变流器联接，同时转子还并联有撬棒电阻，定子则直接与电网联接，从而构成撬棒电阻低电压穿越控制拓扑结构，在双馈式风力发电机组的转子绕组和定子绕组上分别加设三个开关，三个动态电阻。
所述各开关串联放置在转子变流器和双馈式风力发电机组转子绕组的中间，位置处于转子变流器和撬棒电阻的接入点之间；所述动态电阻串联在定子上。
所述的开关由双向可控硅组成；所述的每个动态电阻由双向可控硅和电阻并联组成。
所述的开关和动态电阻具有以下两种工作模式：
系统正常运行时的工作模式：开关的双向可控硅导通，转子变流器和转子绕组保持连接，动态电阻的双向可控硅导通，定子电流经过双向可控硅，不经过电阻；
双馈式风力发电机定子端口突然出现低电压时的工作模式：在转子撬棒电阻接入后，开关的双向可控硅断开，使转子变流器和转子绕组断开，同时，动态电阻的双向可控硅断开，定子电流经过电阻，不经过双向可控硅。
本发明的优点是：
撬棒电阻和动态电阻的共同作用将加快转子故障电流的衰减，降低最大故障电流，缩短电机暂态时间。当双馈式风力发电机定子端口出现低电压时，转子和定子的故障电流主要含两种分量：直流分量和交流分量。其中，转子直流分量对应于定子交流分量，转子交流分量对应于定子直流分量。普通撬棒电阻的作用是加快转子直流分量的衰减，但暂态期间对转子交流分量的衰减的影响极小。电网故障期间，在定子加入电阻后，此电阻会加快定子直流分量和转子交流分量的衰减，原因是转子交流分量和定子直流分量的时间常数与定子电阻的大小成反比。因此撬棒电阻和动态电阻的共同作用将加快故障电流各分量的衰减。
在撬棒电阻接入系统后，本发明提出的开关打开，使转子变流器免于受到撬棒电阻端口出现的高电压的影响，即可以保证系统控制效果可行性的同时，使转子变流器的电压等级不提高，也就节约了系统的成本。
附图说明
图1是普通撬棒电阻低电压穿越的拓扑结构；
图2是本发明提出的低电压穿越方法的拓扑结构；
图3 两种低电压穿越策略对应的转子电流。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图2中，本发明用于双馈式风力发电机组低电压穿越的开关和动态电阻，是在普通撬棒电阻低电压穿越控制拓扑结构的基础上，在转子绕组和定子绕组上分别加上三个开关（图2中的A1,A2和A3），三个动态电阻（图2中的B1,B2和B3）。动态电阻由双向可控硅开关和电阻并联组成。
本发明具有以下两种工作方式：
当电网电压正常时，双向可控硅开关 A1,A2和A3闭合， 转子变流器和转子绕组相连；动态电阻B1,B2和B3的双向可控硅闭合，定子电流经过双向可控硅，不经过电阻。
当电网电压突然降低时，系统检测到转子电流增大到某一设定值，撬棒开关闭合，撬棒电阻接入转子电路。当接收到撬棒接入系统的信号后，系统发出指令，使双向可控硅开关 A1,A2和A3和动态电阻B1,B2和B3的双向可控硅断开，此时转子变流器和转子绕组断开，且定子电流经过电阻，不经过双向可控硅。
系统处于暂态期间，定子中串联电阻的目的是加快系统暂态分量的衰减。转子中串联开关的作用是使转子变流器免于受到撬棒电阻端口暂态电压的影响。
Claims (1)
1. 一种用于双馈式风力发电机组低电压穿越的开关和动态电阻，它包括双馈式风力发电机组，双馈式风力发电机组的转子与转子变流器联接，同时转子还并联有撬棒电阻，定子则直接与电网联接，从而构成撬棒电阻低电压穿越控制拓扑结构，其特征是，在双馈式风力发电机组的转子绕组加设三个开关，定子绕组上加设三个动态电阻；
所述各开关串联放置在转子变流器和双馈式风力发电机组转子绕组的中间，位置处于转子变流器和撬棒电阻的接入点之间；所述动态电阻串联在定子上；
所述的开关由双向可控硅组成；所述的每个动态电阻由双向可控硅和电阻并联组成；
所述的开关和动态电阻具有以下两种工作模式：
系统正常运行时的工作模式：开关的双向可控硅导通，转子变流器和转子绕组保持连接，动态电阻的双向可控硅导通，定子电流经过双向可控硅，不经过电阻；
双馈式风力发电机定子端口突然出现低电压时的工作模式：在转子撬棒电阻接入后，开关的双向可控硅断开，使转子变流器和转子绕组断开，同时，动态电阻的双向可控硅断开，定子电流经过电阻，不经过双向可控硅。
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