CN102709942B - 一种风电场低电压穿越装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风电场低电压穿越装置，包括风电场、电抗器、二极管、可调电压源、断路开关和电网系统；可调电压源与电抗器串联后与二极管并联，构成一组故障电流限制电路；两组所述故障电流限制电路串联后，一端与所述风电场连接，另一端通过断路开关与电网系统连接。本发明成本低，易于实现。在实现低电压穿越功能的同时，增加了短路电流限制能力；本发明串联限流电抗器的无延时投入，可避免因风电场内部短路引发的风电大面积脱网事故的发生。本发明对单元机组的控制特性要求低，并且本发明电力电子阀串采用成本低、通流能力大、短时过载能力强的二极管组串，降低系统成本。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风电场低电压穿越装置及其控制方法。
背景技术
现有的风电场低电压穿越技术研究主要集中在：1、提高风电机组的低电压穿越能力以及在穿越期间的无功支撑能力（改善系统稳定性）；2、采用包括静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）等在内的快速动态无功补偿装置，在电网电压跌落期间帮助风电机组恢复机端电压，在电压故障恢复后抑制过电压，以达到提高风电场的故障穿越能力；3、通过增加包括并联电阻、串联电阻等有功消耗设备对有功功率进行调节，吸收过剩有功功率而不消耗无功功率，以提高风电场的低电压穿越能力。
目前，针对现有风电机组，要提高风电机组的低电压穿越能力，必须对其进行技术改造。例如，针对双馈式风电机组需在其变流器中增加交流侧主动式Crowbar及直流侧Chopper（或称DBR动态刹车电阻）；对于直驱式风电机组，需在其变流器中增加直流侧大功率Chopper；对于异步型风电机组（定桨距或变桨距型），需增加大容量快速无功补偿装置。
由于近年来风电的飞速发展，风电机组的整机厂商、变流器供应商众多，技术水平参差不齐，在短期内改造的实施难度巨大，特别是以异步型风电机组构成的风电场技术改造工作更是非常艰巨。因此，从风电场的整体出发进行技术改造是实现风电场低电压穿越最便捷有效的途径。
采用SVC、STATCOM等快速动态无功补偿装置虽然有助于提高风电场的低电压穿越能力，然而在实际应用中所需的容量巨大，经济性较差，同时也无法彻底解决风电场的低电压穿越问题。
目前，有学者研究在异步型风电机组出口串联电阻的解决方案，在未发生电压跌落时，通过旁路开关短接电阻，在电网故障时刻，旁路开关断开，将串联电阻串入异步型风电机组与电网接入点之间。一方面电阻有一定的限流能力，更为重要的是它可以增大机组送出的线路电阻，一定程度上减少机组电磁功率的衰减，延缓转速的上升，同时在电网故障清除后有助于机端电压和电网连接点的电压恢复过程。这种方法的问题在于，串联电阻的旁路开关只能选择机械开关（如中高压断路器）或可控电力电子开关（如双向可控硅高压阀串）。由于机械开关的动作速度较慢（不考虑检测与控制的时间，也需约40毫秒至100毫秒左右），而电网发生电压故障时刻，异步型风电机组的无功电流瞬时即可达到机组额定的十倍以上，对断路器的安全分断带来极大的困难。而采用可控电力电子开关的经济性和安全性又较差（双向可控硅高压阀串也需分断数倍额定电流）。基于上述原因，这种方法在实际中未见应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种风电场低电压穿越装置及其控制方法，解决了以下三个问题：1、电网故障瞬时风电机组的无功电流（瞬时可超过十倍）限制以及风电场内短路时的故障电流限制；2、电压跌落期间风电场内快速无功补偿以及风电机组电磁功率维持（避免转速快速上升）；3、电网故障清除后的发电机机端电压快速恢复（恢复电磁功率）。
本发明提供的一种风电场低电压穿越装置，包括风电场、电抗器、二极管、可调电压源、断路开关和电网系统；其改进之处在于，
所述可调电压源与所述电抗器串联后与所述二极管并联，构成一组故障电流限制电路；
两组所述故障电流限制电路串联后，一端与所述风电场连接，另一端通过所述断路开关与所述电网系统连接。
其中，所述低电压穿越装置包括并联的机械旁路开关和串联电阻；所述并联的机械旁路开关和串联电阻串联在所述故障电流限制电路与所述断路开关之间。
其中，所述电抗器为限流电抗器，所述限流电抗器包括中压空心限流电抗器。
其中，所述串联电阻包括铁合金电阻或铸铁电阻。
其中，所述可调电压源为低压可调直流源；所述低压可调直流源包括低压大电流可控硅整流器。
本发明基于另一目的提供的一种风电场低电压穿越装置的控制方法，其改进之处在于，当电网系统出现故障时，闭合断路开关，断开机械旁路开关，限流电抗串联在风电场与系统连接点之间，在电流冲击时限制故障电流，断开机械旁路开关，串联电阻接入回路，减少机组电磁功率的衰减和风电机组机端电压和电网连接点电压恢复，从而实现风电场的低电压穿越。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明成本低，易于实现。对于通过单个风电机组的低电压穿越技术改造方案，每台机组的改造费用约30万以上；以安装66台750KW异步型风机的49.5MW典型风电场为例，需增加约2000万的改造费用，改造难度及工程量巨大。采用大容量快速STATCOM的技术改造方案，对于安装66台750KW异步型风机的49.5MW典型风电场来说，动态补偿容量至少需达到风场容量的二分之一以上，至少需增加1500万改造投资，且无法完全达到低电压穿越要求，系统的可靠性也较低。采用本发明提出的装置与方法，技术风险较低，装置所需的所有部件技术成熟，供应渠道多，且成本相对低廉。同时，对一个风电场进行整体改造，实施难度较机组分别改造更低。
本发明对单元机组的控制特性要求低。由于发生故障时刻串联电阻的投入，帮助风电机组抑制其电磁功率的下降，从而对机组变桨控制等机组控制技术的要求大大降低，避免其转速过高而脱网。
本发明在实现低电压穿越功能的同时，增加的短路电流限制能力。
本发明串联限流电抗器的无延时投入，可避免因风电场内部短路引发的风电大面积脱网事故的发生。
本发明电力电子阀串采用成本低、通流能力大、短时过载能力强的二极管组串，降低系统成本。
附图说明
图1为本发明提供的故障电流限制技术示意图。
图2为本发明提供的故障电流限制与风电场低电压穿越结合的技术方案示意图。
图3为本发明提供的故障限流与低电压穿越装置单线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本实施例实现的故障电流限制技术其图如图1所示。可调电压源与电抗器串联后与二极管并联，构成一组故障电流限制电路；两组所述故障电流限制电路串联后，一端与风电场连接，另一端通过断路开关K与电网系统连接。通过可调直流电源，使电抗器中的电流维持一恒定直流值il，反向并联二极管中电流为id，当输入电流iin<il时，iin=il-id，以上电路对输入电流iin不起限流作用；而当iin≧il时，id=0，则iin与电抗器电流相等，相当于在发生故障过流时，瞬时将电抗器串联接入到回路中，风电场与电网系统之间的连接阻抗增加了Xl。
本实施例的风电场低电压穿越装置，包括风电场、电抗器、二极管、可调电压源、断路开关K、电网系统、机械旁路开关K1和串联电阻；可调电压源与电抗器串联后与二极管并联，构成一组故障电流限制电路；两组故障电流限制电路串联后，一端与风电场连接，另一端通过断路开关K与电网系统连接。机械旁路开关K1和串联电阻并联后，串联在故障电流限制电路与断路开关K之间。
本实施例电抗器为限流电抗器，限流电抗器包括中压空心限流电抗器，通过分裂设计，单个电抗器可满足一相限流要求。串联电阻包括铁合金电阻或铸铁电阻。可调电压源为低压可调直流源，低压可调直流源包括低压大电流可控硅整流器（可根据需要选取三相回路或两相回路）。
当电网系统出现故障时，闭合断路开关K，断开机械旁路开关K1，限流电抗瞬时串联在风电场与系统连接点之间，在电流冲击的第一个周波就将故障电流限制住，通过增大串联阻抗，避免风电机组过度吸收无功电流，同时触发串联电阻的旁路开关（低成本机械开关）断开，在约两个周波后，串联电阻接入回路，帮助减少机组电磁功率的衰减和风电机组机端电压和电网连接点电压恢复，从而实现风电场（或同一集电线路风电机组群）的低电压穿越。在电网故障清除后，由于无功补偿为退出等原因，往往引发随之而来的高电压问题，串联的电抗和电阻上又可以承担部分电压降，帮助风电场实现高电压穿越。
风电场的交流短路电流限制回路通过串联的两组所述故障电流限制电路实现。针对风电场35kV集电线路的具体并网容量，选取合适的限流电抗值，通过与升压站主变的短路电抗配合，将故障电流限制在合理范围内，从而一方面避免了风电场内部发生短路时对系统的电流冲击，另一方面也限制了当发生系统电压故障时因风电场内电压过度跌落造成的风电机组，特别是异步型风电机组的机端电压损失。
本实施例故障限流与低电压穿越装置的硬件单线连接图如图3所示，其中，每个二极管阀串中的二极管个数由具体应用确定。限流电抗器长期运行电流为该线路的额定电流1.2倍，通过限流电抗值的选取，可将短路故障电流或电网发生电压故障时刻从系统吸收的无功电流限制至一定范围内（考虑最恶劣工况，即该集电线路短路，按照低电压穿越曲线进行短时限流设计）。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种风电场低电压穿越装置，包括风电场、电抗器、二极管、可调电压源、断路开关和电网系统；其特征在于，
所述可调电压源与所述电抗器串联后与所述二极管并联，构成一组故障电流限制电路；
两组所述故障电流限制电路串联后，一端与所述风电场连接，另一端通过所述断路开关与所述电网系统连接；
所述低电压穿越装置包括并联的机械旁路开关和电阻；所述并联的机械旁路开关和电阻串联在所述故障电流限制电路与所述断路开关之间；
所述电抗器为限流电抗器，所述限流电抗器包括中压空心限流电抗器；
所述串联电阻包括铁合金电阻或铸铁电阻；
所述可调电压源为低压可调直流源；所述低压可调直流源包括低压大电流可控硅整流器；基于一种风电场低电压穿越装置的控制过程如下：当电网系统出现故障时，闭合断开关，断开机械旁路开关，限流电抗串联在风电场与系统连接点之间，在电流冲击时限制故障电流，断开机械旁路开关，电阻接入回路，减少机组电磁功率的衰减和风电机组机端电压和电网连接点电压恢复，从而实现风电场的低电压穿越。
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