CN102790406A

CN102790406A - 具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器

Info

Publication number: CN102790406A
Application number: CN2012102781020A
Authority: CN
Inventors: 王中; 廖恩荣; 黄晓辉; 李志国; 辛志远
Original assignee: NANJING JUNENG ELECTRIC CONTROL AUTOMATION EQUIPMENT MANUFACTURING Co Ltd
Current assignee: Nanjing High Accurate Drive Electromechanical Automation Equipment Co Ltd
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-08-07
Also published as: CN102790406B

Abstract

本发明涉及一种新颖的具备完美可靠低电压穿越能力的双馈变流器，所述的双馈变流器由快速并网开关GK、直流卸荷单元DBU、定子Crowbar、辅助供电电源快速切换单元APS、网侧功率模块GSC、转子侧功率模块RSC、并网断路器K1及控制器KZQ等。这种双馈变流器设有A端口、B端口、C端口和D端口，其中A端口与双馈风力发电机定子连接，B端口与电网连接，C端口与双馈发电机转子连接，D端口与双馈发电机组的主控系统供电电源连接；定子Crowbar的AC端与双馈发电机定子连接，直流卸荷单元与GSC和RSC的公共直流母线连接；双馈变流器各部分的工作状态均由控制器KZQ发出的信号控制。

Description

具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器

技术领域

本发明设计一种具备完美低电压穿越功能的双馈风力发电机组变流器的装置和控制方法，适用于双馈风力发电机组。

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。

如附图1所示，目前市场上绝大多数的双馈变流器目前可以通过在转子侧加入有源Crowbar(Active Crowbar)或直流母线加Chopper来使其具备LVRT能力，存在以下缺点：一是控制比较复杂，穿越过程中需要从电网吸收无功功率，风场电压在恢复时存在的高电压仍会使双馈变流器故障脱网，特别在风场电压不对称跌落时不容易顺利穿越。二是这种方案还需要风力发电机组主控系统和变桨系统的密切配合，要实现整个机组的低电压顺利穿越是一件很复杂的事情。三是这种方案在电网电压跌落会对机械传动系统造成较大的转矩冲击和震荡，影响机械部分的使用寿命甚至导致损坏。因此设计一种能够保证双馈风力发电机组能够在任何电压跌落情况下都能够顺利穿越的双馈变流器，对于电网和机组的稳定运行有着十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前传统双馈变流器在电网电压跌落进行低电压穿越时冲击转矩大、可靠性差等问题，提供一种新颖的使双馈风电机组具有完美低电压穿越能力的双馈变流器和其控制方法,适用于各种双馈发电机组。

本发明是这样实现的：一种具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，其特征在于，包括定子侧Crowbar SC、PWM整流功率模块GSC、机侧逆变功率模块RSC、直流卸荷单元DBU、并网断路器K1、并网快速开关GK、辅助电源供电切换单元APS和控制器KZQ，所述的辅助电源供电切换单元APS由两个三相双向交流开关AW组成；

双馈变流器设有A端口、B端口、C端口、D端口，其中A端口直接与双馈发电机的定子连接，B端口直接与电网连接，C端口直接与双馈发电机的转子连接， D端口与双馈风力发电机组的主控系统的供电电源接口连接；

定子侧Crowbar SC、辅助电源供电切换单元APS的一端以及并网快速开关GK的一端通过A端口直接与双馈发电机的定子连接；辅助电源供电切换单元APS的另一端由B端口与电网侧连接，辅助电源供电切换单元APS中两个三相双向交流开关AW的之间的D端口与双馈发电机组的主控系统供电电源连接；PWM整流功率模块GSC的交流侧与通过B端口与电网连接，机侧逆变功率模块RSC的交流侧由C端口与双馈发电机的转子连接，PWM整流功率模块GSC与机侧逆变功率模块RSC之间为公共直流母线，直流卸荷单元DBU位于公共直流母线上；并网快速开关GK 和网断路器K1串接在A端口与B端口之间；

所述的定子侧Crowbar SC、PWM整流功率模块GSC和机侧逆变功率模块RSC、直流卸荷单元DBU、并网断路器K1、并网快速开关GK、辅助电源供电切换单元APS的工作状态均受控于控制器KZQ。

在本发明中，并网快速开关GK包括晶闸管或其他功率器件组合后的双向交流开关DW，配有快速关断电路，通过控制器KZQ进行电流检测和保护，所述的快速关断电路由可控硅、电感和电容组成，其中，由可控硅与电容串联支路再与电感串联形成快速关断电路，或由可控硅组成桥式整流电路，输出端与串联的电感电容连接后形成快速关断电路。

在本发明中，定子侧Crowbar SC采用三相双向可控硅或其他功率器件构成的双向交流开关DW与功率电阻R组成；或采用三相不控整流桥ZL与直流卸荷单元DBU组成；或采用上述两种结构的复合形式。

在本发明中，所述的直流卸荷单元DBU由IGBT模块与功率电阻R组成，所述的直流卸荷单元DBU同时连接在GSC和RSC的直流母线正负极之间。

在本发明中，所述辅助电源供电切换单元APS的三相双向交流开关AW采用电气开关或由功率半导体构成的三相STS。

在本发明中，所述的电气开关为电磁开关或由伺服电机控制的机械开关。

本发明的工作原理是：当电网正常工作时，并网前禁止使能定子侧Crowbar，启动网侧变流器GSC和转子侧变流器RSC后，先合上并网断路器K1，且将辅助供电电源切换单元APS的输入端电源切换到电网供电，双馈变流器处于定子电压并网控制模式。当控制并网断路器两侧的定子电压幅值、频率、相位与电网电压一致时合上快速并网开关GK，此时双馈变流器进入并网功率控制模式。并网稳定一段时间后将辅助供电电源切换单元APS的输入端电源切换至定子侧供电。

当电网电压发生跌落故障时，双馈变流器控制器KZQ将快速检测到电网电压跌落，在1ms内立即切断快速并网开关GK，使电网故障和双馈发电机隔离，转子侧RSC控制策略将快速切换为定子电压控制模式，使定子电压的幅值和电网电压跌落前相同，频率及相位跟随当前电网电压的变化，由于辅助供电电源切换单元APS输入电源已经为定子侧供电，所以在电网电压跌落时主控系统、变桨系统、偏航系统的供电电压仍保持正常，不受外部电网电压影响。同时网侧变流器GSC将根据跌落程度发出一定大小的无功电流，支持电网电压快速恢复。定子侧Crowbar的控制将根据主控下发的功率命令进行控制，使传动链不受任何冲击，传输的功率保持平稳变化。当电网电压恢复时，双馈变流器控制器KZQ检测到电网电压恢复到正常时，禁止定子侧Crowbar。转子侧变流器RSC控制定子电压与当前电网的幅值、频率、相位一致后，合上快速并网开关GK，转子侧变流器RSC控制模式由定子电压控制模式切换为并网功率控制模式，风力发电机组的有功功率可以快速恢复到跌落前的正常水平。

按照我国颁布的风电场接入电力系统技术规定（Q/GDW 392-2009），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。双馈变流器会记录故障的持续时间，如果持续时间超过3s，双馈变流器将停止运行，同时风力发电机也可以脱网。如果持续时间在3s以内，双馈变流器检测到电压恢复之后，转子侧变流器将使定子电压跟踪电网电压，一旦满足并网条件，双馈变流器将使能并网快速开关GK，同时Crowbar电路迅速退出运行，使风机并入电网的有功功率快速恢复。

在电网电压跌落故障期间，对于风力发电机来讲，根本感受不到电网已经发生故障了，仍然按照之前的工作模式，输出的有功功率保持故障前的数值不变。主控系统和变桨系统仍然按照之前的状态工作，机械传动系统没有任何冲击。在保证可靠穿越的前提下，不仅避免了传动系统的冲击，而且基本不需要修改主控系统和变桨系统程序，大大简化了整个风机系统的设计，提高了低电压穿越过程的可靠性。

采用本发明中的这种双馈变流器之后，双馈风力发电系统将具有以下优点：完美的低电压穿越能力和高电压穿越能力，包含零电压跌落和电网跳闸等在内的对称及不对称故障均能可靠穿越；

本发明的主要优点还在于：对双馈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较大的改动，能快速实现双馈风力发电机组的低电压穿越能力；故障后，风力发电机组能够很快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；故障期间主控系统、变桨系统、偏航系统的供电电源不会中断，不会引起报警等引起机组停机动作。

综前所述，采用附图2所示的双馈变流器结构，除了可以使双馈风力发电机组具备完美的低电压穿越能力外，还具有结构简单、避免机械传动系统的冲击、可靠性高等优点，非常适合变速恒频双馈风力发电机组。

附图说明

图1 是传统双馈变流器结构示意图；

图2 本发明实施例涉及的具备可靠低电压穿越功能的双馈变流器结构示意图；

图3 是本发明实施例中快速并网开关装置GK的一种结构示意图；

图4 是本发明实施例中快速并网开关装置GK的另一种结构示意图；

图5 是本发明实施例中定子侧Crowbar的第一种结构示意图；

图6 是本发明实施例中定子侧Crowbar的第二种结构示意图；

图7 是本发明实施例中定子侧Crowbar的第三种结构示意图；

图8 是本发明实施例中辅助供电电源快速切换单元APS的结构示意图。

附图2给出了这种具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器的结构示意图，适合于各种类型的双馈风力发电机组。附图3、图4给出了这种双馈变流器结构中重要的支持可靠低电压穿越能力的快速并网开关GK的两种形式。附图5、6、7给出了定子侧Crowbar SC的三种不同形式。附图8是辅助供电电源快速切换单元APS的结构图。这种新的双馈变流器所带来的优点在这些结构图中都可以体现出来。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明实施例的具体结构，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

以图2为例，说明这种新的双馈变流器的具体实施方式。

图2在目前的常见传统的双馈变流器上加入了快速并网开关GK、定子侧Crowbar、辅助供电电源快速切换单元APS等，其电网正常情况下的控制策略和普通双馈变流器一样，不同的是电网故障时的控制策略与现有的变流器有些区别，其算法简单可靠。

本发明的整个工作过程如下：当电网正常工作时，并网前禁止使能定子侧Crowbar SC，启动网侧变流器GSC和转子侧变流器RSC后，控制器KZQ先合上并网断路器K1，且将辅助供电电源切换单元APS的输入端电源切换到电网供电，双馈变流器处于定子电压并网控制模式。当控制并网断路器两侧的定子电压幅值、频率、相位与电网电压一致时合上快速并网开关GK，此时双馈变流器进入并网功率控制模式。并网稳定一段时间后将辅助供电电源切换单元APS的输入端电源切换至定子侧供电。

当电网电压发生跌落故障时，双馈变流器控制器KZQ将快速检测到电网电压跌落，在1ms内立即切断快速并网开关GK，使电网故障和双馈发电机隔离，转子侧RSC控制策略将快速切换为定子电压控制模式，使定子电压的幅值和电网电压跌落前相同，频率及相位跟随当前电网电压的变化，由于辅助供电电源切换单元APS输入电源已经为定子侧供电，所以在电网电压跌落时主控系统、变桨系统、偏航系统的供电电压仍保持正常，不受外部电网电压影响。同时网侧变流器GSC将根据跌落程度发出一定大小的无功电流，支持电网电压快速恢复。定子侧Crowbar的控制将根据主控下发的功率命令进行控制，使传动链不受任何冲击，传输的功率保持平稳变化。当电网电压恢复时，双馈变流器检测到电网电压恢复到正常时，禁止定子侧Crowbar。转子侧变流器RSC控制定子电压与当前电网的幅值、频率、相位一致后，合上快速并网开关GK，转子侧变流器RSC控制模式由定子电压控制模式切换为并网功率控制模式，风力发电机组的有功功率可以快速恢复到跌落前的正常水平。

图2中的快速并网开关GK由双向交流开关DW、三相关断电路、触发控制电路等组成，其中强制关断电路均为三相独立关断电路，每相强制关断电路由电感、可控硅和电容组成，利用电容上的反向电压施加在导通的晶闸管上来实现强制快速关断的目的。当电网电压跌落深度超过容许范围时，主控制器启动强制关断电路关断可控硅，关断时间大约为1ms，使双馈发电机与电网故障分离，避免了双馈发电机定子侧及转子侧的电磁暂态过程。转子侧变流器RSC从功率控制模式切换到定子电压控制模式，使其定子电压为电网正常工作时的电压，这一过程可以在1ms左右完成。

强制关断电路有两种不同的结构形式：一种如图3所示，各相关断电路Qa、Qb、Qc均采用一个电容和电感以及单相可控硅全桥组成，直接与快速开关的两端并联，施加在快速开关的晶闸管上反压的方向由单相可控硅桥来实现切换。这种方案的优点是电容数量少；另一种如图4所示，每相关断电路Qa1、Qb1、Qc1均由两个相反电压的电容和一个电感及可控硅组成，反压方向不需要通过可控硅桥来切换,只需要通过可控硅导通来选择相应电压方向的电容便可以在导通的快速开关晶闸管两端施加反压而使之关断。这种方案的优点是可控硅的数量较少。

图2中所述的定子侧Crowbar在电网正常时定子侧Crowbar将一直处于禁止模式，在电网电压故障期间，定子侧Crowbar的控制将根据主控下发的功率给定值来进行。定子侧Crowbar电路提供风力发电机组有功功率的释放通道，网侧变频器GSC提供支持电网电压恢复所需要的无功功率。定子Crowbar以保持双馈风力发电机组的有功功率平稳变化为控制目标。可以采用以下三种结构形式：

在图5中第一种结构中以控制双向交流开关DW的通断来控制功率电阻R所吸收的功率；控制器KZQ通过控制双向交流开关DW的导通角来实现功率电阻所消耗的功率。三相双向交流开关DW由SCR、IGBT等可关断半导体器件组成，并与A端口连接。

在图6中第二种结构中是由A端口的交流经过不控整流后通过直流Chopper单元DBU来实现风机有功功率的消耗。直流Chopper单元DBU由IGBT与功率电阻R串联组成。直流Chopper单元DBU以PWM方式控制IGBT的开关，改变等效电阻的大小。当主控下发的有功功率给定变大时，PWM占空比增大，等效电阻变小，DBU电路吸收的功率增大；当主控下发的有功功率给定变小时，PWM占空比减小，等效电阻变大，DBU电路吸收的功率减小。因此故障期间通过控制DBU电路的占空比达到双馈风力发电机组有功功率的平衡。DBU单元的功率电阻R需要根据风机的功率和故障穿越的时间要求来选取。这种结构的定子侧Crowbar的A端口通过阻容滤波电路滤除PWM变频器产生的开关谐波，使得输出电压的THD满足风力发电机工作的要求，由于不控整流桥在工作的过程中会产生谐波电流，从频谱上看，主要是5、7、11、13等奇次谐波，这些谐波会影响双馈变流器输出的电压质量，因此本实例中还可以加入滤波器LB来滤除。另外该结构的定子Crowbar公共直流母线端口还可以与网侧变流器GSC和机侧变流器RSC之间的公共直流母线相连接以防止直流母线电压过低。

附图7中第三种结构是第一种和第二种结构的叠加，是前两种的混合形式，不再描述。

图2中的辅助供电电源快速切换单元APS是为了保证电网电压跌落器件保持主控系统和变桨系统等供电电源保持稳定，如图8所示，APS的输入与A端口和B端口连接，输出为D端口，D端口为主控系统、变桨系统等供电电源端口。APS是由双向交流开关AW组成，其中双向交流开关AW有两种不同的形式，第一种形式是基于接触器或断路器等机械开关组成，其控制简单，价格便宜。第二种形式是采用晶闸管等功率器件组成的静态转换开关STS，其优点是自动切换，不需要外部控制。

在双馈风力发电机组并网之前，辅助供电电源切换至电网提供。并网之后辅助供电电源切换至双馈发电机定子侧提供，电网故障时由于定子电压保持不变，所以辅助供电单元的输出电压仍然保持不变，主控系统、变桨系统、偏航系统等供电电压在电网故障时仍可以保持不变，避免了发生报警造成系统停机。

Claims

1.一种具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，其特征在于，包括定子侧Crowbar SC、PWM整流功率模块GSC、机侧逆变功率模块RSC、直流卸荷单元DBU、并网断路器K1、并网快速开关GK、辅助电源供电切换单元APS和控制器KZQ，所述的辅助电源供电切换单元APS由两个三相双向交流开关AW组成；

2.根据权利要求1所述的具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，其特征在于，并网快速开关GK包括晶闸管或其他功率器件组合后的双向交流开关DW，配有快速关断电路，通过控制器KZQ进行电流检测和保护，所述的快速关断电路由可控硅、电感和电容组成，其中，由可控硅与电容串联支路再与电感串联形成快速关断电路，或由可控硅组成桥式整流电路，输出端与串联的电感电容连接后形成快速关断电路。

3.根据权利要求1所述的具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，其特征在于，定子侧Crowbar SC采用三相双向可控硅或其他功率器件构成的双向交流开关DW与功率电阻R组成；或采用三相不控整流桥ZL与直流卸荷单元DBU组成；或采用上述两种结构的复合形式。

4.根据权利要求1~3之一所述的具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，其特征在于，所述的直流卸荷单元DBU由IGBT模块与功率电阻R组成，所述的直流卸荷单元DBU同时连接在GSC和RSC的直流母线正负极之间。

5.根据权利要求1所述的具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，其特征在于，所述辅助电源供电切换单元APS的三相双向交流开关AW采用电气开关或由功率半导体构成的三相STS。

6.根据权利要求5所述的具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，其特征在于，所述的电气开关为电磁开关或由伺服电机控制的机械开关。