CN103078350A

CN103078350A - 阻容式转子撬棒

Info

Publication number: CN103078350A
Application number: CN2013100651402A
Authority: CN
Inventors: 王晓兰; 王惠中; 鲜龙
Original assignee: Lanzhou University of Technology
Current assignee: Lanzhou University of Technology
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: CN103078350B

Abstract

阻容式转子撬棒，包括RC电路1、交流开关2、控制电路3和检测电路4，RC电路1的一端与交流开关2相连，另一端互相连接构成三相短接，交流开关的另一端与DFIG6的转子绕组相连，交流开关的通、断控制信号来自控制电路3，控制电路3与检测电路4相连。RC电路1由三组电阻和电容的组合构成，每组内部为电阻和电容的并联连接。

Description

阻容式转子撬棒

技术领域

本发明涉及双馈风力发电系统低电压穿越技术领域，尤其涉及双馈风力发电系统对电网电压跌落的快速响应及补偿。

背景技术

随着风力发电技术的快高速发展，风电在电力系统中的比重越来越大。双馈感应发电机（DFIG）是目前风电场应用的主要机型，这种型式的风力发电机组并网过程中，DFIG的定子绕组直接与电网联接，电网的故障直接影响机组的运行安全。如常见的电网侧短路故障，直接导致DFIG定子侧电压的大幅度跌落，并通过电磁耦合在转子侧产生过电流，对机侧变流器的安全构成严重的威胁。另一方面，随着以DFIG为主要机型的并网风电场容量的不断提升，如果在电网故障时，机组出于自身保护的目的，使DFIG机组直接脱网，将对电网的稳定运行带来严重影响。

为了解决以上两方面的问题，通常使用的方案是在转子侧加入电阻构成的撬棒电路，即电阻式撬棒，在故障期间，将DFIG转子绕组通过电阻式撬棒短接，以限制转子侧的过电流，并保护转子侧变流器，附图1为现有的含电阻容式撬棒电路的DFIG风电机组拓扑结构。另一种方案是，在电网故障期间，在定子侧投入SVC装置，向电网发出无功功率以稳定电网点电压，使DFIG在电网故障期间保持不脱网运行，即实现机组在电网电压降低时的低电压穿越。

尽管以上的方法在一定程度上能够解决上述的问题，但也存在较大的缺陷。一方面，电阻式撬棒的投切会对机侧变流器和DFIG的转子造成较大的暂态冲击，影响机组的稳定运行。另一方面，在一定范围内，SVC发出无功功率的大小是和其投入端的电压成正比的，当电网电压瞬间跌落至较低的值时，SVC能发出的无功功率很小；而当电网电压逐渐恢复至正常值时，SVC发出的无功功率又很大。实际上，为了能够迅速地响应电网故障，并尽快地补偿跌落的电压，希望在电网电压跌落的瞬间能够发出较大的无功功率，而在电网电压逐渐恢复至正常值时发出较小的无功功率。因此，应用SVC并不能完全解决机组在电网故障时的低电压穿越问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种阻容式转子撬棒。

本发明是阻容式转子撬棒，包括RC电路1、交流开关2、控制电路3和检测电路4，RC电路1由三组电阻和电容的组合构成，每组内部为电阻和电容的并联连接，分别为第一电阻R1和第一电容C1，第二电阻R2和第二电容C2，第三电阻R3和第三电容C3，三组构成三相组合形式；RC电路1的一端与交流开关2相连，另一端互相连接构成三相短接，交流开关2的另一端与DFIG 6的转子绕组相连，交流开关的通、断控制信号来自控制电路3，控制电路3与检测电路4相连；交流开关2的开、断由控制电路3控制；当交流开关2开通时，RC电路1与DFIG 6的转子绕组接通，当交流开关2关断时，RC电路1与DFIG 6的转子绕组断开。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：提高DFIG风力发电系统的低电压穿越能力。首先当检测电路检测到电网电压跌落时，投入RC电路1，利用DFIG在故障期间转子侧电压升高的这一特点，使得RC电路1发出较大的无功功率，快速地补偿定子侧跌落的电压。而当电网电压恢复到较高值时，定子侧发出较小的无功功率。这主要是运用了DFIG自身的特性和RC电路1的相互作用，解决了电网电压跌落期间所需要较大无功功率，而电网电压恢复期间需较小无功功率的难题。这恰恰是背景技术所提及的希望之情况，从而克服了背景技术的缺陷，实现了定子侧电压的快速补偿。

其次，再来分析RC电路1对DFIG转子侧的影响，背景技术中的电阻式转子撬棒，利用电阻耗能的原理抑制转子侧的过电流。从能量传递的角度来分析，也就是将转子侧过多的能量消耗在电阻上，通过电阻达到泄流的目的。而本发明中的阻容式转子撬棒，其RC电路1中的电阻部分也可以起到同样的作用，即抑制转子侧的过电流。但是由于电容的加入，改变了转子侧的暂态特性，使得RC电路1投切时对变流器和转子的暂态冲击减小。

因此，阻容式转子撬棒的性能优于背景技术中所提到电阻式转子撬棒，在DFIG风力发电系统中应用时，结构简单，实现方便。

附图说明

图1是现有的含电阻容式撬棒电路的DFIG风电机组拓扑结构；

图2是本发明的含阻容式撬棒电路的DFIG风电机组拓扑结构；

图3~图4是应用电阻式和阻容式撬棒时DFIG定子侧三相电压波形图，其中图3是应用电阻式撬棒时DFIG6定子侧三相电压波形图；图4是应用电容式撬棒时DFIG6定子侧三相电压波形图；

图5~图6是撬棒投切时转子侧变流器三相电压与电流暂态响应波形图，其中

分别表示转子侧变流器ar,br,cr相电压，分别表示转子侧变流器ar,br,cr相电流。图5是投切电阻式撬棒时转子侧变流器三相电压与电流暂态响应波形图，图6是投切阻容式撬棒时转子侧变流器三相电压与电流暂态响应波形图。

图7~图8是使用电阻式撬棒和阻容式撬棒时DFIG6转子ar相电压与电流波形图，其中图7是使用电阻式撬棒时DFIG 6转子ar相电压与电流波形图，图8是使用阻容式撬棒时DFIG6转子ar相电压与电流波形图。

具体实施方式

阻容式转子撬棒应用于DFIG系统的结构示意图如图2所示。所述阻容式撬棒由RC电路1、交流开关2、控制电路3和检测电路4组成。RC电路1为三组电阻和电容的组合电路，每组内部为电阻和电容的并联，分别为第一电阻R1和第一电容C1，第二电阻R2和第二电容C2，第三电阻R3和第三电容C3，三组构成三相组合形式。阻容式转子撬棒的一端通过交流开关2与DFIG 6的转子绕组相连，另一端互相连接构成三相短接。交流开关2由三组反向并联晶闸管构成，分别为第一晶闸管S1和第二晶闸管S2，第三晶闸管S3和第四电容C4，第五晶闸管S5和第六电容C6，分别控制每一组RC并联电路的投入和切除。譬如对于转子侧的ar相而言，其阻容并联组合由第一电阻R1和第一电容C1构成，交流开关由第一晶闸管S1和第二晶闸管S2反并联构成，阻容并联组合的一端与交流开关相连，另一端则与其它两相的阻容并联组合相连从而形成三相短接。通过第一电阻R1的耗能可以限制ar相的故障电流，而通过第一电容C1可以直接改变ar相转子侧的阻抗值，从而间接地改变系统电抗值，最终改变了DFIG 6的无功功率以尽可能快地恢复定子侧电压。对于转子侧br相和cr相，情况与ar相类似。

控制电路3用来控制RSC 5和RC电路1的开通和封锁，RSC为机侧变流器（也称转子侧变流器）的rotor side converter的缩写，RSC 5的工作状态和RC电路1的工作状态相反。在电网电压正常时，DFIG风力发电系统正常运行，控制电路3使RSC 5正常工作，而使RC电路1处于切除状态。在电网电压跌落期间，控制电路3使RC电路1接入DFIG 6的转子绕组，同时切除RSC 5。当电网电压恢复后，控制电路3发出开通RSC 5的信号从而使RSC 5恢复正常工作，但是此时控制电路3并不立即发送封锁RC电路1的信号，而是延时1-2个周波后发送该信号以使无功补偿达到最佳的效果。图中的检测电路4，用来检测电网侧电压，其输出的检测信号发送给控制电路3，检测信号反映电网电压正常、电网电压跌落及电网电压恢复等不同电网电压状态。

以下是本发明的一个实施例：

按照图2所示含阻容式撬棒电路的DFIG风电机组拓扑结构图，在MATLAB/simulink中构建与本发明相对应的仿真模型，通过设置电网电压跌落故障，观测DFIG定子侧的电压波形，撬棒投切时转子侧变流器的电压与电流暂态响应波形及DFIG转子电压与电流波形图。同样在MATLAB/simulink环境中，按照图1构建现有的电阻式撬棒电路对应的仿真模型，在相同条件下，得到的相同点的波形图，二者进行对比，以说明本发明的实施效果。模型中的数据来源于目前应用广泛的1.5MW双馈式风力发电系统。具体参数如下：

DFIG的额定电压为690V，额定频率为50HZ,定子电阻为0.68Ω，定子电感4.2mH，转子电阻为0.45Ω，转子电感4.2mH,互感148mH，参数均折算到定子侧。

仿真条件设置为，电网在3-3.625s内发生电网电压跌落，其跌落的幅度为50%。

由图3~图4展示了使用电阻式和阻容式撬棒时DFIG6定子侧三相电压波形图。其中图3为使用电阻式撬棒时DFIG6定子侧三相电压波形图，图4为使用阻容式撬棒时DFIG6定子侧三相电压波形图。通过计算可以得到在故障期间时，DFIG6平均定子电压有效值与其额定电压的比值，在图3中该比值为0.532，在图4中该比值为0.925。可以看出，相比电阻式撬棒，阻容式撬棒可以有效地补偿定子侧跌落的电压。

图5~图6为撬棒投切时转子侧变流器三相电压与电流暂态响应波形图。图5为投切电阻式撬棒时转子侧变流器三相电压与电流暂态响应波形图，图6为投切阻容式撬棒时转子侧变流器三相电压与电流暂态响应波形图。从图5可以计算出电阻式撬棒投切时，转子侧变流器的最大电压为215V，最大电流为72A；从图6可以计算出阻容式撬棒投切时，转子侧变流器的最大电压为20V，最大电流为7A。可见，阻容式撬棒的投切对转子侧变流器的冲击要小于电阻式撬棒的情形。

图7~图8为使用电阻式撬棒和阻容式撬棒时DFIG6转子ar相电压与电流波形图。图7为使用电阻式撬棒时DFIG6转子ar相电压与电流波形图，图6为使用阻容式撬棒时DFIG6转子ar相电压与电流波形图。从图7计算出，DFIG6转子侧的最大电压为42V,最大电流为45A；从图8计算出，DFIG6转子侧的最大电压为22V,最大电流为48A；可以看出，阻容式撬棒和电阻式撬棒一样具有限制转子侧过电压和过电流的能力,并且阻容式撬棒的限制过电压的能力要优于电阻式撬棒的情况。

Claims

1.阻容式转子撬棒，包括RC电路（1）、交流开关（2）、控制电路（3）和检测电路（4），其特征在于所述RC电路（1）由三组电阻和电容的组合构成，每组内部为电阻和电容的并联连接，分别为第一电阻（R1）和第一电容（C1），第二电阻（R2）和第二电容（C2），第三电阻（R3）和第三电容（C3），三组构成三相组合形式；RC电路（1）的一端与交流开关（2）相连，另一端互相连接构成三相短接，交流开关（2）的另一端与DFIG （6）的转子绕组相连，交流开关的通、断控制信号来自控制电路（3），控制电路（3）与检测电路（4）相连；交流开关（2）的开、断由控制电路（3）控制；当交流开关（2）开通时，RC电路（1）与DFIG（6）的转子绕组接通，当交流开关（2）关断时，RC电路（1）与DFIG（6）的转子绕组断开。

2.根据权利要求1所述的阻容式转子撬棒，其特征在于控制电路（3）发出控制信号的逻辑关系是，根据检测电路（4）送来的信号，控制RSC（5）和RC电路（1）的开通和封锁，RSC（5）的工作状态和RC电路（1）的工作状态相反；在电网电压正常时，DFIG（6）正常运行，控制电路（3）使RSC（5）正常工作，交流开关（2）关断，RC电路（1）断开；当电网电压跌落时，交流开关（2）开通，RC电路（1）接入DFIG（6）的转子绕组，同时切除RSC（5）；当电网电压恢复时，控制电路（3）发出开通RSC（5）的信号从而使RSC（5）恢复正常工作，但是此时控制电路（3）并不立即发出关断交流开关（2），以断开RC电路（1）的信号，而是延时1-2个周波后发送该信号以使无功补偿达到最佳的效果。

3.根据权利要求1所述的阻容式转子撬棒，其特征在于检测电路（4）用来检测电网侧电压，其输出信号发送给控制电路（3），检测信号反映电网电压正常、电网电压跌落及电网电压恢复等不同电网电压状态。