CN103337871A - 一种风力发电机组低电压穿越电路及相应的控制方法 - Google Patents

一种风力发电机组低电压穿越电路及相应的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风力发电机组低电压穿越电路及相应的控制方法。本发明通过在风电机组发电机转子输出线端子与变流器直流母线正负两端增设一整流桥并联在变流器母线上，同时在变流器直流母线两端并联DBR回路。当风电机组在电网电压（u/ur≥20%）跌落过程中，通过DBR回路中IGBT导通或关断实现DBR电阻能量的释放来动态维持变流器直流母线的动态平衡实现风电机组变流成功穿越电网故障；当电网电压（u/ur＜20%）跌落过程中DBR回路中IGBT关断，Crowbar回路中Crowbar触发释放转子上积累的能量保护变流器或发电机。本发明能够降低或减少风电机组在发生电网电压跌落全过程会产生各种暂态特性，改善各暂态特性对风电机组和电网的不良影响同时提高了风电机组的性能和延长了风电机组使用寿命。

Description

一种风力发电机组低电压穿越电路及相应的控制方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电机组低电压穿越电路及相应的控制方法，属于风力发电技术领域。
背景技术
随着国内外风电机组大规模并网发电，当风电场电网电压出现短时严重跌落或扰动时可能会造成大规模的风电机组脱网，直接会造成设备损坏，甚至造成电网崩溃。因此风电场运行的风电机组必须具有一定低电压穿越能力，保障机组在上述电网故障发生时风电机组穿越故障，保障机组和电网的安全。风电机组低电压穿越技术研究已成为国内外学者研究热点之一，最常见的低电压穿越技术方案采用主动或被动Crowbar电路相关技术，一般的低压穿越电路包括风力发电机和电网之间的机侧变流器和网侧变流器以及用于设置在风力发电机转子侧的Crowbar电路，通过Crowbar电路实现低电压穿越，而当电网发生电压跌落全过程中Crowbar触发和恢复过程中时，风电机组均会产生各种暂态特性（如产生电流、电磁转矩、扭矩瞬态跳变等）这些暂态特性对电网稳定性、风电机组特性和使用寿命均产生不良影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力发电机组低电压穿越电路及相应的控制方法，以降低或改善双馈风电机组穿越电网故障发生及恢复过程中各暂态特性对风电机组和电网的不良影响。
本发明为解决上述技术问题而提供一种风力发电机组低电压穿越电路，包括用于连接在风力发电机和电网之间的机侧变流器和网侧变流器以及用于设置在风力发电机转子侧的Crowbar电路，所述的低电压穿越电路还包括DBR回路和三相整流桥回路，所述的DBR回路设置在机侧变流器和网侧变流器之间的直流母线上，所述的三相整流桥回路的直流端子连接到机侧变流器和网侧变流器之间的直流母线上，三相交流端连接到风力发电机转子的出线端。
所述的DBR回路由四个并联的IGBT串接在其后的电路构成。
所述的三相整流桥回路为二极管三相整流桥回路。
所述的网侧变流器和用于与之连接的电网之间还设置有滤波器。
所述的Crowbar电路包括三相整流电路以及串接在该三相整流电路直流输出端正负极之间的晶闸管和Crowbar电阻，三相整流电路的三相交流端与风力发电机转子侧相连。
本发明为解决上述技术问题还提供了一种风力发电机组低电压穿越控制方法，该控制方法包括以下步骤：
1）首先判断风力发电机组是否发生低电压故障，如果发生低电压故障，将发电机转子电流经过整流桥整流后直接注入到变流器直流母线电容上，同时使发电机的机侧变流器GSC闭锁且处于同步状态；
2）实时检测风力发电机组变流器的直流母线电压Udc；
3）判断变流器的直流母线电压Udc是否小于Crowbar电路的触发电压UCrowbar，如果Udc<UCrowbar，不触发Crowbar电路，控制DBR回路中IGBT导通或关断的时间周期，将发电机转子注入到母线电容上的能量在DBR电阻上释放，如果变流器的直流母线电压Udc不小于Crowbar电路的触发电压UCrowbar，即Udc≥UCrowbar，触发Crowbar电路导通，并将定子并网断路器断开，直至电网恢复。
所述步骤3）中当变流器的直流母线电压Udc是否小于Crowbar电路的触发电压UCrowbar时，判断直流母线电压Udc是否小于发电机组迟滞环门限母线电压，如果是，则DBR回路不启动。
所述步骤3）中当Crowbar电路触发过程中，通过DBR回路中IGBT导通或关断时间周期工作来释放直流母线电容所积累的容量。
本发明的有益效果是:本发明通过在风电机组发电机转子出线端与变流器直流母线两端增设一整流桥并联在变流器母线上，同时在变流器直流母线两端并联DBR回路，当风电机组发生各种电网电压跌落过程中，Crowbar回路中Crowbar不触发，而是控制DBR回路中IGBT导通或关断实现DBR电阻能量的释放来动态维持变流器直流母线的动态平衡，实现风电机组变流成功穿越电网故障。本发明能够降低或减少风电机组在发生电网电压跌落全过程会产生各种暂态特性（如产生电流、电磁转矩、扭矩瞬态跳变等），改善各暂态特性对风电机组和电网的不良影响同时提高了风电机组的性能和延长了风电机组使用寿命。
附图说明
图1是本发明的风力发电机组低电压穿越电路结构图；
图2是本发明的风力发电机组低电压穿越电路的控制流程图。
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说明
本发明的一种风力发电机组低电压穿越电路的实施例
如图1所示，本发明的风力发电机组低电压穿越电路包括机侧变流器、网侧变流器、Crowbar电路、整流桥回路和DBR回路，机侧变流器和网侧变流器用于连接在风力发电机和电网之间，Crowbar电路用于设置在风力发电机转子侧，DBR回路设置在变流器直流母线两端，整流桥回路设置在变流器直流母线两端和风力发电机转子出线端之间，DBR回路结构如图1所示，四个IGBT并联和DBR电阻串联后并联在直流母线两端，整流桥回路这里采用的是二极管整流桥，用于在机侧变流器锁闭后将风力发电机转子电流流入了变流器的直流母线，Crowbar电路包括二极管整流桥、晶闸管和电阻R，Crowbar电路用于为转子侧电路提供旁路。
在正常运行情况下，转子电压要低于变流器正常工作时母线电压Udc′=1150V,二极管只流过很小的电流（几十安培），不会对发电机正常运行产生影响。当电网电压发生LVRT跌落，直流母线电压大幅度波动，严重时可能损坏变流器或发电机及对电网运行稳定的影响。因此，为了保护设备安全，此时机组可采用迟滞环原理（迟滞环门限母线电压Udc≥Ulimit(Ulimit=1250V)导通IGBT）通过软件指令控制DBR回路中IGBT导通或关断，DBR电阻根据迟滞环工作机理持续地消耗从发电机转子侧传递到直流母线上的能量，维持直流母线Udc电压稳定到电网电压恢复正常。当电网电压发生正常LVRT跌落时，此Crowbar回路不参与LVRT控制；当发生更严重的LVRT跌落或其他与电网相关故障且Udc≥UCrowbar（母线电容受的短时正常电压可承）时：通过功率开关器件将旁路电阻连接到转子回路中为电网故障期间所产生的一个大电流提供了一个旁路，从而达到限制大电流保护励磁变流器或发电机的作用。定子并网断路器断开，但网侧变流器正常向电网提供无功支持，在风电机组的电网电压恢复后一定延时，风电机组各种正常运行状态恢复后实现网侧变流器快速重并网。
本发明的一种风力发电机组低电压穿越电路控制方法的实施例
本发明的一种风力发电机组低电压穿越电路控制方法的流程如图2所示，当风电机组在电网电压（u/ur≥20%）跌落过程中，DBR回路中IGBT导通或关断实现DBR电阻能量的释放来动态维持变流器直流母线的动态平衡实现风电机组变流成功穿越电网故障，而Crowbar回路中Crowbar不触发；当电网电压（u/ur＜20%）跌落过程中DBR回路中IGBT关断，Crowbar回路中Crowbar触发释放转子上积累的能量保护变流器或发电机。该方法的具体过程如下：
1.首先判断风力发电机组是否发生低电压故障，如果发生低电压故障，将发电机转子电流经过整流桥整流后直接注入到变流器直流母线电容上，同时使发电机的机侧变流器GSC闭锁且处于同步状态。
2检测风力发电机组变流器的直流母线电压Udc(t)的值，判断变流器的直流母线电压Udc(t)是否大于Crowbar电路的触发电压，如果Udc(t)≥UCrowbar，则说明此时电网电压发生了严重的LVRT跌落或者其它与电网相关的故障，Crowbar电路触发导通，通过功率开关器件将旁路电阻连接到转子回路中为电网故障期间所产生的一个大电流提供一个旁路，从而达到限制大电流保护励磁变流器或发电机的作用，断开定子并网断路器，网侧变流器正常向电网提供无功支持，在风电机组的电网电压恢复后一定延时，风电机组各种正常运行状态恢复后实现网侧变流器快速重并网；如果变流器的直流母线电压Udc(t)小于Crowbar电路的触发电压UCrowbar，即Udc(t)<UCrowbar=1370V不触发Crowbar电路，此时机组可采用迟滞环原理（迟滞环门限母线电压Udc(t)≥Ulimit(Ulimit=1250V)导通IGBT）通过软件指令控制DBR回路中IGBT导通或关断，DBR电阻根据迟滞环工作机理持续地消耗从发电机转子侧传递到直流母线上的能量，维持直流母线Udc(t)电压稳定到电网电压恢复正常。如果直流母线电压Udc(t)小于发电机组迟滞环门限母线电压Ulimit，此时不需要启动DBR回路。
DBR回路中IGBT控制原理：
ΔUdc(t)=
Figure BDA00003057809500051
式中U/dc＝1150V，为变流器正常运行时直流母线电压，Udc(t)为变流器直流母线实时电压，Udbr＝1250V为DBR回路IGBT导通门限电压，UCrowbar＝1370V为Crowbar回路Crowbar触发门限电压。

Claims (8)

1.一种风力发电机组低电压穿越电路，包括用于连接在风力发电机和电网之间的机侧变流器和网侧变流器以及用于设置在风力发电机转子侧的Crowbar电路，其特征在于：所述的低电压穿越电路还包括DBR回路和三相整流桥回路，所述的DBR回路设置在机侧变流器和网侧变流器之间的直流母线上，所述的三相整流桥回路的直流端子连接到机侧变流器和网侧变流器之间的直流母线上，三相交流端连接到风力发电机转子的出线端。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组低电压穿越电路，其特征在于：所述的DBR回路由四个并联的IGBT串接在其后的电路构成。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组低电压穿越电路，其特征在于：所述的三相整流桥回路为二极管三相整流桥回路。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组低电压穿越电路，其特征在于：所述的网侧变流器和用于与之连接的电网之间还设置有滤波器。
5.根据权利要求1所述的风力发电机组低电压穿越电路，其特征在于：所述的Crowbar电路包括三相整流电路以及串接在该三相整流电路直流输出端正负极之间的晶闸管和Crowbar电阻，三相整流电路的三相交流端与风力发电机转子侧相连。
6.一种如权利要求1所述风力发电机组低电压穿越电路的控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：
1）首先判断风力发电机组是否发生低电压故障，如果发生低电压故障，将发电机转子电流经过整流桥整流后直接注入到变流器直流母线电容上，同时使发电机的机侧变流器GSC闭锁且处于同步状态；
2）实时检测风力发电机组变流器的直流母线电压Udc；
3）判断变流器的直流母线电压Udc是否小于Crowbar电路的触发电压UCrowbar，如果Udc<UCrowbar，不触发Crowbar电路，控制DBR回路中IGBT导通或关断的时间周期，将发电机转子注入到母线电容上的能量在DBR电阻上释放，如果变流器的直流母线电压Udc不小于Crowbar电路的触发电压UCrowbar，即Udc≥UCrowbar，触发Crowbar电路导通，并将定子并网断路器断开，直至电网恢复。
7.根据权利要求6所述的风力发电机组低电压穿越电路的控制方法，其特征在于：所述步骤3）中当变流器的直流母线电压Udc是否小于Crowbar电路的触发电压UCrowbar时，判断直流母线电压Udc是否小于发电机组迟滞环门限母线电压，如果是，则DBR回路不启动。
8.根据权利要求6所述的风力发电机组低电压穿越电路的控制方法，其特征在于：所述步骤3）中当Crowbar电路触发过程中，通过DBR回路中IGBT导通或关断时间周期工作来释放直流母线电容所积累的容量。
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