CN103441504A - 具有自充电功能的串联补偿低电压穿越装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自充电功能的串联补偿低电压穿越装置及控制方法，所述串联补偿低电压穿越装置包括三相标准变换器、直流母线电容、卸荷回路、串联耦合变压器、变换器滤波回路、旁路开关、直流母线电容和卸荷回路。所述穿越控制方法包括如下步骤：对直流母线电容实现自充电；检测公共连接点的电压，若所述电压低于阈值，关闭旁路开关，进行串联补偿工作，完成对机端电压的补偿；当公共连接点的电压恢复后，启动旁路开关，补偿控制系统旁路。本发明利用串联补偿装置自带的三相标准变换器实现对直流母线电容电压的自充电启动过程，不需要另外增加设备来完成对直流电容的初始充电，简化了系统结构，缩减了成本。

Description

具有自充电功能的串联补偿低电压穿越装置及控制方法

技术领域

本发明涉及柔性输电和电力电子技术，尤其是采用灵活交流输电（FACTS)技术实现机组低压穿越的装置和方法。

背景技术

随着风电机组的装机容量逐年增加，风电在电力系统中所占得比重越来越大。大型风电并网引起的问题也越来越受到人们的关注，风力发电系统对传统电网的运行提出了新的要求和挑战。

目前现场工程应用的风电机组主要有三种:直接并网的定速异步机组(FixedSpeedinduction Generator,FSIG)、永磁同步直驱式风电机组(Permanent Magnet SynchronousGenerator,PMSG)和双馈异步风力发电机组(Double Fed Induction Generator，DFIG)。其中对于FSIG和DFIG，定子都是直接连接电网，电网电压的骤降都会直接反映在定子端，由于定子磁链不能突变，定子绕组将感应出一个衰减的直流分量磁链，在不对称电网电压跌落中定子磁链中还含有负序分量，相对发电机转子有更大的转差率。对于DFIG，励磁变换器容量仅占发电机容量的25%-30%，其不能提供足够的励磁电压将造成转子过电压或者过电流，将直接威胁风电机组励磁变换器的安全运行。对于FSIG，由于机端电压的下降，电磁转矩下降导致机械转矩大于电磁转矩，使机组转子加速，当转速超过临界转速(critical rotor speed)，机组将无法正常发电运行。对于PMSG，发电机和电网不存在直接耦合，但仍然存在功率不匹配而导致直流母线电压的泵升问题。

因此，在电网故障下，如何对风电机组实施有效的控制，防止发电机定、转子因出现冲击电流、转矩突变、转速超速等问题而解列脱网是一个亟待研究的问题。各国学者纷纷对DFIG风电机组的电压穿越技术展开研究，现有解决电压穿越的技术大致可以分为两类：第一类是完全依靠改进转子侧和网侧变换器的控制策略，第二类是从风电机组外围通过增加硬件以及相应的控制方法。在第二类采用硬件中，国际上将柔性交流输配电技术引入到风电机组的LVRT问题中，目前主要研究的FACTS装置主要有两种，一种是静止同步补偿器(StaticSynchronous Compensator,STATCOM)，STATCOM主要是以变换器为基础，将其等效为一个可调的电压源，通过控制该电压源的幅值和相位以达到向电网注入无功功率大小的目的，然而STATCOM不能实现对转子侧变换器的保护作用，只有STATCOM和Crowbar一起动作才能实现风电机组的LVRT。另一种FACTS装置主要是基于动态电压恢复器(DynamicVoltage Restorer，DVR)的思想，在故障情况下串联补偿跌落电压，使机端电压维持正常，从而也使机组达到LVRT的要求。

总之，上述方案需要增加新的硬件，对风机机组进行改造，系统结构复杂。

发明内容

发明目的：本发明的一个目的是提供一种具有自充电功能的串联补偿低电压穿越装置，以解决上述问题。

技术方案：一种具有自充电功能的串联补偿低电压穿越装置，所述串联补偿低电压穿越装置包括三相标准变换器、直流母线电容、卸荷回路、串联耦合变压器、变换器滤波回路和旁路开关，串联耦合变压器的副边串接在风力发电机及其控制器系统与升压变压器之间，原边经过滤波回路与三相标准变换器相连接，直流母线电容并接在串联变换器，卸荷回路与直流母线电容并联，三个旁路开关分别并接于三相串联耦合变压器的副边。所述旁路开关包括4个二极管和1个IGBT。所述卸荷回路由卸荷开关和卸荷电阻串联组成。

一种具有自充电功能的串联补偿低电压穿越控制方法，包括如下步骤：

S1、对直流母线电容实现自充电；

S2、检测公共连接点的电压，若所述电压低于阈值，关闭旁路开关，进行串联补偿工作，完成对机端电压的补偿；当公共连接点的电压恢复后，启动旁路开关，补偿控制系统旁路。

其中，直流母线电容自充电的具体过程为：

S11、检测直流母线电压是否低于设定值，如果低于设定值进入S12，否则触发旁路开关，补偿系统旁路，等待串联补偿模式命令；

S12、关闭旁路开关，同时三相标准开关管处于关闭状态，利用在串联变压器上的压降经变换器上的二极管进行三相桥式整流，直到直流母线电压到预定数值；

S13、利用三相高频PWM整流的控制方法将直流母线电压充电至1.0pu；

S14、充电完成后，启动闭锁模式，触发旁路开关，并将变换器的开关管关闭，等待串联补偿模式命令。

一种具有自充电功能的串联补偿低电压穿越控制方法，所述串联补偿低电压穿越控制方法基于具有自充电功能的串联补偿低电压穿越装置实现，

所述串联补偿低电压穿越装置包括三相标准变换器、直流母线电容、卸荷回路、串联耦合变压器、变换器滤波回路和旁路开关，串联耦合变压器的副边串接在风力发电机及其控制器系统与升压变压器之间，原边经过滤波回路与三相标准变换器相连接，直流母线电容并接在串联变换器，卸荷回路与直流母线电容并联，三个旁路开关分别并接于三相串联耦合变压器的副边；

所述串联补偿低电压穿越控制方法包括如下步骤：对直流母线电容实现自充电；检测电网中公共连接点的电压，若所述电压低于阈值，关闭旁路开关，进行串联补偿工作，完成对机端电压的补偿；当公共连接点的电压恢复后，启动旁路开关，补偿控制系统旁路。

有益效果：本发明利用串联补偿控制系统自带的三相标准变换器，它能够实现对直流母线电容电压的自充电启动过程，而不需要另外增加设备来完成对直流电容的充电，简化了系统结构，缩减了成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明低电压穿越装置自充电的流程图；

图3为对PCC点电压进行检测的算法原理图；

图4a至图4d分别为对PCC点电压对称跌落以及不对称跌落检测的PCC电压和PCC电压检测的仿真示意图；

图5a至图5c为本发明低电压穿越装置串联补偿模式提出的对应控制框图；

图6a至图6e为DFIG机组对称跌落，励磁变换器直流母线采用现有Crowabr仿真结果（包括Ugen、Igen、Ir、P和Q、Edc/BRK）示意图；

图6f至图6j为DFIG机组不对称跌落故障，励磁变换器直流母线采用现有Crowabr仿真结果（包括Ugen、Igen、Ir、P和Q、Edc/BRK）示意图；

图7a至图7h为DFIG机组对称跌落故障，使用本发明的仿真结果（包括Upcc、Uscc、Ugen、Igen、Ir、P、Q和Edc/BRK）示意图；

图7i至图7p为DFIG机组不对称跌落故障，使用本发明的仿真结果（包括Upcc、Uscc、Ugen、Igen、Ir、P、Q和Edc/BRK）示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的有自充电功能的串联补偿低电压装置主要包括三相标准变换器1、串联耦合变压器4、卸荷回路3、变换器滤波回路5、直流母线电容2、旁路开关6。其中：串联耦合变压器的副边串接在风力发电机及其控制器系统7与升压变压器8之间，串联耦合变压器4的原边经过滤波回路5与三相标准变换器1相连接，直流母线电容2并接在三相标准串联变换器1上，并且卸荷回路3与直流母线电容2并联。

三相系统的每相电路上均串接有串联耦合变压器4的副边，同时在串联耦合变压器4的副边上均并联有旁路开关6；具体地，旁路开关6为1个标准IGBT开关和4个相同的二极管组成的H型桥式电路结构，其中4个二极管构成2个桥臂，标准IGBT开关并接在两个桥臂中间，IGBT的集电极C与桥臂中的二极管阴极相连，而IGBT的发射极E与桥臂中的二极管阳极相连；H型桥式电路结构中将两路桥臂中二极管串接的两个中间连接点分别接在串联耦合变压器4的副边两端，只要断开IGBT的触发信号即可实现旁路开关6的断开。

所述a、b、c三相三个串联耦合变压器4的原边的减极性端组成Y星型连接，而各自的同极性端分别经滤波电抗器对应接于三相标准变换器1从右到左中的三个桥臂的中间端。三个滤波电容则分别并接在串联耦合变压器的同极性和减极性之间，与滤波电感组成LC滤波回路5。

三相标准变换器1主要由6个IGBT接成3个桥臂组成，其中，每个桥臂由上桥臂的IGBT中的发射极和下桥臂中的IGBT的集电极串联组成，三个桥臂中的上桥臂的IGBT发射极均相并接，下桥臂中的IGBT集电极也相连，使得三个桥臂并联相接。

直流母线电容2的正极性端与三相标准变换器1中上桥臂的IGBT的集电极相连，而电容2的负极性端则与三相标准变换器1中的下桥臂的IGBT的发射极相连。

卸荷回路3由一个IGBT与卸荷电阻串接所组成，IGBT集电极端与直流母线电容2正极性端相并接，而卸荷电阻的下端与直流母线电容2的负极性端相连接。

在串联补偿过程中，由于电网PCC点电压较低，机组输出的功率只有部分输入电网，过剩的功率被串联补偿装置吸收，将导致直流母线电压的飙升，当直流母线电压超过一定警戒后，卸荷回路上的IGBT开关管动作，卸荷电阻消耗过剩的有功功率，待直流母线电压降低到安全范围后，卸荷开关管关闭。三个旁路开关分别并接于三相串联耦合变压器的副边，整个补偿系统串接在电网公共连接PCC点和机组之间。

该装置串接于风力发电机与电网升压变压器之间，装置实时检测电网连接PCC点电压，当PCC点电压正常时，旁路开关导通，将装置进行旁路以减少变压器的接入引起的损耗。一旦检测到PCC点正序电压低于设定门槛，关闭旁路开关，使装置进入串联补偿工作模式，完成对机端电压的补偿，使机端电压维持正常，实现机组低压穿越。在电网电压PCC点恢复后，启动旁路开关并将闭锁装置串联补偿模式，将装置旁路。

本发明采用三相标准变换器结构，克服了现有技术需要三相全桥结构的IGBT且需要变压器不控整流对电容进行充电的缺陷，减少了IGBT的数量；本发明不需要借助变压器实现三相不控整流，本发明还增加旁路开关，能减少变压器的长期串入引起的损耗。

转到图2，描述初始阶段完成对串联补偿系统的直流母线电容自充电的工作流程，主要分为以下几个步骤：

第一步，当串联补偿系统检测直流母线电压低于设定值0.9pu时，关闭旁路开关，进入自充电模式，这时三相标准变换器的开关管处于关闭状态，利用开关管反并联的二极管实现三相桥式整流，只要输电线路有电流流过，就可以利用在串联变压器上的压降从电网吸收一定的有功功率，使得直流母线电压充电到一个数值χpu(χpu取决于串联变压器上的压降)，这样可以补偿串联变压器和串联变换器上的损耗以及LC滤波器上的压降，是保证自充电过程的能够顺利进行的前提条件。

第二步，当直流母线电容电压达到χpu时，串联补偿系统的三相标准变换器的开关管开始动作，此时串联补偿系统相当于一个可控的电压源，他从系统中吸收有功功率，利用三相高频PWM整流的控制方法就能将直流母线电压升到期望值1.0pu。

第三步，当直流母线电容电压达到期望值(例如1.0pu)后，启动闭锁模式，触发旁路开关，并将三相串联变换器6个开关管全部处于关闭状态。此时串联变压器的压降基本为零，串联补偿系统处于闭锁模式，直流母线电容电压维持恒定，等待补偿模式命令。

接着描述图3，PCC点电压检测的算法原理如下：

基于两相静止αβ坐标PARK变换，将电网PCC点三相电压U_pcc,a、U_pcc,b、U_pcc,c转换为U_α和U_β，在分别经过T/4的延时求取αβ坐标下的正序电压分量，求取计算公式如下：

$U_{\mathrm{\α}}^{+}\left(t\right)=\frac{1}{2}\{(U_{\mathrm{\α}}\left(t\right)-U_{\mathrm{\β}}(t-T/4)\}---\left(1\right)$

$U_{\mathrm{\β}}^{+}\left(t\right)=\frac{1}{2}\{(U_{\mathrm{\β}}\left(t\right)-U_{\mathrm{\α}}(t-T/4)\}---\left(2\right)$

再将αβ坐标下的正序电压分量进行2s/2r变换，变换的结果分别进行求平方，将两者的平方求和，求和的结果再开方，并以Upcc点正序电压正常值为基准化成标幺值。将最终化简的标幺值与设定的门槛0.9pu进行比较，一旦检测到PCC点的正序电压低于0.9pu时，立即关闭旁路开关，启动串联补偿模式，否则，补偿系统处于闭锁旁路模式。

结合图4a至图4d描述对PCC点电压进行检测的仿真结果：仿真时间5s，故障开始时刻为2.5s，故障持续时间为0.2s，结束时刻为2.7s，分别进行对称故障和不对称故障的检测验证。从图4的仿真中可以看出，对称跌落以及对称跌落，检测算法都能及时发现PCC点电压的异常。

图5a至图5c分别为本发明低电压穿越装置串联补偿模式提出的对应控制模式：在PCC点电压无故障状态下，电压检测系统输出触发信号为0(从图4的仿真图中可以看出)，风电机组通过旁路开关向电网供电，串联补偿控制系统处于闭锁阶段，一旦PCC点正序电压发生跌落超过设定的上限，电压检测系统输出触发信号为1，立即关闭旁路开关，开始控制串联变换器的开关管的通断，通过串联耦合变压器补偿电压的跌落。由于风电机大都经过Y-△型升压变压器接入高一级电网，发电机组中性点不接地，因此，即使在升压变压器高压侧发生接地故障，在PCC点也不存在零序分量。在串联变换器的控制策略上采用正序、负序相结合的控制方式，使得PCC点电压在对称跌落和不对称跌落时都能有效的补偿。

图6a至图6j为DFIG机组对称跌落和不对称跌落故障，励磁变换器直流母线采用Crowabr多组仿真结果示意图，图7a至图7p分别为DFIG机组对称跌落和不对称跌落故障，使用本发明后的多种仿真结果对比示意图。从图6与图7的对比结果可以看出，采用本发明后的风电机组在电网故障情况下，风电机组端电压维持正常，相比励磁变换器的Crowbar保护方式机端电流、转子励磁变换器电流、励磁变换器直流母线电容电压都在安全范围内，机组能够实现LVRT运行，风电机组能够稳定输出有功、无功功率，为协助电网故障恢复提供有利条件。

Claims (6)

1.一种具有自充电功能的串联补偿低电压穿越装置，其特征在于，所述串联补偿低电压穿越装置包括三相标准变换器(1)、直流母线电容(2)、卸荷回路(3)、串联耦合变压器(4)、变换器滤波回路(5)和旁路开关(6)，串联耦合变压器(4)的副边串接在风力发电机及其控制器系统(7)与升压变压器(8)之间，原边经过滤波回路(5)与三相标准变换器(1)相连接，直流母线电容(2)并接在串联变换器(1)，卸荷回路(3)与直流母线电容(2)并联，三个旁路开关(6)分别并接于三相串联耦合变压器的副边。

2.如权利要求1所述的具有自充电功能的串联补偿低电压穿越装置，其特征在于，所述旁路开关包括4个二极管和1个IGBT。

3.如权利要求1所述的具有自充电功能的串联补偿低电压穿越装置，其特征在于，

所述卸荷回路由卸荷开关和卸荷电阻串联组成。

4.一种具有自充电功能的串联补偿低电压穿越控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对直流母线电容实现自充电；

S2、检测公共连接点的电压，若所述电压低于阈值，关闭旁路开关，进行串联补偿工作，完成对机端电压的补偿；当公共连接点的电压恢复后，启动旁路开关，补偿控制系统旁路。

5.如权利要求4所述的具有自充电功能的串联补偿低电压穿越控制方法，其特征在于，直流母线电容自充电的具体过程为：

S11、检测直流母线电压是否低于设定值，如果低于设定值进入S12，否则触发旁路开关，补偿系统旁路，等待串联补偿模式命令；

S12、关闭旁路开关，同时三相标准开关管处于关闭状态，利用在串联变压器上的压降经变换器上的二极管进行三相桥式整流，直到直流母线电压到预定数值；

S13、利用三相高频PWM整流的控制方法将直流母线电压充电至1.0pu；

S14、充电完成后，启动闭锁模式，触发旁路开关，并将变换器的开关管关闭，等待串联补偿模式命令。

6.一种具有自充电功能的串联补偿低电压穿越控制方法，其特征在于，所述串联补偿低电压穿越控制方法基于具有自充电功能的串联补偿低电压穿越装置实现，

所述串联补偿低电压穿越装置包括三相标准变换器(1)、直流母线电容(2)、卸荷回路(3)、串联耦合变压器(4)、变换器滤波回路(5)和旁路开关(6)，串联耦合变压器(4)的副边串接在风力发电机及其控制器系统(7)与升压变压器(8)之间，原边经过滤波回路(5)与三相标准变换器(1)相连接，直流母线电容(2)并接在串联变换器(1)，卸荷回路(3)与直流母线电容(2)并联，三个旁路开关(6)分别并接于三相串联耦合变压器的副边；

所述串联补偿低电压穿越控制方法包括如下步骤：对直流母线电容实现自充电；检测电网中公共连接点的电压，若所述电压低于阈值，关闭旁路开关，进行串联补偿工作，完成对机端电压的补偿；当公共连接点的电压恢复后，启动旁路开关，补偿装置旁路。

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