CN103560524A - 基于dvr的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统，其特征在于它包括双馈异步风电机组和DVR动态电压恢复器；其优越性在于：提高了DFIG机组的低电压穿越能力，同时动态电压恢复器和注入变压器还能够减小甚至消除定子电压的波动。

Description

基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统及方法

（一）技术领域：

本发明涉及一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统及方法，属于电力电子技术领域。

（二）背景技术：

能源是构成客观世界的三大基础之一，人类寻找可持续的能源道路，开发利用新能源和可再生能源是完善能源系统的重点。风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动。风力发电是可再生能源，很环保，很洁净。风能作为洁净的能量来源，其设施日趋进步，大量生产降低成本，在适当地点，风力发电成本已低于其它发电机。随着风力发电在全世界范围内的高速增长，风电装机容量在电力系统中所占的比重快速提高，使得大型风电机组与局部电网之间的相互影响也越来越大。为了保障电力系统的运行安全，世界各国的电网运营商对风电接入提出了越来越严格的要求，其中最受人关注、也是最难以满足的要求即为风电机组的低电压穿越(LVRT)能力。

在各种类型的风力发电机组中，变速恒频双馈异步发电机(DFIG)以其调速范围宽、有功和无功功率可独立调节以及所需励磁变流器容量较小等优点，目前已成为国际主流风电机型，占据绝大部分市场份额。但是由于DFIG定子直接并网，很容易受到各种电网故障的影响，因此在电网跌落时，具有反应速度慢、低电压穿越能力不足等缺点。而动态电压补偿器（dynamicvoltagerestore简称DVR）作为目前最为先进的补偿设备，可以在ms级内做出补偿动作，使得跌落过程中电压稳定。基于上述原因，本发明在双馈异步风力发电机组中加入动态电压补偿器可以有效的解决目前存在的问题。

除了低电压穿越(LVRT)能力之外，当前电网规范对风电机组的高压穿越(Highvoltageridethrough，HVRT)能力也提出了要求，例如澳大利亚电网规范要求风电机组具有在电网电压骤升至1.3pu时维持60ms不间断运行的能力。与LVRT不同，当前广泛采用的Crowbar技术和直流斩波电路对HVRT不起作用，只有保持双馈异步风力发电机组（DFIG）定子电压稳定才能实现HVRT运行。当前主要采用的方案有DVR和动态无功补偿器(Staticcompensator,STATCOM)。相对于DVR，STATCOM需要吸收很大的无功功率才能维持DFIG定子电压的稳定，对功率器件容量要求较高：而且在电网电压不对称情况下STATCOM的应用不如DVR灵活，因此应优先选用DVR来实现DFIG的HVRT运行。

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统及方法，在电网正常运行是可以检测系统电压波动，在电网发生低电压故障的情况下，系统可快速输出补偿电压以补偿电网电压的跌落，使逆变器输出端口的电压基本保持恒定，从而使得双馈异步风力发电机组具有低电压穿越的能力，它通过合理设计电路结构，然后利用动态电压补偿器的自身特点减少电压跌落的反应时间，改善低电压穿越能力，且结构简单，操作方便。

本发明的技术方案是：一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统，其特征在于它包括双馈异步风电机组和DVR动态电压恢复器；其中所述的双馈异步风电机组直接连接电网；所述DVR动态电压恢复器的输入端采集电网系统侧的电压，其输出端连接双馈异步风电机组的输出端和电网的输入端。

所述双馈异步风电机组是由风力发电机组和变流器组成；所述风力发电机组直接连接电网，采集电网电压作为定子电压；采集变流器电压作为转子电压；所述变流器包括GSC网侧变流器和RSC转子侧变流器。

所述DVR动态电压恢复器是由控制器单元、能量储存单元、并联电容器、逆变电路单元、滤波电路单元、串联变压器以及整流器组成；所述DVR动态电压恢复器通过滤波电路单元和串联变压器接入电网；所述能量储存单元的输入端与整流器和控制器单元的输出端连接，其输出端通过并联电容器与逆变电路单元连接；所述整流器单元的输入端采集电网的电压电流信号。

所述控制器单元采用的是UC3942A芯片。

所述DVR动态电压恢复器的储能单元设有五个串联的储能供电部分，每个部分由一个H桥逆变器和一个储能元件构成。

一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：（1）检测电压波动并做出合理动作；（2）动态电压恢复器接受信号并做出补偿；（3）将补偿电压注入线路，稳定双馈异步发电机输出能力。

本发明的工作原理：

（1）电压跌落补偿

当电网电压正常时，DVR不工作，电网与DFIG定子之间通过注入变压器的副边相连接。由于注入变压器的漏阻抗很小，使得电网电压与定子电压基本相等。当电网电压故障导致DFIG定子电压幅值偏离正常值时，DVR开始工作，采用前馈控制原理，输出合适电压，经过LC滤波器向注入变压器的原边输出补偿电压。原边电压经由变压器绕组耦合传递至注入变压器副边后，使得DFIG的定子电压为电网电压与注入变压器副边电压之和，即

U_s+U_g＝U_com

式中U_com为DVR输出的补偿电压，通过改变U_com即可调节双馈异步风力发电机组的定子电压。

其控制器单元采用的是UC3942A芯片，如图6所示，是高性能固定频率电流模式控制器。为设计人员只需最少原件就能获得最高收益的解决方案。这些集成电路具有可微调的振荡器，能进行精确地占空比控制，高增益放大。其特点是启动电流低，内部基准电压稳定，较强的负载相应特性，自动负反馈补偿电路。可以为电机提供稳定的控制技术。

同样若电网电压中还含有谐波分量，则通过DVR同样可对谐波电压进行补偿，确保双馈异步风力发电机组定子电压的对称且正弦，保持DFIG机组发出的总有功、无功功率稳定，整个机组输出的电流对称且正弦。

DVR动态电压补偿器通过注入变压器串联在风电系统的系统侧。当系统发生电压跌落时，控制单元向逆变器发出指令，使其产生补偿电压通过逆变器，然后经过输出滤波器出去谐波，再者通过串联变压器进入线路进行补偿。当系统处于正常运行时，DVR补偿侧断开，整流侧打开，系统对DVR补充能量。

（2）电压波动检测

常见的三相电源系统是以abc坐标系统表示的，这种坐标在空间是静止不动的。dq坐标是由在空间以发电机同步旋转的两相坐标构成的，从abc坐标系到dq坐标系的变换称为派克变换（dq变换）。

考虑实际电压存在畸变和不平衡，则令abc三相电压的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_a=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2}{U}_{1i}\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_{1i})+\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2}{U}_{2i}\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_{2i})\\ U_b=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2}{U}_{1i}\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_{1i}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2}{U}_{2i}\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_{2i}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ U_c=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2}{U}_{1i}\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_{1i}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2}{U}_{2i}\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_{2i}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right.$

式中U_1i为正序第i次谐波有效值；U_2i为负序第i次谐波有效值；θ_1i为正序第i次谐波初相角；θ_2i为负序第i次谐波初相角。

将abc三相电压变换到dq坐标的关系式为：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{U}_d\\ U_q\end{array}\right]=C\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]=\\ \sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_{11})& \sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π}+{\mathrm{\θ}}_{11})& \sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π}+{\mathrm{\θ}}_{11})\\ -\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_{11})& -\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-\frac{2}{3}\mathrm{\π}+{\mathrm{\θ}}_{11}& -\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π}+{\mathrm{\θ}}_{11})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]\end{array}$

式中，U_d为d轴电压分量;U_q为q轴电压分量。变换阵C中的sin(ωt+θ₁₁)、cos(ωt+θ₁₁)是与a相电压同相位的正余弦信号。将两式联合得：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{U}_d\\ U_q\end{array}\right]=\sqrt{3}{U}_{11}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]+\\ \frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{1i}\left[\begin{array}{c}\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\cos [\mathrm{\ω}(i-1)t+d_{1i}]\\ \underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin [\mathrm{\ω}(i-1)t+d_{1i}]\end{array}\right]+\\ \frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{2i}\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}-\cos [\mathrm{\ω}(i+1)t+d_{2i}]\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}-\sin [\mathrm{\ω}(i+1)t+d_{2i}]\end{array}\right]\end{array}$

由上式可知，abc三相电压经dq变换后，正序基波分量成为直流分量，正序n次谐波分量成为n-1次谐波分量，负序n次谐波分量成为n+1次谐波分量。U_d、U_q经低通滤波器滤除所有谐波分量可得：

$\left[\begin{array}{c}{U}_d\\ U_q\end{array}\right]=\sqrt{3}{U}_{11}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]$

由上式可以瞬时求得正序基波电压的有效值。但是由于实际的电压跌落多为单相事件，并且很多电压跌落不仅引起公共连接点电压幅值的降低，还会引起电压相位的跳变。假设a相电压发生跌落且伴随α角度的相位跳变，则第一个式子中a相的正序基波分量变为，对构造的三相电压按照第二个式子进行dq变换，变换后的结果经低通滤波器提取后，则可得：

$\left[\begin{array}{c}{U}_d\\ U_q\end{array}\right]=\sqrt{3}{U}_{11}\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}\\ -\sin \mathrm{\α}\end{array}\right]$

由于U_d、U_q为经过测量并通过计算得到的已知U_dU_q量，所以从上式可以求出a相正序基波的有效值和相位跳变角α，分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{11}=\frac{\sqrt{3}}{3}\sqrt{U_d^2+U_q^2}\\ \mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\left|\frac{U_q}{U_d}\right|\end{array}\right.$

通过上述两式，当适时电压发生波动时，就可以检测出来。

由以上分析可见，采用DVR之后可以从根本上解决电压跌落对双馈异步风力发电机组的不利影响，使得双馈异步风力发电机组自身的运行控制变得简单，甚至可以省掉各种应对严重电网故障的保护装置。在风机正常运行状态下还可以对其进行电压的监控和检测，方便实际运行。

本发明的优越性在于：在电网发生故障时，动态电压恢复器可以充当短时电源，对双馈异步风力发电机组提供有功以及无功。提高了DFIG机组的低电压穿越能力，同时动态电压恢复器和注入变压器还能够减小甚至消除定子电压的波动。同样若电网电压中还含有谐波分量，则通过DVR同样可对谐波电压进行补偿，确保DFIG机组定子电压的对称且正弦，保持DFIG机组发出的总有功、无功功率稳定，整个机组输出的电流对称且正弦。

（四）附图说明：

图1为本发明所涉一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统的整体结构示意图。

图2为本发明所涉一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统的中双馈异步风电机组结构示意图。

图3为本发明所涉一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统的中DVR动态电压恢复器结构示意图。

图4为本发明所涉一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统的中DVR动态电压恢复器储能元件（五电平级联）结构图。

图5为本发明所涉一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统的中DVR动态电压恢复器的整流器的电路结构图。

图6为本发明所涉一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统的中UC3942A芯片简化方框图。

（五）具体实施方式：

实施例：一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统（见图1），其特征在于它包括双馈异步风电机组和DVR动态电压恢复器；其中所述的双馈异步风电机组直接连接电网；所述DVR动态电压恢复器的输入端采集电网系统侧的电压，其输出端连接双馈异步风电机组的输出端和电网的输入端。

所述双馈异步风电机组（见图2）是由风力发电机组和变流器组成；所述风力发电机组直接连接电网，采集电网电压作为定子电压；采集变流器电压作为转子电压；所述变流器包括GSC网侧变流器和RSC转子侧变流器。

所述DVR动态电压恢复器（见图3）是由控制器单元、能量储存单元、并联电容器、逆变电路单元、滤波电路单元、串联变压器以及整流器组成；所述DVR动态电压恢复器通过滤波电路单元和串联变压器接入电网；所述能量储存单元的输入端与整流器和控制器单元的输出端连接，其输出端通过并联电容器与逆变电路单元连接；所述整流器单元的输入端采集电网的电压电流信号。

所述控制器单元采用的是UC3942A芯片（见图6）。

所述DVR动态电压恢复器的储能单元设有五个串联的储能供电部分（见图4），每个部分由一个H桥逆变器和一个储能元件构成。

一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：（1）检测电压波动并做出合理动作；（2）动态电压恢复器接受信号并做出补偿；（3）将补偿电压注入线路，稳定双馈异步发电机输出能力。

Claims (6)

1.一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统，其特征在于它包括双馈异步风电机组和DVR动态电压恢复器；其中所述的双馈异步风电机组直接连接电网；所述DVR动态电压恢复器的输入端采集电网系统侧的电压，其输出端连接双馈异步风电机组的输出端和电网的输入端。

2.根据权利要求1所述所一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统，其特征在于述双馈异步风电机组是由风力发电机组和变流器组成；所述风力发电机组直接连接电网，采集电网电压作为定子电压；采集变流器电压作为转子电压；所述变流器包括GSC网侧变流器和RSC转子侧变流器。

3.根据权利要求1所述所一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统，其特征在于所述DVR动态电压恢复器是由控制器单元、能量储存单元、并联电容器、逆变电路单元、滤波电路单元、串联变压器以及整流器组成；所述DVR动态电压恢复器通过滤波电路单元和串联变压器接入电网；所述能量储存单元的输入端与整流器和控制器单元的输出端连接，其输出端通过并联电容器与逆变电路单元连接；所述整流器单元的输入端采集电网的电压电流信号。

4.根据权利要求3所述所一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统，其特征在于所述控制器单元采用的是UC3942A芯片。

5.根据权利要求3所述所一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统，其特征在于所述DVR动态电压恢复器的能量储存单元设有五个串联的储能供电部分，每个部分由一个H桥逆变器和一个储能原件构成。

6.一种基于DVR的双馈异步风力发电机组低电压穿越系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：（1）检测电压波动并做出合理动作；（2）动态电压恢复器接受信号并做出补偿；（3）将补偿电压注入线路，稳定双馈异步发电机输出能力。

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