CN103683327A - 一种应用于风机低电压穿越的单相可控串联补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于风机低电压穿越的单相可控串联补偿装置，包含一个三相四线桥式电路、两组放电电路、一个预充电回路、三组滤波电路、三个单相隔离变压器以及三个旁路开关。本发明将一种单相可控串联补偿装置应用在风场中，串联在每台风机与风机并网点之间，解决系统故障后，并网点电压跌落引起风机拖网，风机变流器发生过流过压失效的问题，使风机满足国家对风机低电压穿越能力的要求。串联补偿装置核心为三相四线桥式电路，电路输出电压经滤波器通过变压器耦合到线路中，每一相独立，可以根据三相电压不同特点进行独立补偿，最终使连接到风机的三相端电压都有最好的补偿效果；补偿电压期间由装置的放电电路消耗风机发出的部分有功功率。

Description

一种应用于风机低电压穿越的单相可控串联补偿装置

技术领域

本发明涉及风机低电压穿越领域，更具体地说，是涉及一种应用于风机低电压穿越的单相可控串联补偿装置。

背景技术

目前，世界上主要发达国家和发展中国家，都已经将发展风能、太阳能等可再生能源作为应对新世纪能源和气候变化双重挑战的重要手段。然而，除水能之外的所有可再生能源中，风能无疑是世界上公认的最接近商业化的可再生能源技术之，风能的产业化基础好，经济性优势最明显，而且不存在生物质能所面临的资源约束，另外也没有任何大的环境影响。

双馈风机是目前风场装机的主流机型，与直驱型风机相比，双馈风机有较大的价格优势，其价格差异除了永磁体的成本外，主要原因为双馈风机变流器的容量仅为整机容量的20%～30%。在安装并网方式上，双馈风机的定子侧直接通过变压器与电网相连，这样对系统电压较为敏感，系统发生短路故障时，风机并网点电压就会发生电压跌落，会直接影响双馈风机转子侧电压电流等参量，若不采取任何控制策略或保护措施，双馈风机转子变流器就会因为过流过压失效。

早期风场规模小，发电量占系统比重小，在电网发生短路故障时，直接切除风机即可完成保护风机的作用，随着风电规模的不断增大，风电在系统中的影响也是越来越大，为了有利于系统电压的恢复，不造成更大范围更严重的故障，新的风电并网规定要求在系统故障期间，风机要保持不脱网。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种应用于风机低电压穿越的单相可控串联补偿装置，能够防止风场风机并网点发生电压跌落时，风机因电压跌落脱网，做到单相可控，独立补偿，同时装置构成简洁，便于结构设计。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种应用于风机低电压穿越的单相可控串联补偿装置，包含一个三相四线桥式电路、两组放电电路、一个预充电回路、三组滤波电路、三个单相隔离变压器以及三个旁路开关；

所述三相四线桥式电路的输出端分别连接三组滤波回路，所述三组滤波回路中的A相输出端、B相输出端以及C相输出端分别并联在A相隔离变压器、B相隔离变压器以及C相隔离变压器的二次侧；所述A相隔离单相变压器、B相隔离变压器以及C相隔离变压器的一次侧分别串联在三相风机并网点与风机之间，且分别与相对应的旁路开关并联；

所述两组放电电路以及预充电回路分别通过正、负极直流母线并联在三相四线桥式电路的输入端。

所述三相四线桥式电路包括第一绝缘栅型场效应管、第二绝缘栅型场效应管、第三绝缘栅型场效应管、第四绝缘栅型场效应管、第五绝缘栅型场效应管、第六绝缘栅型场效应管、第一电容以及第二电容，

所述第一绝缘栅型场效应管的漏极、第二绝缘栅型场效应管的漏极、第三绝缘栅型场效应管的漏极以及第一电容的第一端子均与正极直流母线相连；

所述第四绝缘栅型场效应管的源极、第五绝缘栅型场效应管的源极、第六绝缘栅型场效应管的源极以及第二电容的第二端子均与负极直流母线相连；

所述第一绝缘栅型场效应管的源极与第四绝缘栅型场效应管的漏极相连并作为A相输出端；

所述第二绝缘栅型场效应管的源极与第五绝缘栅型场效应管的漏极相连并作为B相输出端；

所述第三绝缘栅型场效应管的源极与第六绝缘栅型场效应管的漏极相连并作为C相输出端；

所述第一电容的第二端子与第二电容的第一端子相连为直流母线中点。

所述两组放电电路包括由第七绝缘栅型场效应管以及第一电阻组成的第一组放电电路以及由第八绝缘栅型场效应管以及第二电阻组成的第二组放电电路，

所述第七绝缘栅型场效应管的漏极与正极直流母线连接，第七绝缘栅型场效应管的源极与第一电阻的第一端子相连，第一电阻的第二端子与直流母线中点相连；

所述第八绝缘栅型场效应管的漏极与直流母线中点相连，第八绝缘栅型场效应管的源极与第二电阻的第一端子相连，第二电阻的第二端子与负极直流母线相连。

所述三组滤波回路包括，

第一组滤波回路，包括第一电感以及第三电容，所述第一电感的一端与所述A相输出端相连，第一电感的另一端通过第三电容与直流母线中点相连；所述第三电容的两端分别与所述A相隔离变压器的二次侧的两端相连；

第二组滤波回路，包含第二电感以及第四电容，所述第二电感的一端与所述B相输出端相连，第二电感的另一端通过第四电容与直流母线中点相连；所述第四电容的两端分别与所述B相隔离变压器的二次侧的两端相连；

第三组滤波回路，包含第三电感以及第五电容，所述第三电感的一端与所述C相输出端相连，第三电感的另一端通过第五电容与直流母线中点相连。所述第五电容的两端分别与所述C相隔离变压器的二次侧的两端相连。

所述预充电回路包括变压器以及与变压器相连的整流桥。

与现有技术相比，采用本发明的一种应用于风机低电压穿越的单相可控串联补偿装置具有以下的技术效果：

本发明将一种单相可控串联补偿装置应用在风场中，串联在每台风机与风机并网点之间，解决系统故障后，并网点电压跌落引起风机拖网，风机变流器发生过流过压失效的问题，使风机满足国家对风机低电压穿越能力的要求。串联补偿装置核心为三相四线桥式电路，电路输出电压经滤波器通过变压器耦合到线路中，每一相独立，可以根据三相电压不同特点进行独立补偿，最终使连接到风机的三相端电压都有最好的补偿效果；补偿电压期间由装置的放电电路消耗风机发出的部分有功功率。本装置开关器件少，成本低，便于结构设计。

在并网点与风机之间加入电压串联补偿装置可以有效解决风机低电压穿越问题，当系统发生短路故障时，风机并网点电压发生电压跌落，串联补偿装置检测到跌落幅度信息，输出一定电压，使进入风机的电压保持不变，即不会影响风机的运行状态，风机在系统发生短路故障时仍保持并网运行。

考虑到系统故障时，受短路阻抗影响，三相电压谐波成分不尽相同，因此单相可控的串联补偿装置可以分相单独控制，应用在风机低电压穿越中会有较好的效果。与每个单相均用一个H桥式逆变器实现相比，则整个装置开关器件少，减少设备成本，可靠性高。

附图说明

图1为本发明的电路拓扑图；

图2为图1中的预充电回路的拓扑图；

图3为无故障时并网点A相电压的示意图；

图4为故障后并网点A相电压的示意图；

图5为补偿时串联补偿装置应输出电压的示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例进一步说明本发明的技术方案。

请参见图1所示的一种应用于风机低电压穿越的单相可控串联补偿装置，包含一个三相四线桥式电路，两组放电电路，一个预充电回路，三组滤波电路，三个单相隔离变压器，三个旁路开关。三相四线桥式电路的输出端分别连接三组滤波回路，三组滤波回路的电容两端分别并联三个单相隔离变压器的二次侧，三个隔离单相变压器的一次侧分别串联在三相风机并网点与风机之间，且分别与三个旁路开关并联，两个放电电路分别并联在三相四线桥式电路直流电容两端，预充电电路并联在三相四线桥式电路直流电容两端。

其中三相四线桥式电路：包含第一至第六绝缘栅型场效应管M1、M2、M3、M4、M5、M6，第一电容C1、第二电容C2。它们的连接方式为第一至第三绝缘栅型场效应管M1、M2、M3的漏极、第一电容C1的第一端子连接，为直流母线正。第四至第六绝缘栅型场效应管M4、M5、M6的源极、第二电容的第二端子连接，为直流母线负，第一绝缘栅型场效应管M1的源极与第四绝缘栅型场效应管M4的漏极相连为A相输出端，第二绝缘栅型场效应管M2的源极与第五绝缘栅型场效应管M5的漏极相连为B相输出端，第三绝缘栅型场效应管M3的源极与第六绝缘栅型场效应管M6的漏极相连为C相输出端。第一电容C1的第二端子与第二电容C2的第一端子相连为直流母线中点；

两组放电回路：第一组放电电路包含第七绝缘栅型场效应管M7、第一电阻R1，第七绝缘栅型场效应管M7的漏极与直流母线正连接，第七绝缘栅型场效应管M7的源极与第一电阻R1的第一端子相连，第一电阻R1的第二端子与直流母线中点相连；第二组放电电路包含第八绝缘栅型场效应管M8、第二电阻R2，第八绝缘栅型场效应管M8的漏极与直流母线中点连接，第八绝缘栅型场效应管M8的源极与第二电阻R2的第一端子相连，第二电阻R2的第二端子与直流母线负相连；

三组滤波回路：第一组滤波回路包含第一电感L1、第三电容C3，第一电感L1的第一端子与A相输出端相连，第一电感L1的第二端子与第三电容C3的第一端子相连，第三电容C3的第二端子与直流母线中点连接。第二组滤波回路包含第二电感L2、第四电容C4，第二电感L2的第一端子与B相输出端相连，第二电感L2的第二端子与第四电容C4的第一端子相连，第四电容C4的第二端子与直流母线中点连接。第三组滤波回路包含第三电感L3、第五电容C5，第三电感L3的第一端子与C相输出端相连，第三电感L3的第二端子与第五电容C5的第一端子相连，第五电容C5的第二端子与直流母线中点连接。

三个单相隔离变压器和三个旁路开关：A相隔离变压器T1二次侧的第一端子、第二端子分别与第三电容C3的第一端子、第二端子连接。A相隔离变压器T1一次侧的第一端子、第二端子分别与第一旁路开关S1的第一端子、第二端子相连；B相隔离变压器T2二次侧的第一端子、第二端子分别与第四电容C4的第一端子、第二端子连接。B相隔离变压器T2一次侧的第一端子、第二端子分别与第二旁路开关S2的第一端子、第二端子相连；C相隔离变压器T3二次侧的第一端子、第二端子分别与第五电容C5的第一端子、第二端子连接。C相隔离变压器T3一次侧的第一端子、第二端子分别与第三旁路开关S3的第一端子、第二端子相连；

单相可控串联补偿装置与电网并网点、风机的连接方式为：电网并网点A相出线与A相隔离变压器T1的第一端子相连，风机A相进线与A相隔离变压器T1的第二端子相连；电网并网点B相出线与B相隔离变压器T2的第一端子相连，风机B相进线与B相隔离变压器T2的第二端子相连；电网并网点C相出线与C相隔离变压器T3的第一端子相连，风机B相进线与C相隔离变压器T3的第二端子相连；

预充电回路的第一端子与直流母线正相连，预充电回路的第二端子与直流母线负相连。

本实施例工作过程如下：

在风机处于未接入电网状态，将单相可控串联补偿装置安装在风机与风机并网点之间。第一至第三旁路开关S1、S2、S3处于闭合状态，单相可控串联补偿装置的预充电电路将三相四线桥式电路直流电容充到一定电压，电压值为串联补偿装置可补偿电网跌落电压交流峰峰值，（当隔离变压器T1、T2、T3一次侧二次侧变比为1:1时），预充电电路可由变压器T，整流桥Q构成，具体见图2。三相四线桥式电路的开关器件，放电电路的开关器件均处于闭锁状态，此时为装置就绪状态。

装置就绪后，风机接入电网，在系统无故障，风机并网点电压正常时，三个旁路开关器件S1、S2、S3保持闭合，串联补偿装置处于被旁路状态，即风机向系统发出的电流经过三个开关器件直接进入电网，没有流经串联补偿装置。三相四线桥式电路直流电容电压仍保持原预充电电压值。三相四线桥式电路开关器件、放电电路的开关器件保持闭锁状态。

当系统发生短路故障，造成风机并网点电压跌落，单相可控串联补偿装置通过对风机并网点电压检测，得到跌落信息，三个旁路开关S1、S2、S3断开，同时投入三相四线桥式电路，补偿风机并网点电压，使风机侧端电压保持不变。

由于此装置为的单相可控串联补偿，在电压跌落时，可对每一相进行对立补偿，以A相为例说明补偿策略，实际应用中，单相可控串联补偿装置需用以风机端电压为闭环控制目标，更好的保证风机端电压不变。为了简化分析过程，现通过开环控制说明补偿工作原理，系统无故障时，风机并网点电压为1.0（pu）见图3，系统发生短路故障后，并网点电压降为0.3pu见图4，按照电压开环控制策略，单相可控串联补偿装置应输出电压为0.7pu,相位与并网点电压一致见图5，即可使风机端口电压仍为1.0pu。三相四线A相桥臂两个开关器件M1、M4按照0.7pu的参考电压，通过PWM调制的方式输出电压，经过滤波回路后，电压通过变压器耦合到风机并网点与风机端口之间。

在装置补偿电压期间，风机仍保持原工作状态，假定风机发出电流的为纯有功电流，当补偿装置补偿电压时，风机会向补偿装置注入有功功率，注入有功功率的大小与风机发出有功电流大小，风机并网点电压跌落深度，装置产生的补偿电压大小有关。当有功功率注入串联补偿装置，直接造成的影响为装置直流电容电压上升，不同的补偿时刻，直流电容C1、C2电压均可上升，为了稳定直流侧电压，放电电路会直接检测直流电容C1、C2两端电压，当其电压超过某一阈值后，对应的放电电路开关器件开通，将电容电荷泄放，使电容电压降低，当电容电压降到另一阈值后，放电电路开关器件恢复阻断状态。

当系统故障恢复后，三相四线桥式电路开关器件闭锁，旁路开关S1、S2、S3闭合导通，装置恢复到就绪状态。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种应用于风机低电压穿越的单相可控串联补偿装置，其特征在于：

包含一个三相四线桥式电路、两组放电电路、一个预充电回路、三组滤波电路、三个单相隔离变压器以及三个旁路开关；

所述三相四线桥式电路的输出端分别连接三组滤波回路，所述三组滤波回路中的A相输出端、B相输出端以及C相输出端分别并联在A相隔离变压器、B相隔离变压器以及C相隔离变压器的二次侧；所述A相隔离单相变压器、B相隔离变压器以及C相隔离变压器的一次侧分别串联在三相风机并网点与风机之间，且分别与相对应的旁路开关并联；

所述两组放电电路以及预充电回路分别通过正、负极直流母线并联在三相四线桥式电路的输入端。

2.根据权利要求1所述的单相可控串联补偿装置，其特征在于：

所述三相四线桥式电路包括第一绝缘栅型场效应管、第二绝缘栅型场效应管、第三绝缘栅型场效应管、第四绝缘栅型场效应管、第五绝缘栅型场效应管、第六绝缘栅型场效应管、第一电容以及第二电容，

所述第一绝缘栅型场效应管的漏极、第二绝缘栅型场效应管的漏极、第三绝缘栅型场效应管的漏极以及第一电容的第一端子均与正极直流母线相连；

所述第四绝缘栅型场效应管的源极、第五绝缘栅型场效应管的源极、第六绝缘栅型场效应管的源极以及第二电容的第二端子均与负极直流母线相连；

所述第一绝缘栅型场效应管的源极与第四绝缘栅型场效应管的漏极相连并作为A相输出端；

所述第二绝缘栅型场效应管的源极与第五绝缘栅型场效应管的漏极相连并作为B相输出端；

所述第三绝缘栅型场效应管的源极与第六绝缘栅型场效应管的漏极相连并作为C相输出端；

所述第一电容的第二端子与第二电容的第一端子相连为直流母线中点。

3.根据权利要求1所述的单相可控串联补偿装置，其特征在于：

所述两组放电电路包括由第七绝缘栅型场效应管以及第一电阻组成的第一组放电电路以及由第八绝缘栅型场效应管以及第二电阻组成的第二组放电电路，

所述第七绝缘栅型场效应管的漏极与正极直流母线连接，第七绝缘栅型场效应管的源极与第一电阻的第一端子相连，第一电阻的第二端子与直流母线中点相连；

所述第八绝缘栅型场效应管的漏极与直流母线中点相连，第八绝缘栅型场效应管的源极与第二电阻的第一端子相连，第二电阻的第二端子与负极直流母线相连。

4.根据权利要求1所述的单相可控串联补偿装置，其特征在于：

所述三组滤波回路包括，

第一组滤波回路，包括第一电感以及第三电容，所述第一电感的一端与所述A相输出端相连，第一电感的另一端通过第三电容与直流母线中点相连；所述第三电容的两端分别与所述A相隔离变压器的二次侧的两端相连；

第二组滤波回路，包含第二电感以及第四电容，所述第二电感的一端与所述B相输出端相连，第二电感的另一端通过第四电容与直流母线中点相连；所述第四电容的两端分别与所述B相隔离变压器的二次侧的两端相连；

第三组滤波回路，包含第三电感以及第五电容，所述第三电感的一端与所述C相输出端相连，第三电感的另一端通过第五电容与直流母线中点相连。所述第五电容的两端分别与所述C相隔离变压器的二次侧的两端相连。

5.根据权利要求1所述的单相可控串联补偿装置，其特征在于：

所述预充电回路包括变压器以及与变压器相连的整流桥。

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