CN103887819A - 一种双馈型风机并网发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈型风力发电并网系统，包括双馈发电机、连接在所述双馈发电机的定子与电网间的并网断路器以及依次连接在所述双馈发电机的转子与所述并网断路器间的变流器和主接触器，还包括连接在所述双馈发电机的定子与所述并网断路器间的并网开关装置，其中：所述并网开关装置包括三个分别接入每一相线路的开关单元，每个开关单元均包括反并联连接的至少两个开关管；所述并网系统还包括控制单元，所述控制单元用于在并网开关装置两端相对应的任意两相线电压之间的差值的绝对值小于一预设值时输出驱动信号使三个开关单元都处于导通状态以实现并网。实施本发明的有益效果是，并网时冲击电流小，且具有很好短路电流耐冲击能力。

Description

一种双馈型风机并网发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，更具体地说，涉及一种双馈型风机并网发电系统及其控制方法。

背景技术

近年来，随着我国风力发电事业的迅猛发展，我国风电装机总量和年新增装置容量都跃居世界前列，目前市场上的主要风机机型为双馈型和直驱型两种，其中双馈型风机占据市场的主导份额。随着双馈型风机装机容量的激增，也逐渐暴露出了许多问题，其中并网接触器作为风机的关键部件之一，其使用的可靠性以及并网时如何减小冲击电流都成为近年来主要研究的焦点问题之一。

现有的占据市场的主流的双馈型风机系统拓扑结构如图1所示，双馈发电机3转子连接变流器6，变流器6通过主接触器7、并网断路器5连接电网；双馈发电机定子经并网接触器4’，并网断路器5连接到电网。风机停机时，发电机需与电网断开，运行时需与电网连通，这就要求并网开关器件频繁动作。断路器的使用寿命较短，一般为开关10000次左右，因此不适合作为频繁动作的开关器件使用。而接触器的使用寿命较长，一般开关次数超过100000次，所以在双馈发电机定子与并网断路器之间增加一个并网接触器，负责风机正常启停时，起到发电机与电网之间接通和隔离作用，并网断路器在正常情况是一直处于闭合状态的，只有发生短路等严重故障时才进行脱扣保护，以增加并网断路器的寿命。

该双馈型风力发电机的并网过程主要分两步实现：第一步，启动变流器对双馈发电机进行励磁以调整双馈发电机定子侧电压相位、频率、幅值与电网电压相位、频率、幅值相一致；第二步，闭合并网接触器连通电网，实现并网过程。在第一步过程中，双馈发电机定子侧电压相位、频率、幅值与电网电压相位、频率、幅值可以调整到比较接近，但仍旧会有一些误差，因此在第二步过程中并网接触器闭合时会造成很大的冲击电流。因此现有的双馈风力发电系统中采用并网接触器实现并网会存在如下缺陷：

1）并网冲击电流较大，并网时并网接触器两端的电压差会造成较大的冲击电流；

2）接触器的分断能力很小且耐电流冲击能力不大，当双馈发电机定子侧发生短路故障时，由于断路器分断速度较慢，大约在几十毫秒左右，在这段时间内并网接触器需要承受的短路电流是系统额定电流的十多倍以上。

现有技术中为了避免上述情况，需选用更大等级的并网接触器，这无疑增加了成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述并网冲击电流大、可靠性差的缺陷，提供一种双馈型风力发电系统及其控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种双馈型风力发电并网系统，包括双馈发电机、连接在所述双馈发电机的定子与电网间的并网断路器以及依次连接在所述双馈发电机的转子与所述并网断路器间的变流器和主接触器，还包括连接在所述双馈发电机的定子与所述并网断路器间的并网开关装置，其中：所述并网开关装置包括三个分别接入每一相线路的开关单元，每个开关单元均包括反并联连接的至少两个开关管；

所述并网系统还包括控制单元，所述控制单元用于在并网开关装置两端相对应的任意两相线电压之间的差值的绝对值小于一预设值时，输出驱动信号使三个开关单元都处于导通状态以实现并网。

在上述双馈型风力发电并网系统中，所述开关管为晶闸管。

在上述双馈型风力发电并网系统中，所述开关管为门极可关断晶闸管。

在上述双馈型风力发电并网系统中，所述控制单元包括一信号检测模块，所述信号检测模块用于检测所述并网开关装置两端相对应的任意两相线电压值。

在上述双馈型风力发电并网系统中，所述控制单元还包括一信号比较模块，所述信号比较模块用于对所述线电压值进行比较，并在其差值的绝对值小于所述预设值时输出第一比较结果。

在上述双馈型风力发电并网系统中，所述控制单元还包括一驱动信号模块，所述驱动信号模块用于在所述信号比较模块输出第一比较结果时输出驱动信号给所述并网开关装置。

还提供一种双馈型风力发电并网系统的控制方法，所述双馈型风力发电并网系统包括双馈发电机、依次连接在所述双馈发电机的定子与电网间的并网开关装置和并网断路器以及依次连接在所述双馈发电机的转子与所述并网断路器间的变流器和主接触器，其中：所述并网开关装置包括三个分别接入每一相线路的开关单元，每个开关单元均包括反并联连接的至少两个开关管；该并网系统还包括控制单元，所述控制单元包括信号检测模块、信号比较模块以及驱动信号模块，所述控制方法包括：

所述信号检测模块检测并网开关装置两端相对应的任意两相线电压值；

所述信号比较模块对所述线电压值进行比较，并在其差值的绝对值小于预设值时输出第一比较结果；

所述驱动信号模块在所述信号比较模块输出第一比较结果时输出驱动信号使三个开关单元都处于导通状态以实现并网。

在上述双馈型风力发电并网系统的控制方法中，当所述双馈发电机停机或发生故障时，所述控制单元的驱动信号模块禁止输出驱动信号给所述并网开关装置。

实施本发明的双馈型风力发电系统及其控制方法，具有以下有益效果：通过采用并网开关装置，该并网开关装置包括三个分别接入每一相线路的开关单元，每个开关单元包括反并联连接的至少两个开关管，而开关管采用晶闸管或门极可关断晶闸管，因此完全可以在并网前当任意一组并网开关装置两端相对应的线电压曲线接近其交叉点时，在该时刻点控制三个开关单元都处于导通状态使双馈发电机与电网连通，实现电网和定子电压的无缝衔接，并网冲击电流非常小。此外，当风机停机或双馈发电机定子侧发生短路故障时，也可以在很短的时间内关断开关管，使并网开关装置处于断开状态，隔离短路电流。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有的双馈型风力发电系统的拓扑结构示意图；

图2是本发明双馈型风力发电系统实施例的拓扑结构示意图；

图3是图2中并网开关装置的示意图；

图4是图2中并网开关装置的功能扩展示意图；

图5是1.5MW双馈型风力发电系统并网前电网侧AB相线电压与定子侧AB相线电压同步波形图；

图6是1.5MW双馈风力发电系统并网时电网侧AB相线电压、定子侧AB相线电压、电网侧A相电流波形图；

图7是图2中并网开关装置两端电压交叉点检测原理图；

图8是图7中死区环节曲线图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图2所示，为本发明双馈型风力发电系统实施例的拓扑结构示意图，该双馈型风力发电系统包括风叶1、齿轮箱2、双馈发电机3、并网开关装置4、并网断路器5、变流器6以及主接触器7。其中：风叶1、齿轮箱2依次连接，并网开关装置4和并网断路器5依次连接在双馈发电机3的定子和电网之间，变流器6和主接触器7依次连接在双馈发电机3转子和并网开关装置4与并网断路器5的连接点之间。变流器6包括机侧变流器、网侧变流器以及连接在机侧变流器和网侧变流器之间的储能电容，其中：机侧变流器的交流端与双馈发电机3的转子连接，网侧变流器的交流端与主接触器7连接，机侧变流器与网侧变流器的公共直流端与储能电容两端连接。

特别地，并网开关装置4包括三个分别接入每一相线路的开关单元，每个开关单元均包括反并联连接的至少两个开关管，如图3所示，即该并网开关装置4由六个或以上的开关管构成，在本实施例中，优选为晶闸管或门极可关断晶闸管。该并网开关装置4用于其两端相对应的任意两相线电压之间的差值的绝对值小于一预设值时处于导通状态以实现并网。

参见图2和图4，在本实施例中该系统还包括一控制单元61，该控制单元61包括信号检测模块611、信号比较模块612以及驱动信号模块613。信号检测模块611用于检测并网开关装置4两端相对应的任意两相线电压，信号比较模块612用于对信号检测模块611测得的并网开关装置两端相对应的任意两相线电压进行比较，当其差值的绝对值小于一预设值时，输出第一比较结果；当其差值的绝对值大于或等于该预设值时，输出第二比较结果。驱动信号模块613用于在信号比较模块612输出第一比较结果时输出驱动信号给并网开关装置中的所有开关管，控制并网开关装置中的三个开关单元均处于导通状态，实现并网。即当并网开关装置4两端的任意两相线电压之间的差值较小时实现并网，从而可以极大的减小风力发电系统并网冲击电流。该控制单元的功能也可由变流器6中用于控制变流器内部电力电子开关器件导通与关断的变流器控制单元来实现。

在本实施例中，并网开关装置4还包括一吸收电路41，吸收电路41用于减小在开关管导通和关断时所产生的尖峰电压，可以采用常用的阻容电路来实现（此阻容电路为常用技术，在此不赘述），保护开关管可靠工作。

通过在双馈风力发电机中采用并网开关装置4，可以很大程度的减小并网冲击电流，任意取一组并网开关装置中两端相对应的线电压，以并网开关装置4两端线电压分别为双馈发电机定子AB相线电压Vsab（图3中并网开关装置4与双馈发电机的定子连接的A1相和B1相所构成的线电压）和电网AB相线电压Vgab（图3中并网开关装置4与电网连接的A2相和B2相所构成的线电压）为例，如图5所示，为并网前的电压波形（为了图示更加清晰，加大了两者的相位差，实际过程相位差会更小），由于在并网之前需首先启动变流器对双馈发电机进行励磁，双馈发电机定子电压相位、频率、幅值与电网电压相位、频率、幅值可以调整到比较接近，但仍旧会有一些误差，即双馈发电机定子AB相线电压Vsab和电网AB相线电压Vgab会存在一定的相位差和幅值差，所以每个周期其电压曲线都会存在两个电压交叉点，在每个电压交叉点其电压差值为零，即在该时刻点进行并网可以实现电网和双馈发电机定子电压的无缝衔接。但是在现有技术中通过采用并网接触器来实现并网，其动作延时往往达到100ms以上，而且每个开关动作延时往往一致性很差，导致以上方法难以实现，在并网接触器闭合实现并网时会存在很大的冲击电流。

因此通过采用并网开关管装置4代替现有的并网接触器，该并网开关装置4包括三个分别接入每一相线路的开关单元，每个开关单元由两个或以上开关管反并联构成，而开关管优选为晶闸管或门极可关断晶闸管，因此在本实施例中开关管为静态开关器件，导通速度是微秒级的，完全可以控制在并网时刻接近电压交叉点，使得并网冲击电流大大减小，如图6所示，上半部分的子图为并网时并网开关装置两端的AB相线电压波形，下半部分的子图为A相并网冲击电流波形，结合图5和图6，在风机运行需与电网连通时，且并网开关装置两端相对应的任意两相线电压之间的差值的绝对值小于一预设值时，控制单元输出驱动信号控制并网开关装置中的三个开关单元都处于导通状态，因本实施例中的开关管为晶闸管或门极可关断晶闸管，其导通速度是微秒级的，完全可以控制在电压交叉点处实现并网，因此并网冲击电流非常小。

特别地，如果并网开关装置中的开关管采用的是晶闸管，在风机停机时，双馈发电机需与电网断开，控制单元61将禁止输出驱动信号给并网开关装置，根据晶闸管的特性，在流经其电流过零或反向时器件自动截止，此时晶闸管会自动关断，其最长的关断时间为10ms（电网电压周期的一半）。在双馈发电机定子电流发生短路故障时，此时控制单元会检测到电流过大，并报过流故障，同样禁止输出驱动信号给并网开关装置，晶闸管自动关断，且每一相的短路电流关断时间最长为10ms，而三相全部关断的时间为10ms～20ms，比断路器脱扣时间减小一倍以上，因此可以更快速度的关断短路电流，从而更好的保护双馈风力发电系统中的变流器及其他核心部件。

如果并网开关装置中的开关管采用的是门极可关断晶闸管，因门极可关断晶闸管为全控器件，当双馈发电机定子电流发生短路故障时，控制单元会检测到电流过大并报过流故障，此时会输出一门极关断信号给并网开关装置，根据门极可关断晶闸管的特性，会在几十微秒内自动关断，隔离短路电流，因此具有很好的短时间耐电流冲击能力，从而避免在双馈发电机定子电流发生短路故障时烧毁。

如图7所示，为并网开关装置4两端电压交叉点检测原理图，即将通过信号比较模块612将信号检测模块611检测到的并网开关装置4电网AB相线电压Vgab和双馈发电机定子AB相线电压Vsab进行比较，得到其差值ΔVab=Vgab-Vsab，该信号比较模块612可以由硬件电路实现，也可以由软件程序实现。当ΔVab的绝对值大于或等于预设值即设定的阀值Vthd时，此时信号比较模块612输出第二比较结果S=1，则表示并网开关装置两端电压差较大，不能并网；当ΔVab的绝对值小于设定的阀值Vthd时，此时信号比较模块612输出第一比较结果S=0，则表示并网开关装置两端电压差很小，即接近图5所示的并网开关装置两端电压的电压曲线交叉点，达到并网条件，可以并网，此时控制单元根据该比较结果输出驱动信号至并网开关装置，控制并网开关装置中三个开关单元均处于导通状态。上述预设值即设定的阀值Vthd可设为系统额定电压幅值的2%，但不限于此。以1.5MW双馈风力发电系统为例，假设其额定电压幅值为975.66V（690V*1.414），那么阀值Vthd可设为19.5V（975.66V*2%）。

图8为图7中死区环节曲线图，Vthd的值可参考上述所描述的进行设定。在-Vthd与+Vthd的区域值之间，输出S值为0，即表示并网开关装置两端电压差很小，达到并网条件，可以进行并网。

在上述中是以通过检测并网开关装置两端相对应的AB相线电压进行比较控制为例，同样的，也可通过检测并网开关装置两端相对应的AC相线电压或BC相线电压进行比较控制。

本发明还提供了一种双馈型风力发电系统的控制方法，该双馈型风力发电系统在上述实施例中已作阐述，在此不作赘述，控制方法包括：

信号检测模块611检测并网开关装置两端相对应的任意两相线电压值；

信号比较模块612对检测到的线电压值进行比较，并在其差值的绝对值小于预设值时输出第一比较结果，大于或等于该预设值时输出第二比较结果；

驱动信号模块613在信号比较模块612输出第一比较结果时输出驱动信号给并网开关装置，使三个开关单元都处于导通状态以实现并网。

因此，实施本发明双馈型风力发电系统及其控制方法，通过采用并网开关装置，该并网开关装置包括三个分别接入每一相线路的开关单元，每个开关单元均包括反并联连接的至少两个开关管，而开关管采用晶闸管或门极可关断晶闸管，因此完全可以控制在并网前接近电压曲线交叉点时刻使其并网开关装置处于导通状态实现双馈发电机与电网连通，此时双馈发电机定子电压与电网电压之间的差值较小，因此并网冲击电流非常小。此外，当双馈发电机定子电流发生短路故障时，可以在很短的时间内关断开关管，使并网开关装置处于断开状态，隔离短路电流。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种双馈型风力发电并网系统，包括双馈发电机、连接在所述双馈发电机的定子与电网间的并网断路器以及依次连接在所述双馈发电机的转子与所述并网断路器间的变流器和主接触器，其特征在于，还包括连接在所述双馈发电机的定子与所述并网断路器间的并网开关装置，其中：所述并网开关装置包括三个分别接入每一相线路的开关单元，每个开关单元均包括反并联连接的至少两个开关管；

所述并网系统还包括控制单元，所述控制单元用于在并网开关装置两端相对应的任意两相线电压之间的差值的绝对值小于一预设值时，输出驱动信号使三个开关单元都处于导通状态以实现并网。

2.据权利要求1所述的双馈型风力发电并网系统，其特征在于，所述开关管为晶闸管。

3.据权利要求1所述的双馈型风力发电并网系统，其特征在于，所述开关管为门极可关断晶闸管。

4.据权利要求2或3任一所述的双馈型风力发电并网系统，其特征在于，所述控制单元包括一信号检测模块，所述信号检测模块用于检测所述并网开关装置两端相对应的任意两相线电压值。

5.据权利要求4所述的双馈型风力发电并网系统，其特征在于，所述控制单元还包括一信号比较模块，所述信号比较模块用于对所述线电压值进行比较，并在其差值的绝对值小于所述预设值时输出第一比较结果。

6.据权利要求5所述的双馈型风力发电并网系统，其特征在于，所述控制单元还包括一驱动信号模块，所述驱动信号模块用于在所述信号比较模块输出第一比较结果时输出驱动信号给所述并网开关装置。

7.一种双馈型风力发电并网系统的控制方法，其特征在于，所述双馈型风力发电并网系统包括双馈发电机、依次连接在所述双馈发电机的定子与电网间的并网开关装置和并网断路器以及依次连接在所述双馈发电机的转子与所述并网断路器间的变流器和主接触器，其中：所述并网开关装置包括三个分别接入每一相线路的开关单元，每个开关单元均包括反并联连接的至少两个开关管；该并网系统还包括控制单元，所述控制单元包括信号检测模块、信号比较模块以及驱动信号模块，所述控制方法包括：

所述信号检测模块检测并网开关装置两端相对应的任意两相线电压值；

所述信号比较模块对所述线电压值进行比较，并在其差值的绝对值小于预设值时输出第一比较结果；

所述驱动信号模块在所述信号比较模块输出第一比较结果时输出驱动信号使三个开关单元都处于导通状态以实现并网。

8.据权利要求7所述的双馈型风力发电并网系统的控制方法，其特征在于，当所述双馈发电机停机或发生故障时，所述控制单元的驱动信号模块禁止输出驱动信号给所述并网开关装置。

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