CN104009497B - 一种风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置及切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置及切换方法。其中包括PWM变换器、LC滤波器、切换装置、串联耦合变压器、旁路开关、脉冲控制单元、风力发电机和电网公共连接点。补偿系统在风电机组变流器造成较大程度的低次谐波电流，或者电网要求风力发电机组具有一定的无功功率调节能力的情况下，实现三相线路中谐波和无功电流补偿。补偿系统在电网故障造成电压跌落的情况下，实现风电机组的低电压故障穿越运行。本补偿系统能够实现有源滤波器电路和低电压穿越电路之间切换，两种电路共用PWM变换器主电路模块，减小了装置的体积，节约了装置的成本，提高了设备的利用率。

Description

一种风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置及切换方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，涉及一种风力机组的串联型低电压穿越控制、并联型有源滤波器以及两种工作模式的自动切换方法。

背景技术

风能作为洁净无污染的新能源，大力发展风电行业对于节能减排和低碳经济等具有很重要的意义。当今世界在风电装机容量快速增长的同时，风电技术也取得了长足进步，特别是风力发电机组本身，由20世纪90年代的定桨距、恒速技术，发展到今天被广泛应用的变桨距、变速技术，而且单机容量不断刷新纪录。过去为了保护风电机组，风电场一般通过频繁切机来躲避电网故障对风电机组的影响。随着风电机组的装机容量越来越大，传统的风电机组自我保护将对电网的安全稳定运行造成重大的影响，特别是在电力系统出现扰动和故障的情况下，其对电力系统的影响越发突出，严重故障将导致电网电压崩溃。出于电力系统安全运行的角度考虑，各国对风电机组制造商提出了更多新的要求，先后出台了风电并网标准，其中风电机组的电能质量和低电压穿越是很重要的两个方面。一方面，风电全功率并网变流器的网侧进线电抗器电感量一般较小，其工作开关频率较低，这导致并网变流器中出现较大程度的低次谐波电流，恶化了整个发电系统的输出电能质量，另外，部分发电机组如感应发电机组的功率因数较低，电网也对发电机组无功调节具有一定的要求，采用有源滤波器可以很好地解决上述需求。与串联型有源滤波器相比，并联型有源滤波器具有投切方便灵活以及各种保护简单的优点，并且能够更好地补偿电流谐波和机组无功功率。另一方面，在电网故障导致发电机并网连接点电压跌落时，需要采用必要的措施，防止风电机组因过电流或者过电压触发保护而脱网，有效降低风电机组机械传动系统和电气系统的冲击，从而具备低压穿越能力。

专利CN101860043B“串联型风力发电低电压穿越控制装置及控制方法”公开了一种串联型风力发电机组低电压穿越控制装置，脉冲控制单元可调节PWM变换器补偿电网上的电压跌落，将发电机端电压维持在一定的水平，从而实现低电压穿越，但该方案仅能实现低电压穿越，不能解决电网谐波和无功问题；文献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”公开了一种串联补偿低电压穿越装置和控制方法，利用三相标准变换器实现对直流母线电容电压的自充电启动，但该方案仅能实现低电压穿越工作模式；文献CN103390901A“风电机组综合串联补偿电压穿越装置及控制方法”公开了一种风电机组综合串联补偿电压穿越装置，在电网故障期间引起机端电压跌落、电网由于无功过剩引起机端电压升高以及电网谐波含量过大情况下，分别实现低电压穿越、高电压穿越和谐波补偿，避免风力发电机组的脱网和谐波的不良影响，但该方案没有采用切换装置，仅通过改变控制策略实现不同控制要求，对不同工作模式的效果不能做到同时最优，尤其对谐波和无功电流的补偿效果较差。文献CN103248052A“一种三相并联型有源电力滤波器的饱和切换控制方法”公开了一种三相并联型有源电力滤波器的饱和切换控制方法，通过建立切换系统模型，在饱和切换规则作用下，实现对电网谐波电流的补偿。但该方案仅能实现有源滤波器工作模式。文献CN101651347B“一种并联型有源电力滤波器”公开了一种并联型有源电力滤波器，在有源滤波器交流输入端与负载电路间接入三相滤波电感，能够降低补偿侧三相电感大小，提高滤波器电流跟踪能力。但该方案仅能治理电网谐波污染，不能解决低电压穿越问题。

由于电网的低电压故障发生概率较低，单独设置风电机组的低电压穿越补偿装置极不经济，为此，本发明将低电压穿越工作模式和有源滤波器工作模式电路通过切换装置集成到同一平台上，通过共享产生补偿电压或电流的PWM变换器的主电路，从而提高了材料的利用率，减小了补偿装置的体积，降低了成本。在电网正常情况下，切换装置自动切换至有源滤波器模式，补偿系统作为并联型有源滤波器工作，实现三相线路中谐波和无功电流补偿；在电网低电压故障情况下，切换装置自动切换至串联型低电压补偿模式，辅助实现风电机组的低电压故障穿越运行。

发明内容

技术问题：本发明提供一种利用一台PWM变换器实现低电压穿越和有源滤波补偿功能，在补偿谐波电流和无功电流方面具有更好的性能，能可靠实现风电机组的低电压故障穿越，减小了补偿装置的体积，节约了成本的风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置，同时提供两种基于该装置的风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置的模式切换方法，分别实现上述装置从并联型有源滤波器模式切换到串联型低电压穿越模式，以及从串联型低电压穿越模式切换到并联型有源滤波器模式。

技术方案：本发明的风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置，包括PWM变换器、LC滤波器、切换装置、串联耦合变压器、旁路开关、脉冲控制单元、风力发电机和电网公共连接点。其中，PWM变换器的三相输出连接到LC滤波器的一端，所述的LC滤波器另一端与切换装置的输入端连接，切换装置的输出分成三相且每相有两个输出端，每相的一个输出端A₃、B₃、C₃端口接入到电网公共连接点，另一个输出端A₄、B₄、C₄端口接入到串联耦合变压器的原边一端，串联耦合变压器的原边另一端三相短接，串联耦合变压器的副边两端跨接在电网公共连接点和风力发电机端口之间，旁路开关跨接在串联耦合变压器的副边两端，脉冲控制单元通过信号线分别与PWM变换器、切换装置和旁路开关连接，旁路开关采用双向晶闸管。

本发明装置的优选方案中，切换装置包括三个静态切换开关和三个快速切换开关，所述的静态切换开关采用双向晶闸管，所述快速切换开关由两个相同的晶闸管共阳极连接组成，并且每个晶闸管都反向并联有一个续流二极管，每个静态切换开关，以及每个快速切换开关均对应一相线路，同相的静态切换开关和快速切换开关在输入端并联后共同连接到LC滤波器的一相端口上，静态切换开关的输出端作为切换装置一相的一个输出端与串联耦合变压器的原边一端连接，快速切换开关输出端作为切换装置一相的另一个输出端与电网公共连接点的一相端口连接。

本发明的风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置的切换方法，将上述装置从并联型有源滤波器模式切换到串联型低电压穿越控制模式，包括顺序执行以下步骤：

① 装置初始工作状态为并联型有源滤波器模式，实时采集电网公共连接点的电压，设定低电压门槛值为0.9 倍的额定电压，一旦检测到电网公共连接点的电压值低于所述低电压门槛值，脉冲控制单元停止向PWM变换器和旁路开关输出触发脉冲，并联型有源滤波器模式停止；

②在电压过零点之前，利用外部强迫换流回路切断快速切换开关，对快速切换开关的电流进行采样，当三个切断快速切换开关的电流都为零时，确认快速切换开关实现关断，此时PWM变换器与电网断开连接；

③ 脉冲控制单元触发闭合静态切换开关，使PWM变换器通过切换装置的一组输出端A₄、B₄和C₄端口与串联耦合变压器接通；

④ 对旁路开关的电流i­_x的大小和方向进行采样，x=a,b, c，a,b,c代表电路的三相。根据电流i­_x的方向，脉冲控制单元驱动 PWM变换器产生与电流i­_x方向相反、幅值恒定的电压，施加到串联耦合变压器的原边并感应到副边，叠加到旁路开关两端；

⑤ 检测旁路开关的电流i­_x，当电流i­_x减小到零时，旁路开关就实现断开，PWM变换器停止输出反向电压，开始输出低电压补偿信号，装置开始工作在串联型低电压穿越模式。

本发明的另一种风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置的切换方法，将上述装置从串联型低电压穿越模式切换到并联型有源滤波器模式，包括顺序执行以下步骤：

① 装置初始工作状态为串联型低电穿越模式，实时采集电网公共连接点的电压，若检测到电网公共连接点的电压高于0.9倍的额定电压，则判定电网公共连接点的电压恢复正常，然后关闭PWM变换器，使串联型低电压穿越模式停止工作；

② 脉冲控制单元触发闭合旁路开关，使串联耦合变压器被旁路，从而退出运行；

③ 脉冲控制单元停止向静态切换开关发送触发信号，当切换开关中的交流电流过零后，切换开关自然断开，对静态切换开关的电流进行采样，当三个静态切换开关的电流都为零时，确认静态切换开关实现断开；

④ 脉冲控制单元触发闭合快速切换开关，使PWM变换器通过切换装置的另一组输出端A₃、B₃和C₃端口与电网公共连接点接通，装置开始工作在并联型有源滤波器模式。

在电网正常工作情况下，整个系统工作在有源滤波器模式，实现三相线路中谐波和无功电流补偿；在检测电网电压跌落情况下，补偿装置立即切换至串联补偿模式，辅助实现风电机组的低电压故障穿越运行。

本发明装置安装于风力发电机端与电网公共连接点（PCC点）之间的三相电路上，解决了现有技术中存在的以下3个技术问题：（1）风电机组变流器造成较大程度的低次谐波电流，恶化整个发电系统的输出电能质量，部分发电机组功率因数较低，或者电网要求风力发电机组具有一定的无功功率调节能力。（2）电网故障造成电压跌落时，风电机组因不具备低压穿越能力而发生脱网。（3）并联型有源滤波器电路和串联型低电压补偿电路共用PWM变换器主电路模块，以及两种电路之间快速有效的切换。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

现有的电能质量调节器，串联型补偿电路和并联型补偿电路分用两台PWM变换器，至多公用直流母线电容。然而，针对风电机组低电压故障穿越的补偿，电网低电压故障发生概率较低、单独设置低电压穿越补偿装置不经济。本发明风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置安装在风力发电机与电网PCC点之间，存在两种工作模式并可相互自动切换，利用一台PWM变换器实现低电压穿越和有源滤波补偿功能，大大提高了设备的利用率。解决了单独设置低电压穿越补偿装置不经济的问题。与串联型有源滤波器相比，并联型有源滤波器具有投切方便灵活以及各种保护简单的优点，在补偿谐波电流和无功电流方面具有更好的性能。同时串联型的低电压穿越补偿模式在电压补偿方面具有明显优势，采用串联型电路能可靠实现风电机组的低电压故障穿越。本发明利用晶闸管开关实现电路的切换，通过切换装置将两个工作模式的串并联电路集成到一个平台，减小了补偿装置的体积，节约了装置的成本。本发明的切换方法，利用强波换流回路快速关断晶闸管，针对低电压故障突发的情况，电路能够保证及时的切换。此外，利用PWM变换器关断旁路开关，不需要另外增加关断装置，进一步提高了装置的利用率。

附图说明

图1为可自动切换的风电机组低电压穿越和有源滤波补偿系统的示意图。

图2为切换装置的主电路结构图。

图3为PWM变换器（含卸荷电路）的拓扑结构图。

图4为快速切换开关及其强迫换流回路示意图。

图5为自动切换的风电机组低电压穿越和有源滤波补偿系统切换流程图。

图中有： PWM变换器1、LC滤波器2、切换装置3、串联耦合变压器4、旁路开关5、脉冲控制单元6、风力发电机7、电网公共连接点8、静态切换开关9、快速切换开关10。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，该可自动切换的风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置安装于风力发电机与电网公共连接PCC点之间的三相电路上。该装置包括PWM变换器1、LC滤波器2、切换装置3、串联耦合变压器4、旁路开关5、脉冲控制单元6、风力发电机7和电网公共连接点8；其中，PWM变换器1的三相输出连接到LC滤波器2的一端， LC滤波器2另一端与切换装置3的输入端连接，切换装置3的输出分成三相且每相有两个输出端，每相的一个输出端A₃、B₃、C₃端口接入到电网公共连接点8，另一个输出端A₄、B₄、C₄端口接入到串联耦合变压器4的原边一端，串联耦合变压器4的原边另一端三相短接，串联耦合变压器4副边两端跨接在电网公共连接点8和风力发电机7端口之间，旁路开关5跨接在串联耦合变压器4的副边两端，脉冲控制单元6通过信号线分别与PWM变换器1中IGBT的门极、切换装置3各开关管的门极和旁路开关5的门极连接。LC滤波回路2，用于滤除PWM变换器1开关造成的高频谐波毛刺。

如图2所示，所述切换装置3包括三个静态切换开关9和三个快速切换开关10，所述的静态切换开关9采用双向晶闸管，所述快速切换开关10由两个相同的晶闸管共阳极连接组成，并且每个晶闸管都反向并联有一个续流二极管。每个静态切换开关9，以及每个快速切换开关10均对应一相线路，同相的静态切换开关9和快速切换开关10在输入端并联后共同连接到LC滤波器2的一相端口上，静态切换开关9的输出端作为切换装置3一相的一个输出端与串联耦合变压器4的原边一端连接，快速切换开关10输出端作为切换装置3一相的另一个输出端与电网公共连接点8的一相端口连接。

所述的补偿装置有两种工作模式。第1种工作模式为并联型有源滤波器模式，用于实现三相线路中谐波和无功电流补偿，此时旁路开关5和快速切换开关10闭合，静态切换开关9断开。第2种工作模式为串联型低电压穿越模式，用于实现风电机组的低电压故障穿越运行，此时静态切换开关9闭合，旁路开关5和快速切换开关10断开。

当检测到风电机组发生低电压故障时，需要快速地将工作模式1切换至工作模式2，所述的快速切换开关10要实现快速关断。本发明通过外部换流回路强迫快速切换开关10中的晶闸管迅速关断，实现电路状态的快速切换。

如图3所示，PWM变换器1实现了直流-交流之间的转换。PWM变换器1与直流母线电容并联；直流母线电容存储能量，作为提供补偿电压和补偿电流的装置，经PWM变换器将直流电压逆变成交流电压后叠加在电网公共连接PCC点，作为补偿信号。

直流电容并联有卸荷回路。串联型低电压穿越补偿模式时，直流电容会吸收有功功率产生泵升。为了防止电容电压泵升造成损坏，在电容电压值超过设定参考值时，触发闭合卸荷回路中的IGBT开关VT_b，使直流电容通过卸荷电阻释放吸的收有功，达到降低泵升电压的目的。

在系统投入运行前，直流电容需要预先充电。本发明利用PWM变换器1通过PWM整流方式向直流电容充电，当直流电容电压达到预定值时，装置即可投入运行。

如图4所示，A相的快速切换开关10及其外部换流回路由晶闸管T₇, T₈, T_9, T₁₀，二极管D₁, D₂以及两组振荡电容和振荡电感构成。正常工作时，电流通过T₇, D₁或者T₈，D₂导通。振荡电容预先完成充电。

当需要关断开关时，脉冲控制单元停止向T₇, T₈送出触发信号。脉冲控制单元触发闭合T₉, T₁₀。若此时电路导通的开关是T₇, D₁，则有T_7, T_9, 振荡电容，振荡电感构成振荡回路，迫使T₇中的电流快速下降。T₇的电流减小直到过零后，二极管D₂被导通，T₉, D₂, 振荡电容，振荡电感构成换流回路。此时T₇的两端承受D₂产生的反向压降。使反向电压维持时间大于晶闸管固有关断时间，T₇于是被可靠的关断。随着换流回路中电流的减小，二极管D₂关断。外部电流只能流过T₉, D₁, 电感，电容构成的回路。由于该回路为容性支路且频率很高，外部电流迅速下降过零，T9由此关断，LC滤波器2的输出端A₂和切换装置3的输出端A₃之间实现快速断开。若此时电路导通的是开关管T₈，D₂情况同理。

如图5所示，风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置的模式切换方法，该方法将所述装置从并联型有源滤波器模式切换到串联型低电压穿越模式，包括以下步骤：

①装置初始工作状态为并联型有源滤波器模式，此时，切换装置通过输出端A₃、B₃和C₃端口与电网公共连接点8连接，输出端A₄、B₄和C₄端口与串联耦合变压器4断开，旁路开关5闭合。实时采集电网公共连接点8的电压，设定低电压门槛值为0.9 倍的额定电压，一旦检测到电网公共连接点8的电压值低于所述低电压门槛值，脉冲控制单元6停止向PWM变换器1和旁路开关5输出触发脉冲，并联型有源滤波器模式停止；

②在电压过零点之前，利用外部强迫换流回路切断快速切换开关10，对快速切换开关10的电流进行采样，当三个切断快速切换开关10的电流都为零时，确认快速切换开关10实现关断，此时PWM变换器1与电网断开连接；

③ 脉冲控制单元6触发闭合静态切换开关9，使PWM变换器1通过切换装置3的一组输出端A₄、B₄和C₄端口与串联耦合变压器4接通；

④ 对旁路开关5的电流i­_x的大小和方向进行采样，x=a,b,c，a,b,c代表电路的三相。根据电流i­_x的方向，脉冲控制单元6驱动 PWM变换器1产生与电流i­_x方向相反、幅值恒定的电压，施加到串联耦合变压器4的原边并感应到副边，叠加到旁路开关5两端，反向电压施加在旁路开关5的两端，强迫双向晶闸管关断。

⑤ 检测旁路开关5的电流i­_x，当电流i­_x减小到零时，旁路开关5就实现断开， PWM变换器1停止输出反向电压，开始输出低电压补偿信号，装置开始工作在串联型低电压穿越模式。风力发电机机端电压升高至正常值，实现风电机组低电压穿越控制。

该方法将所述装置从串联型低电压穿越模式切换到并联型有源滤波器模式，包括以下步骤：

① 装置初始工作状态为串联型低电穿越模式，此时，切换装置通过输出端A₄、B₄和C₄端口与串联耦合变压器4连接，输出端A₃、B₃和C₃端口与电网公共连接点8断开，旁路开关5断开。实时采集电网公共连接点8的电压，若检测到电网公共连接点8的电压高于0.9倍的额定电压，则判定电网公共连接点8的电压恢复正常，然后关闭PWM变换器1，使串联型低电压穿越模式停止工作；

② 脉冲控制单元6触发闭合旁路开关5，使串联耦合变压器4被旁路，从而退出运行；

③ 脉冲控制单元6停止向静态切换开关9发送触发信号，当切换开关9中的交流电流过零后，切换开关9自然断开，对静态切换开关9的电流进行采样，当三个静态切换开关9的电流都为零时，确认静态切换开关9实现断开；

④ 脉冲控制单元6触发闭合快速切换开关10，使PWM变换器1通过切换装置3的一组输出端A₃、B₃和C₃端口与电网公共连接点8接通，装置开始工作在并联型有源滤波器模式。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同形式，这些改进和等同形式得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置，其特征在于：该装置包括PWM变换器（1）、LC滤波器（2）、切换装置（3）、串联耦合变压器（4）、旁路开关（5）、脉冲控制单元（6）、风力发电机（7）和电网公共连接点（8）；其中，PWM变换器（1）的三相输出连接到LC滤波器（2）的一端，所述的LC滤波器（2）另一端与切换装置（3）的输入端连接，切换装置（3）的输出分成三相且每相有两个输出端，每相的一个输出端A₃、B₃、C₃端口接入到电网公共连接点（8），另一个输出端A₄、B₄、C₄端口接入到串联耦合变压器（4）的原边一端，串联耦合变压器（4）的原边另一端三相短接，串联耦合变压器（4）副边两端跨接在电网公共连接点（8）和风力发电机（7）端口之间，旁路开关（5）跨接在串联耦合变压器（4）的副边两端，脉冲控制单元（6）通过信号线分别与PWM变换器（1）、切换装置（3）和旁路开关（5）连接，所述的旁路开关（5）采用双向晶闸管。

2.根据权利要求1所述的风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置，其特征在于：所述切换装置（3）包括三个静态切换开关（9）和三个快速切换开关（10），所述的静态切换开关（9）采用双向晶闸管，所述快速切换开关（10）由两个相同的晶闸管共阳极连接组成，并且每个晶闸管都反向并联有一个续流二极管；每个静态切换开关（9），以及每个快速切换开关（10）均对应一相线路，同相的静态切换开关（9）和快速切换开关（10）在输入端并联后共同连接到LC滤波器（2）的一相端口上，静态切换开关（9）的输出端作为切换装置（3）一相的一个输出端与串联耦合变压器（4）的原边一端连接，快速切换开关（10）输出端作为切换装置（3）一相的另一个输出端与电网公共连接点（8）的一相端口连接。

3.一种风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置的模式切换方法，其特征在于，该方法将权利要求2所述装置从并联型有源滤波器模式切换到串联型低电压穿越模式，包括以下步骤：

①装置初始工作状态为并联型有源滤波器模式，实时采集电网公共连接点（8）的电压，设定低电压门槛值为0.9 倍的额定电压，一旦检测到电网公共连接点（8）的电压值低于所述低电压门槛值，脉冲控制单元（6）停止向PWM变换器（1）和旁路开关（5）输出触发脉冲，并联型有源滤波器模式停止；

②在电压过零点之前，利用外部强迫换流回路切断快速切换开关（10），对快速切换开关（10）的电流进行采样，当三个切断快速切换开关（10）的电流都为零时，确认快速切换开关（10）实现关断，此时PWM变换器（1）与电网断开连接；

③ 脉冲控制单元（6）触发闭合静态切换开关（9），使PWM变换器（1）通过切换装置（3）的一组输出端A₄、B₄和C₄端口与串联耦合变压器（4）接通；

④ 对旁路开关（5）的电流i­_x的大小和方向进行采样，x= a, b, c，a, b, c代表电路的三相，根据电流i­_x的方向，脉冲控制单元（6）驱动 PWM变换器（1）产生与电流i­_x方向相反、幅值恒定的电压，施加到串联耦合变压器（4）的原边并感应到副边，叠加到旁路开关（5）两端；

⑤ 检测旁路开关（5）的电流i­_x，当电流i­_x减小到零时，旁路开关（5）就实现断开， PWM变换器（1）停止输出反向电压，开始输出低电压补偿信号，装置开始工作在串联型低电压穿越模式。

4.一种风电机组低电压穿越和有源滤波补偿装置的模式切换方法，其特征在于，该方法将权利要求2所述装置从串联型低电压穿越模式切换到并联型有源滤波器模式，包括以下步骤：

① 装置初始工作状态为串联型低电穿越模式，实时采集电网公共连接点（8）的电压，若检测到电网公共连接点（8）的电压高于0.9倍的额定电压，则判定电网公共连接点（8）的电压恢复正常，然后关闭PWM变换器（1），使串联型低电压穿越模式停止工作；

② 脉冲控制单元（6）触发闭合旁路开关（5），使串联耦合变压器（4）被旁路，从而退出运行；

③ 脉冲控制单元（6）停止向静态切换开关（9）发送触发信号，当切换开关（9）中的交流电流过零后，切换开关（9）自然断开，对静态切换开关（9）的电流进行采样，当三个静态切换开关（9）的电流都为零时，确认静态切换开关（9）实现断开；

④ 脉冲控制单元（6）触发闭合快速切换开关（10），使PWM变换器（1）通过切换装置（3）的另一组输出端A₃、B₃和C₃端口与电网公共连接点（8）接通，装置开始工作在并联型有源滤波器模式。