CN105140963B - 基于故障限流控制的双馈风力发电机系统及低电压穿越方法 - Google Patents

Abstract

基于故障限流控制的双馈风力发电机系统及低电压穿越方法，它涉及一种双馈风力发电机系统及其低电压穿越方法。本发明的目的是为了解决现有的双馈风力发电机系统在进行低电压穿越时，电流变化幅度大，低电压穿越效果差，并且不利于电压恢复后系统的正常运行的问题。本发明包括双馈风力发电机故障限流器，故障限流器设在等效电网与双馈风力发电机定子之间，故障限流器包括整流桥电路和分段投切电路，整流桥电路包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，等效电网连接接第一桥臂的中点，第三桥臂的中点连接双馈风力发电机，分段投切电路连接在第一桥臂的中点和第三桥臂的中点之间。本发明具有更好的低电压穿越性能。

Description

基于故障限流控制的双馈风力发电机系统及低电压穿越方法

技术领域

本发明涉及双馈风力发电机系统及其低电压穿越方法，具体涉及基于故障限流控制的双馈风力发电机系统及其低电压穿越方法，属于双馈风力发电机技术领域。

背景技术

近些年来，随着国家对新能源发电技术的愈加重视，风力发电成为现在非常热门的新兴产业。风力发电机有多种机型可供选择，目前为止双馈异步式和永磁直驱式在风电发展过程过逐步被选为主流的机型。目前双馈异步风力发电机的关键性问题之一就是低电压穿越技术。目前国内对低电压穿越主要采用的是crowbar电路进行抑制，但其会带来一系列的缺点。在电网电压低的情况下强行将双馈风力发电机变为笼型异步发电机，这样从电网中吸收无功，不利于故障后电压的恢复。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的双馈风力发电机系统在进行低电压穿越时，电流变化幅度大，低电压穿越效果差，并且不利于电压恢复后系统的正常运行的问题。

本发明的技术方案是：基于故障限流控制的双馈风力发电机系统，包括双馈风力发电机和低电压穿越装置，所述低电压穿越装置包括故障限流器，双馈风力发电机的定子与等效电网之间设有网侧电感，故障限流器设在网侧电感与双馈风力发电机之间，所述故障限流器包括整流桥电路和分段投切电路，所述整流桥电路包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，等效电网连接第一桥臂的中点，第三桥臂的中点连接双馈风力发电机，所述分段投切电路连接在第一桥臂的中点和第三桥臂的中点之间。

所述故障限流器的个数为三个，分别设在等效电网和双馈风力发电机的三相连接处。这样虽然桥式故障限流器个数增多了，但是可以提供给双馈风力发电机应对不平衡电压跌落的能力。例如只有A相电压跌落，那么仅A相上面的桥式故障限制器投入运行，从而单独抑制A相电压的跌落而不影响B，C相电压的正常。

所述整流桥电路的第一桥臂和第三桥臂的结构相同，第一桥臂包括串联连接的两个二极管。

所述第二桥臂包括第一开关管、储能电感、第一电阻、第二电阻和第一续流二极管，第一开关管的发射极的集电极连接第一电阻的一端和第一续流二极管的正极，第一电阻的另一端连接储能电感的一端，第一续流二极管的负极连接第二电阻的一端，所述储能电感的另一端连接第二电阻的另一端，所述第一电阻为小电阻，第二电阻为大电阻，所述第二电阻的阻值根据低电压穿越过程中的投切速度快慢进行确定，投切速度越快，第二电阻的阻值越大。储能电感中储存的能量通过第一电阻和第二电阻同时消耗其储存的能量。由于第二电阻是一个相对很大的电阻，所以储能电感中的能量很快就释放出去，这种设计可以使故障限流电路的具有适应快速切换情况的能力。

所述分段投切电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第二开关管和第三开关管，第三电阻、第四电阻和第五电阻的阻值相同，所述第三电阻、第四电阻和第五电阻串联后连接在整流电路的第一桥臂中点和第三桥臂中点之间，第二开关管并接在第四电阻的两端，第三开关管并接在第五电阻的两端，将电阻根据不同跌落情况下投入起到抑制定子电流升高的作用，将电阻分段切除防止对电机造成过大的扰动。

所述基于故障限流控制的双馈风力发电机系统包括网侧变流器和转子侧变流器，低电压穿越装置包括制动斩波电路，所述网侧变流器的一端通过网侧电感连接等效电网，网侧变流器的另一端连接转子侧变流器，转子侧变流器的另一端连接双馈风力发电机的转子绕组，制动斩波电路并接在网侧变流器和转子侧变流器之间的直流母线的正负极之间，所述制动斩波电路包括第四开关管、第六电阻和第二续流二极管，所述第四开关管的集电极连接直流母线的正极，第四开关管的发射极通过第六电阻连接直流母线的负极，第二续流二极管并接在第六电阻的两端。所述制动斩波电路可以保护直流母线电压不会失控升高，制动斩波电路和故障限流器配合使用，当故障电流限制器在系统中投切时，有可能也造成对双馈发电机的冲击影响，通过采用制动斩波电路，不但可以限制直流母线电压升高，同时也能有效地抑制故障电流限制器投入和切除过程中带来的双馈风力发电机大幅波动造成的冲击，抑制电网电压跌落造成的电机定转子电流升高和直流母线电压升高。

所述基于故障限流控制的双馈风力发电机系统包括控制系统和电压传感器，所述电压传感器设在双馈风力发电机的出口处，分别检测A相B相C相电压。控制系统判定每一相检测到机端电压跌落后的跌落范围，根据不同的电压跌落范围利用相应的投入和切除方法进行低电压穿越操作。

基于故障限流控制的双馈风力发电机系统的低电压穿越方法，包括：

电压出现跌落时，第一开关管、第二开关管和第三开关管根据不同的电压跌落范围进行关断，第三电阻、第四电阻和第五电阻组合分段投入；

电压恢复正常时，第二开关管、第三开关管和第一开关管依次导通，将第四电阻、第五电阻和第三电阻依次切除。

所述电压跌落范围在30％-50％内，故障发生时刻：第二开关管和第三开关管同时导通，同时第一开关管关断，第二桥臂电流路径关断，第三电阻投入，电流改走第三电阻路径；故障结束之后，第一开关管导通，第二开关管和第三开关管关断，电流改走第二桥臂部分，恢复正常运行状态；

电压跌落范围在50％-70％时，检测到故障发生时刻：第一开关管关断的同时，第二开关管关断，第三开关管导通，第二桥臂部分切除，第三电阻和第四电阻投入；故障结束之后：首先第二开关管导通，第四电阻切除。然后第一开关管导通，电流改走第二桥臂部分，恢复正常运行状态；

电压跌落范围在70％-90％时，检测到故障发生时：第一开关管关断的同时，第二开关管和第三开关管同时关断，第二桥臂切除，第三电阻、第四电阻和第五电阻投入；故障结束之后：首先第三开关管导通，第五电阻被切除。其次第二开关管导通，第四电阻也被切除。最后第一开关管导通，电流改走第二桥臂部分，恢复正常运行状态；

所述基于故障限流控制的双馈风力发电机系统进行投切过程时间差在3ms-6ms之间。电压跌落发生时，发电机的电流调节过程大约能引起一个1ms的延时。本发明的分段投切过程的切换时间在3ms-6ms之间，能达到分段切除的实际目的。若切除时间间隔小于1ms，在电机并没有做出响应就会继续下一次切除，此时对电机来说，过快的切除小电阻仍相当于一下切除了一个大电阻；若切除时间间隔大于6ms，则系统总的切除时间就过长，当系统电压已经恢复正常了，机端电阻又切除过慢，会造成机端电压长时间高于额定电压，产生新的故障。

所述分段投切电路的等效电阻的确定方法为：

式中：是发电机出口变压器的容量，V是发电机出口电压，R_k是分段投切电路的等效电阻。

本发明与现有技术相比具有以下效果：故障限流器作为一种有效的技术措施，能够限制电网的短路容量，从而极大地减轻断路器等各种高压电气设备的动、热稳定负担，提高其动作可靠性和使用寿命，保证电网的安全与稳定运行。另一方面，由于限制了短路容量，有可能显著降低对电网中各种电气设备，如变压器、断路器、互感器等，以及电网结构的设计容量要求，大大节省投资。本发明的故障限流器限制故障电流并且有效拉高电机定子侧电压，具有更好的低电压穿越性能。

附图说明

图1，本发明的整体结构示意图；

图2，本发明故障限流器的电路原理图；

图3，本发明的制动斩波电路的原理图；

图4，本发明的控制策略框图；

图5，不同情况下电压跌落时，双馈风力发电机转子电流的波形，其中图5(a)为电压跌落时无保护时风力发电机转子三相电流波形，图5(b)为加入传统的crowbar电路时，风力发电机转子的三相电流波形，图5(c)为加入本发明的故障限流器后的风力发电机转子的三相电流波形，图5(a)、图5(b)和图5(c)的横坐标为时间，纵坐标表示额定电流的倍数。

图6，不同情况下电压跌落时，双馈风力发电机定子电流的波形，其中图6(a)为电压跌落时无保护装置时电机定子三相电流波形，图6(b)为加入传统crowbar电路时，风力发电机定子三相电流波形，图6(c)为加入本发明的故障限流器后的风力发电机的定子三相电流波形，图6(a)、图6(b)和图6(c)的横坐标为时间，纵坐标表示额定电流的倍数。

具体实施方式

结合附图说明本发明具体实施方式，本发明的基于故障限流控制的双馈风力发电机系统，包括双馈风力发电机DFIG本机和低电压穿越装置，如图1和图2所示，所述低电压穿越装置包括故障限流器BFCL，所述等效电网B与双馈风力发电机DFIG定子之间设有网侧电感Lr，故障限流器BFCL设在网侧电感Lr和双馈风力发电机之间，所述故障限流器BFCL包括整流桥电路和分段投切电路，所述整流桥电路包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，等效电网B连接第一桥臂的中点，第三桥臂的中点连接双馈风力发电机DFIG，所述分段投切电路连接在第一桥臂的中点和第三桥臂的中点之间。

所述故障限流器BFCL的个数为三个，分别设在等效电网B和双馈风力发电机DFIG的三相连接处。

所述整流桥电路的第一桥臂和第三桥臂的结构相同，第一桥臂包括串联连接的两个二极管D1和D3，第二桥臂包括串联连接的两个二极管D2和D4。

所述第二桥臂包括第一开关管IGBT1、储能电感L、第一电阻R1、第二电阻R2和第一续流二极管D5，第一开关管IGBT1的发射极的集电极连接第一电阻R1的一端和续流二极管D5的正极，第一电阻R1的另一端连接储能电感L的一端，第一续流二极管D5的负极连接第二电阻R2的一端，所述储能电感L的另一端连接第二电阻R2的另一端。

所述分段投切电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第二开关管IGBT2和第三开关管IGBT3，第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5的阻值相同，所述第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5串联后连接在整流电路的第一桥臂中点和第三桥臂中点之间，第二开关管IGBT2并接在第四电阻R4的两端，第三开关管IGBT3并接在第五电阻R5的两端。

所述基于故障限流控制的双馈风力发电机系统包括网侧变流器GSC和转子侧变流器RSC，低电压穿越装置包括制动斩波电路A，所述网侧变流器GSC的一端通过网侧电感Lr连接等效电网B，网侧变流器GSC的另一端连接转子侧变流器RSC，转子侧变流器RSC的另一端连接双馈风力发电机DFIG的转子绕组，制动斩波电路A并接在网侧变流器GSC和转子侧变流器RSC之间的直流母线的正负极之间，所述制动斩波电路A包括第四开关管IGBT4、第六电阻R6和第二续流二极管D6，所述第四开关管IGBT4的集电极连接直流母线的正极，第四开关管IGBT4的发射极通过第六电阻R6连接直流母线的负极，第二续流二极管D6并接在第六电阻R6的两端。

如图3所示，制动斩波电路A是连接到背靠背直流母线的电气设备，目的是保护直流母线电压不会失控升高。制动斩波器由一个电阻构成，通过第四开关管IGBT4控制是否连接。为了避免在开通关断过程中产生的过电压，在电阻旁并联了一个第二续流二极管D6。当直流母线电压超过控制系统设定值时，第四开关管IGBT4开通，在直流母线侧投入电阻消耗掉多余的能量。第六电阻R6一直保持连接，直到电压降低到最小的设定值，这时候关断第四开关管IGBT4，从直流母线上切除电阻。

所述基于故障限流控制的双馈风力发电机系统包括控制系统和电压传感器，所述电压传感器设在双馈风力发电机的出口处，分别检测A相B相C相电压，控制系统的输出端分别控制第一开关管IGBT1、第二开关管IGBT2、第三开关管IGBT3和第四开关管IGBT4的开通和关断。

基于故障限流控制的双馈风力发电机系统的低电压穿越方法，包括控制系统判定每一相检测到机端电压跌落后的跌落范围，根据不同的电压跌落范围利用相应的投入和切除方法进行低电压穿越操作，具体为：

在电网正常状态下，第一开关管IGBT1的栅极信号为高电平，第一开关管IGBT1处于开通状态。电网电流在正半周期通过D1-L-R1-IGBT1-D4流过整流桥电路部分。在电网电流负半周期下，电流通过D2-L-R1-IGBT1-D3流过整流桥部分。这样通过储能电感L和第一电阻R1的电流始终是从上到下，储能电感部分可以近似视为短路。由于储能电感L电抗值和第一电阻R1电阻值都很小，分段投切电路的等效电阻R_k又是一个很大的电阻，电流绝大部分从整流桥部分流过。整个电路对外界的影响主的要为R_k通过的少量漏电流，第一续流二极管D5的通态压降，小电抗值的电感L、小阻值的第一电阻R1造成的压降，第一开关管IGBT1的通态压降，这几部分跟电网相比十分微小可以忽落不计。

在电网电压突然跌落时，此时往往伴随着冲击电流。储能电感L可以用来抑制突然产生的冲击电流。随后控制系统令第一开关管IGBT1栅极信号变为低电平，第一开关管IGBT1关断，第二开关管IGBT2的栅极信号为低电平，第二开关管IGBT2关断。第三开关管IGBT3的栅极信号为低电平，第三开关管IGBT3关断。电网电流改走旁路第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5串联的部分，相当于在定子侧串接了一个大电阻R_k，可以将定子侧电压拉高，抑制定子侧电压的跌落；另一方面，储能电感L中储存的能量通过L-R1-D5-R2路径走过，R1，R2同时消耗L中的能量。

电压跌落范围在30％-50％内，第二开关管IGBT2和第三开关管IGBT3同时导通，第三电阻R3投入；

电压跌落范围在50％-70％时，第二开关管IGBT2关断，第三开关管IGBT3导通，第三电阻R3和第五电阻R5投入；

电压跌落范围在70％-90％时，第二开关管IGBT2和第三开关管IGBT3同时关断，第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5投入。

在电网电压恢复正常后，由于分段投切电路的等效电阻R_k本身也是一个大电阻，如果突然将其完全切除同样会造成一定的机端电压跌落。这时本发明对深度电压跌落采取分段切除方式，以90％电压跌落情况为例；在切除第三电阻，第四电阻，第五电阻时采取以下规则。先使第二开关管IGBT2的栅极信号为高电平，第二开关管IGBT2先行导通，相当于串联的第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5中的第四电阻R4短路，等效电阻R_k阻值变小。然后将第三开关管IGBT3的栅极信号变为高电平，使第三开关管IGBT3导通，将第五电阻R5短路，进一步降低等效电阻R_k阻值。最后令第一开关管IGBT1的栅极信号变为高电平。电流改走整流桥电路部分。等效电阻R_k完全从系统中切除，恢复正常运行。

所述基于故障限流控制的双馈风力发电机系统进行投切过程时间差在3ms-6ms之间。

所述分段投切的等效电阻的确定方法为：

式中：为母线上的短路电流向量，是发电机DFIG出口变压器的容量，V是发电机DFIG出口电压，R_k是分段投切电路的等效电阻。

采用matlab中的simulink组件进行仿真实验，采用simulink自带的双馈风力发电机模型，在电网线路三相接地短路导致机端电压电压跌落90％情况下，双馈风力发电机组在加入本专利前后低电压穿越能力的对比，具体的仿真实验过程包括：

在网侧靠近电机部分并联加入一个短路故障模块Three-Phase Fault，将其中的参数相A,B,C全部勾选，并勾选Ground Fault项，将对地电阻设置为0.00001Ω。故障时间设置为0.2～0.3s。经过这个步骤，即可模拟机端电压90％跌落的情况。

1、利用simulink模型搭建图2电路，其中：L＝0.001H、R1＝0.001Ω、R2＝800Ω、R3＝20Ω、R4＝20Ω、R5＝20Ω，各开关管的控制信号采用脉冲信号代替，IGBT1的控制信号0.2～0.31s时脉冲信号低电平，其余时刻为高电平，IGBT2的控制信号0.303s～0.31s时脉冲信号高电平，其余时刻为低电平，IGBT3的控制信号0.307s～0.31s时脉冲信号高电平，其余时刻为低电平。

2、利用simulink模型，将附图3所示结构搭建出来。其中R4＝1.5Ω、开关管的控制信号采用脉冲信号代替，0.2～0.31s时脉冲信号高电平，其余时刻为低电平。

3、进行仿真实验，验证低电压穿越效果。

如图4所示：正常在不加入本专利之前，电压跌落90％情况下双馈风力发电机转子电流幅值最大达到正常幅值的5倍，且多个峰值都在正常电流幅值的2倍以上。在加入本专利之后，电压跌落90％情况下双馈风力发电机转子电流幅值仅有一个峰值达到正常情况的2.6倍，其余时刻波形幅值基本平稳。与目前应用广泛的crowbar电路相比，具有如下优点：

传统的crowbar电路虽然提供了低电压穿越能力，但是故障时相当于鼠笼式感应发电机运行，它需要从电网吸收无功，但是电网电压降低本身无功不足，电机此时从电网吸收无功不利于电压的恢复。

在实际的风力发电厂中，有多台双馈风力发电机，制动斩波电路是crowbar和本专利都需要用到的，所以都要每台电机安装一个。但是crowbar电路法需要每一台电机装再设一个crowbar电路。BFCL只需要在多台电机都连接的a,b,c三相母线上装设就可以提供所有风力发电机低电压穿越能力。

如图5所示：正常在不加入本专利之前，电压跌落90％情况下双馈风力发电机定子电流幅值最大达到正常幅值的5倍，且多个峰值都在正常电流幅值的2倍以上。在加入本专利之后，电压跌落90％情况下双馈风力发电机定子电流幅值仅有一个峰值达到正常情况的2.3倍，其余时刻波形幅值基本平稳。与加入传统的crowbar电路产生的电流波形相比，定子电流最大幅值抑制的更好，所以对双馈电机转子侧保护效果更好。

通过仿真实验，验证了本发明确实能很好的加强双馈风力发电机低电压穿越的能力。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (4)

1.基于故障限流控制的双馈风力发电机系统，包括双馈风力发电机和低电压穿越装置，其特征在于：所述低电压穿越装置包括故障限流器，双馈风力发电机的定子与等效电网之间设有网侧电感，故障限流器设在网侧电感与双馈风力发电机之间，所述故障限流器包括整流桥电路和分段投切电路，所述整流桥电路包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，等效电网连接第一桥臂的中点，第三桥臂的中点连接双馈风力发电机，所述分段投切电路连接在第一桥臂的中点和第三桥臂的中点之间；

所述分段投切电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第二开关管和第三开关管，第三电阻、第四电阻和第五电阻的阻值相同，所述第三电阻、第四电阻和第五电阻串联后连接在整流电路的第一桥臂中点和第三桥臂中点之间，第二开关管并接在第四电阻的两端，第三开关并接在第五电阻的两端。

2.一种基于故障限流控制的双馈风力发电机系统的低电压穿越方法，所应用的基于故障限流控制的双馈风力发电机系统：包括双馈风力发电机和低电压穿越装置，所述低电压穿越装置包括故障限流器，双馈风力发电机的定子与等效电网之间设有网侧电感，故障限流器设在网侧电感与双馈风力发电机之间，所述故障限流器包括整流桥电路和分段投切电路，所述整流桥电路包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，等效电网连接第一桥臂的中点，第三桥臂的中点连接双馈风力发电机，所述分段投切电路连接在第一桥臂的中点和第三桥臂的中点之间；

所述第二桥臂包括第一开关管、储能电感、第一电阻、第二电阻和第一续流二极管，第一开关管的发射极分别与第一电阻和第一续流二极管的正极连接，第一电阻的另一端连接储能电感的一端，第一续流二极管的负极连接第二电阻的一端，所述储能电感的另一端连接第二电阻的另一端；

所述分段投切电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第二开关管和第三开关管，第三电阻、第四电阻和第五电阻的阻值相同，所述第三电阻、第四电阻和第五电阻串联后连接在整流电路的第一桥臂中点和第三桥臂中点之间，第二开关管并接在第四电阻的两端，第三开关管并接在第五电阻的两端；

其特征在于：

电压出现跌落时，第一开关管、第二开关管和第三开关管根据不同的电压跌落范围进行关断，第三电阻、第四电阻和第五电阻组合分段投入；

所述电压跌落范围在30％-50％时，故障发生时，第二开关管和第三开关管同时导通，同时第一开关管关断；故障结束后，第一开关管导通，第二开关管和第三开关管关断，恢复正常运行；

电压跌落范围在大于50％小于70％时，故障发生时，第一开关管和第二开关管同时关断，同时第三开关管导通，第三电阻和第四电阻投入；故障结束后，先导通第二开关管，然后导通第一开关管，恢复正常运行；

电压跌落范围在70％-90％时，故障发生时，第一开关管、第二开关管和第三开关管同时关断，第二桥臂切除，第三电阻、第四电阻和第五电阻投入，故障结束之后，首先导通第三开关管，将第五电阻被切除，然后再导通第二开关管，将第四电阻切除，最后导通第一开关管，第二桥臂导通，恢复正常运行状态。

3.根据权利要求2所述基于故障限流控制的双馈风力发电机系统的低电压穿越方法，其特征在于：所述基于故障限流控制的双馈风力发电机系统进行投切过程时间差在3ms-6ms之间。

4.根据权利要求2所述基于故障限流控制的双馈风力发电机系统的低电压穿越方法，其特征在于：所述分段投切电路的等效电阻的确定方法为：

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式中：是发电机出口变压器的容量，V是发电机出口电压，R_k是分段投切电路的等效电阻,R₃是第三电阻的阻值，R₄是第三电阻的阻值，R₅是第五电阻的阻值。