CN105634001B - 一种双馈式风力发电机及其高电压穿越装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双馈式风力发电机及其高电压穿越装置和方法，该装置包括：一阻抗电路，串联于双馈式风力发电机中双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间，用于提供一阻抗；一开关电路，并联至阻抗电路的两端，该开关电路导通时将阻抗电路短路；电网电压检测装置，用于检测双馈式风力发电机接入电网的电压变化情况，当检测到电网电压骤升时，触发开关电路由导通变为断开，以使阻抗电路导通。本发明可以有效抑制高电压穿越时转子侧电流的激增和振荡，保护转子侧变流器的安全运行，提高了双馈式风力发电机的高电压穿越能力，有利于电网稳定运行。

Description

一种双馈式风力发电机及其高电压穿越装置和方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体地，涉及一种双馈式风力发电机及其高电压穿越装置和方法。
背景技术
随着电力电子技术和微机控制技术的发展，双馈异步发电机(Double FedInduction Generator，DFIG)在可再生能源的发电方式利用中得到了广泛的应用，特别是在风力发电领域，双馈异步发电机已成为目前兆瓦级风力发电机组的主流机型之一。由于双馈式风力发电机的定子直接与电网相连，使得风电机组对电网故障非常敏感；当电网电压出现骤升故障时，由于磁链不突变，定子磁链中会出现直流分量及负序分量(不对称故障时才会产生)，它们相对高速旋转的转子会产生一个很大的转差率，所以在转子电路中感应出较大的暂态电流，引起转子侧冲击电流升高，容易导致转子侧变流器损坏威胁转子侧变流器的安全，导致双馈风电机组的高电压穿越能力较弱。
目前国内外研究机构和高校主要将研究集中在风电机组低电压穿越特性及相应控制策略上，这些控制策略分别从改进控制策略和增加硬件设备来实现低电压穿越的性能，对于双馈风机在电网电压骤升期间的响应特性以及高电压穿越控制策略还没有引起充分的关注。
发明内容
本发明实施例的主要目的在于提供一种双馈式风力发电机及其高电压穿越装置和方法，以解决现有技术中因电网电压骤升引起转子感应出较大暂态电流，导致转子侧变流器损坏的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种双馈式风力发电机高电压穿越装置，包括：
一阻抗电路，串联于双馈式风力发电机中双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间，用于提供一阻抗；
一开关电路，并联至所述阻抗电路的两端，该开关电路导通时将所述阻抗电路短路；
电网电压检测装置，用于检测所述双馈式风力发电机接入电网的电压变化情况，当检测到电网电压骤升时，触发所述开关电路由导通变为断开，以使所述阻抗电路导通；
其中，所述阻抗电路包括串联的电阻及电感，根据公式确定阻抗电路中阻抗的值，其中，irc为转子感生的暂态电流，Ls为定子漏感和定、转子互感的加和，Lr’为转子电感，Lr’＝Lr+Lrc，Lr为转子侧暂态电抗，Lrc为阻抗电路中的串联电感，Lm为定、转子互感，ωs为定子角速度，Vse为正常运行时定子电压幅值，p为电网电压骤升度，t0为电网电压对称骤升时刻，τ1为衰减时间常数，τrc为转子侧衰减时间常数修正值，Rr为转子电阻，Rrc为阻抗电路中的串联电阻，t为时间。
相应的，本发明还提供一种双馈式风力发电机高电压穿越方法，包括：
检测双馈式风力发电机接入电网的电压变化情况；
当检测到电网电压骤升时，将一阻抗电路串联于所述双馈式风力发电机中双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间以提供一阻抗，以减小电网电压骤升时转子的感应电流对所述转子侧变流器的影响；
其中，所述阻抗电路包括串联的电阻及电感，根据公式确定阻抗电路中阻抗的值，其中，irc为转子感生的暂态电流，Ls为定子漏感和定、转子互感的加和，Lr’为转子电感，Lr’＝Lr+Lrc，Lr为转子侧暂态电抗，Lrc为阻抗电路中的串联电感，Lm为定、转子互感，ωs为定子角速度，Vse为正常运行时定子电压幅值，p为电网电压骤升度，t0为电网电压对称骤升时刻，τ1为衰减时间常数，τrc为转子侧衰减时间常数修正值，Rr为转子电阻，Rrc为阻抗电路中的串联电阻，t为时间。
相应的，本发明还提供一种双馈式风力发电机，包括：
一双馈异步发电机；
一阻抗电路，串联于所述双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间，用于提供一阻抗；
一开关电路，并联至所述阻抗电路的两端，该开关电路导通时将所述阻抗电路短路；
电网电压检测装置，用于检测所述双馈式风力发电机接入电网的电压变化情况，当检测到电网电压骤升时，触发所述开关电路由导通变为断开，以使所述阻抗电路导通；
其中，所述阻抗电路包括串联的电阻及电感，根据公式确定阻抗电路中阻抗的值，其中，irc为转子感生的暂态电流，Ls为定子漏感和定、转子互感的加和，Lr’为转子电感，Lr’＝Lr+Lrc，Lr为转子侧暂态电抗，Lrc为阻抗电路中的串联电感，Lm为定、转子互感，ωs为定子角速度，Vse为正常运行时定子电压幅值，p为电网电压骤升度，t0为电网电压对称骤升时刻，τ1为衰减时间常数，τrc为转子侧衰减时间常数修正值，Rr为转子电阻，Rrc为阻抗电路中的串联电阻，t为时间。
借助于上述技术方案，本发明在电网电压骤升时，向双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间提供一阻抗，以减小电网电压骤升时转子的感应电流对所述转子侧变流器的影响，相比于现有技术，本发明可以有效抑制高电压穿越时转子侧电流的激增和振荡，保护转子侧变流器的安全运行，提高了双馈式风力发电机的高电压穿越能力，有利于电网稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的双馈式风力发电机高电压穿越装置结构框图；
图2是本发明提供的采用包括一继电器的开关电路结构示意图；
图3是本发明提供的双馈式风力发电机高电压穿越方法流程示意图；
图4是本发明还提供的双馈式风力发电机结构框图；
图5是本发明实例1提供的双馈式风力发电机结构示意图；
图6是本发明实例1提供的电网电压骤升时不采取任何措施时转子电流曲线；
图7是本发明实例1提供的电网电压骤升时投入阻抗后的转子电流曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在实现本发明的过程中发现：双馈式风力发电机在电网电压骤升时，定子磁链会产生一个直流分量，转子由于高速旋转会感应出一个较大的暂态电流，威胁转子侧变流器的安全。为解决该问题，本发明提供一种双馈式风力发电机高电压穿越装置，如图1所示，包括：
一阻抗电路11，串联于双馈式风力发电机中双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间，用于提供一阻抗；
一开关电路12，并联至阻抗电路11的两端，该开关电路12导通时将阻抗电路11短路；
电网电压检测装置13，用于检测双馈式风力发电机接入电网的电压变化情况，当检测到电网电压骤升时，触发开关电路12由导通变为断开，以使阻抗电路11导通。
具体的，通过开关电路12与阻抗电路11，本发明实现了动态地向双馈式风力发电机的转子侧投入阻抗，即，当电网电压处于正常值时，开关电路12导通且将阻抗电路11短路，不影响双馈风力发电机组的正常运行，而当电网电压骤升时，开关电路12断开，使阻抗电路11导通并在转子及转子侧变流器之间提供一阻抗，达到抑制转子侧电流激增和振荡的目的，从而减小转子感应的暂态电流对转子侧变流器的影响，避免损坏转子侧变流器。
实施本发明时，本发明对阻抗电路11的具体实施方式不作具体限定，可以是任何由电阻、电感、电容等电子器件组成并能够提供一阻抗的电路结构，凡在本发明的精神和原则之内，阻抗电路11选择任何形式的电路结构均应包含在本发明的保护范围之内。在一种较佳的实施例中，阻抗电路11可以由串联的电阻、电感组成。
实施本发明时，本发明对开关电路12的具体实施方式不作具体限定，可以是任意能够实现导通时将阻抗电路11短路这一目的的电路结构，例如，可采用包含继电器、高压开关、熔断器等器件的电路结构，凡在本发明的精神和原则之内，开关电路12选择任何形式的电路结构均应包含在本发明的保护范围之内。例如，当开关电路12采用包含一熔断器的电路结构时，本发明可以实施为：当电网电压骤升时，电网电压检测装置13向熔断器发送一较大电流，以使熔断器熔断，进而使开关电路12断开。
考虑到可重复使用、维护方便等需求，在一种较佳的实施例中，如图2所示，开关电路12采用包括一继电器M的电路结构，继电器M的动触点a连接转子，继电器的常闭触点b连接转子侧变流器。该实施例中，当继电器M收到电网电压检测装置13的触发信号时，继电器M执行动触点a由常闭触点b断开的动作，以使开关电路12断开，并使阻抗电路11导通。类似的，继电器动触点连接转子侧变流器，继电器的常闭触点连接转子，也可以作为开关电路12的一种实施方式。
为达到本发明的目的，本发明还提供一种双馈式风力发电机高电压穿越方法，如图3所示，该方法包括：
步骤S1，检测双馈式风力发电机接入电网的电压变化情况；
步骤S2，当检测到电网电压骤升时，将一阻抗电路串联于双馈式风力发电机中双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间以提供一阻抗，以减小电网电压骤升时转子的感应电流对转子侧变流器的影响。
图3所示的双馈式风力发电机高电压穿越方法与图1所示的双馈式风力发电机高电压穿越装置基于相同的发明思想实现，其具体实施方式可参照前述对图1所示装置的介绍，此处不再赘述。
为达到本发明的目的，本发明还提供一种双馈式风力发电机，如图4所示，包括：
一双馈异步发电机DFIG40；
一阻抗电路41，串联于双馈异步发电机40的转子及转子侧变流器之间，用于提供一阻抗；
一开关电路42，并联至阻抗电路41的两端，该开关电路42导通时将阻抗电路41短路；
电网电压检测装置43，用于检测双馈式风力发电机接入电网的电压变化情况，当检测到电网电压骤升时，触发开关电路42由导通变为断开，以使阻抗电路41导通。
在一种较佳的实施例中，阻抗电路41包括串联的电阻及电感。
在一种较佳的实施例中，开关电路42包括一继电器，继电器的动触点连接转子，继电器的常闭触点连接转子侧变流器。
在另一种较佳的实施例中，开关电路42包括一继电器，继电器的动触点连接转子侧变流器，继电器的常闭触点连接转子。
图4所示的双馈式风力发电机与图1所示的双馈式风力发电机高电压穿越装置基于相同的发明思想实现，其具体实施方式可参照前述对图1所示装置的介绍，此处不再赘述。
下面通过计算电网电压骤升时转子感应的暂态电流的表达式，来说明本发明具有减小电网电压骤升时转子感应的暂态电流的效果。
电网电压骤升时转子感应暂态电流的表达式计算过程如下：
步骤S1，在同步速旋转坐标系中，建立电网电压骤升时双馈异步发电机的暂态数学模型。该步骤的目的是为了研究DFIG在电网电压骤升时的暂态特性。
其中，该暂态数学模型包括如下定、转子电压方程和定、转子磁链方程：
上述公式1-3中，us、ur分别为定、转子电压矢量；Rs、Rr分别为定、转子电阻；is、ir分别为定、转子电流矢量；ψs、ψr分别为定、转子磁链矢量；ωr为转子角速度；Lsσ、Lrσ分别为定、转子漏感，Lm为定、转子互感，t为时间。
步骤S2，根据步骤S1建立的暂态数学模型，计算电网电压骤升时的定、转子暂态电流方程：
步骤S3，对于设定的电压骤升投入机制，计算定子磁链和转子开路时的定子磁链方程，以及从定子侧感应的转子磁链方程。
其中，该设定的电压骤升投入机制包括如下双馈异步发电机定子电压矢量方程：
公式5中，ωs为定子角速度；Vse为正常运行时定子电压幅值；t0为电网电压对称骤升时刻；p为电网电压骤升度，且p＝(||us||-Vse)/Vse。
基于公式1的定转子电压方程、定转子磁链方程：
可得到定子磁链的状态方程：
进而求得电网电压对称骤升情况下定子磁链和转子开路时的定子磁链方程以及从定子侧感应的转子磁链方程：
公式7中，ψr0为从定子侧感应的转子磁链；τ1、τ2为衰减时间常数，且存在如下关系：
步骤S4，由公式4、公式7可以得到电网电压对称骤升后，由于定子侧电气量的骤变而使转子感生出的暂态电流表达式：
从公式9中可以看出转子感应的暂态电流受到风机参数和电网电压骤升度的共同影响；电网电压骤升度p一般不会超过0.3，所以对转子暂态电流的影响相对较小；由于双馈异步发电机的Ls、Lr、Lm都是毫亨级的，因此对转子暂态电流的影响较大。
基于本发明提供的双馈式风力发电机及其高电压穿越方法，当电网电压骤升时，将一阻抗电路串联于双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间以提供一阻抗，则对转子感应的暂态电流的影响主要包括两方面：转子侧暂态电抗Lr和转子磁链衰减时间常数τ2。转子及转子侧变流器之间接入阻抗后，转子电感修正为Lr'＝Lr+Lrc；转子侧衰减时间常数修正为且Lrc/Rrc＜Lr/Rr；其中，Rrc为阻抗电路中的串联电阻，Lrc为阻抗电路中的串联电感。
因此，转子及转子侧变流器之间接入阻抗后，转子感生的暂态电流表达式变为：
由于串联电感Lrc使Lr'变大，串联电阻Rrc加快了双馈式风力发电机暂态过程的衰减，有效抑制了转子感生的暂态电流，进而保护了转子变流器。
本发明中阻抗电路提供的阻抗具体大小值可根据公式9转子感应的暂态电流表达式确定。具体实施本发明时，可针对某一具体的双馈式风力发电机，基于公式9，利用该发电机的各项参数计算出电网电压骤升时转子感生的暂态电流大小，然后，再根据该转子感生的暂态电流大小确定阻抗电路提供的阻抗具体值，以使本发明提供的阻抗更加适用于具体的双馈式风力发电机，使本发明抑制转子感生暂态电流的效果更加准确可靠。
实例1
本实施例采用某2MW双馈式风力发电机进行，该双馈式风力发电机具有如图5所示的结构，包括：双馈异步发电机DFIG50、阻抗电路51、开关电路52、电网电压检测装置53；其中，阻抗电路51串联于DFIG50的转子及转子侧变流器之间，由串联电阻R及电感L组成；开关电路52并联至阻抗电路51的两端，由一继电器M组成，该继电器M的动触点a连接转子，继电器M的常闭触点b连接转子侧变流器；电网电压检测装置53检测到电网电压骤升时，触发所述开关电路52由导通变为断开，以使阻抗电路51导通。
该双馈式风力发电机的实际参数如下：定子电阻Rs＝1.224mΩ，转子电阻Rr＝1.378mΩ，定子漏感Lsσ＝0.072mH，转子漏感Lrσ＝0.08mH，励磁电感Lm＝3.25mH，电机同步转速1500rpm，额定相电压Vse＝400V，动态阻抗值(0.5+j0.0314)Ω。双馈风机运行在风速为10m/s的工况下，当运行至6s时，电网电压骤升为1.3pu，骤升故障持续1s后切除。图6为电网电压骤升时不采取任何措施时转子电流曲线。其中，横坐标为仿真时间，纵坐标为电流幅值。
由图6可以看出，当电网电压骤升时，双馈式风力发电机的转子电流最大幅值为3pu，故障切除后振荡时间达4s。
电网电压检测装置检测到电网电压骤升后，立即触发继电器执行动作，使阻抗电路导通，向转子与转子侧变流器之间投入一阻抗，图7为投入一阻抗后的转子电流曲线。其中，横坐标为仿真时间，纵坐标为电流幅值。
从图7可知，电网电压骤升期间向转子侧投入阻抗，转子电流最大幅值为1.8pu，且冲击时间很短，故障切除后，几乎无振荡直接进入稳定状态。
通过图6与图7中峰值与振荡时间的对比，电网电压骤升期间向转子侧投入阻抗不仅降低了转子感应电流的峰值还加快了转子电流的振荡时间，验证了本发明实现了有效抑制高电压穿越时转子侧电流的激增和振荡的目的，能够保护转子侧变流器的安全运行，提高了双馈式风力发电机的高电压穿越能力，有利于电网稳定运行。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双馈式风力发电机高电压穿越装置，其特征在于，包括：
一阻抗电路，串联于双馈式风力发电机中双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间，用于提供一阻抗；
一开关电路，并联至所述阻抗电路的两端，该开关电路导通时将所述阻抗电路短路；
电网电压检测装置，用于检测所述双馈式风力发电机接入电网的电压变化情况，当检测到电网电压骤升时，触发所述开关电路由导通变为断开，以使所述阻抗电路导通；
其中，所述阻抗电路包括串联的电阻及电感，根据公式确定阻抗电路中阻抗的值，其中，irc为转子感生的暂态电流，Ls为定子漏感和定、转子互感的加和，Lr’为转子电感，Lr’＝Lr+Lrc，Lr为转子侧暂态电抗，Lrc为阻抗电路中的串联电感，Lm为定、转子互感，ωs为定子角速度，Vse为正常运行时定子电压幅值，p为电网电压骤升度，t0为电网电压对称骤升时刻，τ1为衰减时间常数，τrc为转子侧衰减时间常数修正值，Rr为转子电阻，Rrc为阻抗电路中的串联电阻，t为时间。
2.根据权利要求1所述的双馈式风力发电机高电压穿越装置，其特征在于，所述开关电路包括一继电器，所述继电器的动触点连接所述转子，所述继电器的常闭触点连接所述转子侧变流器。
3.根据权利要求1所述的双馈式风力发电机高电压穿越装置，其特征在于，所述开关电路包括一继电器，所述继电器的动触点连接所述转子侧变流器，所述继电器的常闭触点连接所述转子。
4.一种双馈式风力发电机高电压穿越方法，其特征在于，包括：
检测双馈式风力发电机接入电网的电压变化情况；
当检测到电网电压骤升时，将一阻抗电路串联于所述双馈式风力发电机中双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间以提供一阻抗，以减小电网电压骤升时转子的感应电流对所述转子侧变流器的影响；
其中，所述阻抗电路包括串联的电阻及电感，根据公式确定阻抗电路中阻抗的值，其中，irc为转子感生的暂态电流，Ls为定子漏感和定、转子互感的加和，Lr’为转子电感，Lr’＝Lr+Lrc，Lr为转子侧暂态电抗，Lrc为阻抗电路中的串联电感，Lm为定、转子互感，ωs为定子角速度，Vse为正常运行时定子电压幅值，p为电网电压骤升度，t0为电网电压对称骤升时刻，τ1为衰减时间常数，τrc为转子侧衰减时间常数修正值，Rr为转子电阻，Rrc为阻抗电路中的串联电阻，t为时间。
5.一种双馈式风力发电机，其特征在于，包括：
一双馈异步发电机；
一阻抗电路，串联于所述双馈异步发电机的转子及转子侧变流器之间，用于提供一阻抗；
一开关电路，并联至所述阻抗电路的两端，该开关电路导通时将所述阻抗电路短路；
电网电压检测装置，用于检测所述双馈式风力发电机接入电网的电压变化情况，当检测到电网电压骤升时，触发所述开关电路由导通变为断开，以使所述阻抗电路导通；
其中，所述阻抗电路包括串联的电阻及电感，根据公式确定阻抗电路中阻抗的值，其中，irc为转子感生的暂态电流，Ls为定子漏感和定、转子互感的加和，Lr’为转子电感，Lr’＝Lr+Lrc，Lr为转子侧暂态电抗，Lrc为阻抗电路中的串联电感，Lm为定、转子互感，ωs为定子角速度，Vse为正常运行时定子电压幅值，p为电网电压骤升度，t0为电网电压对称骤升时刻，τ1为衰减时间常数，τrc为转子侧衰减时间常数修正值，Rr为转子电阻，Rrc为阻抗电路中的串联电阻，t为时间。
6.根据权利要求5所述的双馈式风力发电机，其特征在于，所述开关电路包括一继电器，所述继电器的动触点连接所述转子，所述继电器的常闭触点连接所述转子侧变流器。
7.根据权利要求5所述的双馈式风力发电机，其特征在于，所述开关电路包括一继电器，所述继电器的动触点连接所述转子侧变流器，所述继电器的常闭触点连接所述转子。
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