CN105958528B - 一种风电机组零过渡动态并网方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电机组零过渡动态并网方法及装置，涉及新能源领域。本方法包括下列步骤：风电机组AC/DC和DC/AC变换器整流与逆变；电网、机组和并网开关电物理量数据采集；零过渡动态并网条件检测；并网开关与风电机组并网逆变器协调控制；有功潮流方向检测与零过渡动态并网控制。本装置设置有零过渡动态并网信号单元，零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元，电力电子开关单元和零过渡动态并网控制单元。与现有技术相比，本发明具有滤波器节能、提高风力发电效率和电网电压质量以及提高并网逆变器使用寿命的特点。
Description
技术领域
本发明涉及新能源领域，特别涉及一种风电机组零过渡动态并网方法及装置。
背景技术
能源供应形式的多样化是降低一个国家能源风险、提高能源安全的重要战略之一。21世纪，由于工业化和城市化的驱动，世界能源需求将继续大幅度增长。为了满足日益增长的能源需求，需要开展大规模的能源基础设施建设以增加能源供应能力。但由于资源和环境条件的严重制约，世界能源供应形势面临严峻挑战。
风力发电是当今世界可再生能源开发利用中技术最成熟、最具开发规模和商业化发展前景的发电形式，由于其在减轻环境污染、调整能源结构、促进可持续发展等方面的突出作用，展现了良好的发展前景，是中国和世界重要的后续能源之一。
风力发电是一种特殊的电力，具有许多不同于常规能源发电的特点。早期的风电场规模很小，风电机组大多采用小容量异步发电机组，风电场直接和配电网相连，满足地区供电需求，风电场给电网带来的影响主要是局部的谐波污染、电压波动及闪变等电能质量问题，不会给大电网的安全稳定运行产生明显影响。
由于风速的波动性、随机性引起风电场输出功率变化，以及风电场一般都处于电网的末端，此处电网的网架结构相对薄弱，因此风电机组并网时输出功率波动和电流冲击可能会出现电网电压波动、线路传输功率超出热极限、系统短路容量增加和系统暂态稳定性改变等一系列问题。因此，必须通过合理的动态并网技术来解决风电机组并网引起的一系列问题。
发明内容
本发明通过下述技术方案解决风电机组并网引起的上述问题：
一种风电机组零过渡动态并网方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1，风电机组AC/DC和DC/AC变换器整流与逆变的步骤，具体包括：在风电机组风力发电过程中，先通过交/直流变换器将风电机组输出的非工频的交流电压源整流为直流电压源，然后通过直/交流变换器将直流电压源逆变为工频的交流电压源。工作在四个状态：分别是：
状态一，停运状态，包括检修：工作在发电系统不具备发电条件、按计划停运或设备检修的情况下。
状态二，待机状态：工作在发电条件不稳定或电网对风电场发电功率具有限制性要求的情况下。
状态三，并网状态：工作在检测风电机组并网条件和实现并网过程的情况下。
风电机组并网条件：同时满足同期条件（即：风电机组并网前所输出的交流电压的频率、幅值和相位与电网工频交流电压相同）和零过渡并网条件（即：在风电机组并网过程，注入电网的动态电压和动态电流的非周期分量接近零）。
实现并网过程：风电机组并网逆变器与并网电力电子开关相配合，由风电机组并网逆变器通过调整机组输出的交流电压的频率、幅值和相位，以满足同期条件的要求；并网电力电子开关在同期条件满足的基础上，动态检测零过渡并网条件，当零过渡并网条件满足时，并网电力电子开关闭合，实现风电机组安全、无冲击动态并网。
状态四，发电状态：工作在风电机组输出的有功功率大于零的情况下。
步骤2，电网、机组和并网开关电物理量数据采集的步骤，具体包括：通过在电网、风电机组和并网开关各侧安装三相交流电压互感器和电流互感器进行实时同步数据采集，并将同步采集的三相电压和电流数据加注时标后存储起来，并根据这些数据计算出频率、三相电压和电流的幅值和相位、有功功率、无功功率和功率因数，同时实时计算出系统的等值参数，为确定同期条件和零过渡并网条件提供实时数据。
步骤3，零过渡动态并网条件检测的步骤，具体包括：实时检测电力电子开关两侧三相电压和三相电流，动态确定滤波器电容电压和耦合变压器的电流两个状态变量的初始值和系统等值参数，即：系统等值电阻和系统等值电抗，两初始值使注入电网的动态电压的非周期分量接近零的条件确定为零过渡动态并网条件。当零过渡动态并网条件满足时控制系统自动生成一个脉冲信号，该信号为零过渡动态并网条件信号。脉冲的宽度和幅值需要与实际控制系统和电力电子开关触发电路的设计要求相匹配。
步骤4，并网开关与风电机组并网逆变器协调控制的步骤，具体包括：并网开关包括并网断路器和电力电子开关，电力电子开关与并网断路器配合运行。并网开关的运行原则是电力电子开关用于风电机组接通电网和从电网断开，以避免在风电机组在并网和解列过程中产生过电压和过电流；并网断路器在风电机组稳定发电状态下闭合，在停运状态和并网、解列过程中断开，以降低并网开关运行过程中的电能损耗。
步骤5，有功潮流方向检测与零过渡动态并网控制的步骤，具体包括：
有功潮流方向检测由步骤2获得有功功率的大小和方向，当有功功率的方向是从风电机组注入电网时，风电机组处于发电状态，零过渡动态并网控制并网开关闭合；当有功功率的方向是从电网流入风电机组时，风电机组处于待并网或待解列状态，零过渡动态并网控制根据电力系统调度的要求或风电场安全经济运行的需要，决定并网开关工作于并网状态还是解列状态；是从闭合状态转换到断开状态，还是从断开状态转换到闭合状态。
从风电场安全经济运行角度考虑，当有功功率的方向是从电网流入风电机组时，直驱型风电机组和从并网开关电网侧获取转子励磁电流的双馈型风电机组将从闭合状态转换到断开状态，即风电机组自动解列；当风电机组具备发电条件时，风电机组将从断开状态转换到闭合状态，风电机组将风能转化为电能注入电网。
在上述的一种风电机组零过渡动态并网方法，所述的步骤4中，包括风电机组处于以下两个状态时的处理方法：
当风电机组处于并网状态，风电机组并网逆变器处于同期并网工作状态，将风电机组输出的电压频率、幅值和相位调整到与电网一致，即：保证风电机组同期并网条件。当风电机组处于稳定发电状态时，风电机组并网逆变器处于发电控制工作状态，控制风电机组输出的三相电压、电流、功率和频率，完成风力发电过程。当风电机组停运或检修状态时，风电机组并网逆变器处于停运状态。当风电机组处于不稳定发电状态时，即：风电机组时而具备发电条件处于发电状态，时而又不具备发电条件，风电机组从发电状态退出，这时风电机组并网逆变器处于发电、解列和同期并网三种情况转换工作状态。
当风电机组处于并网状态，而且同期并网条件和零过渡动态并网条件同时满足时，并网开关由断开状态转变为闭合状态。当风电机组解列时，并网开关由闭合状态转变为断开状态。当风电机组处于稳定发电状态时，并网开关为闭合状态。当风电机组处于停运或检修状态时，并网开关为断开状态。当风电机组处于不稳定发电状态时，即：风电机组电压高于电网电压，处于发电状态；时而又不具备发电条件，即：风电机组电压低于电网电压，风电机组将从发电状态退出，这时并网开关工作于闭合状态转换到断开状态。
一种风电机组零过渡动态并网装置，其特征在于，包括零过渡动态并网信号单元，零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元，零过渡动态并网控制单元和电力电子开关单元。
零过渡动态并网信号单元的输入端分别与电网、风电机组和电力电子开关各侧安装三相交流电压互感器和三相电流互感器的二次侧输出信号端以及风电机组并网逆变器的同期并网条件满足输出信号端相连接，零过渡动态并网信号单元的输出端与零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元的输入端相连接。零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元的输出端与零过渡动态并网控制单元的输入端相连接。零过渡动态并网控制单元的输出端与电力电子开关单元的输入端相连接。电力电子开关单元输出端分别与风电机组滤波器和电网相连接，即当风电机组并网时，电力电子开关单元将风电机组滤波器与电网接通；当风电机组解列时，电力电子开关单元将风电机组滤波器与电网断开。
在上述的一种风电机组零过渡动态并网装置，所述的零过渡动态并网信号单元包括前置处理单元和多路模拟量同步数据采集单元。
所述前置处理单元采用电子电路将电网、风电机组和并网开关各侧安装三相交流电压互感器和电流互感器二次侧的电压信号和电流信号转换为多路模拟量同步数据采集单元可接受的模拟电压信号，并且进行滤波、去噪处理。
所述多路模拟量同步数据采集单元设置1个采样微处理器、3个8路带有采样保持的模拟量交流采样独立通道的采样电路、1个模数AD转换器、一个双口存储器和工业总线。
采样微处理器控制3个8路采样电路从前置处理单元输出读取经过转换和滤波的电网、风电机组和电力电子开关各侧安装三相交流电压互感器和三相电流互感器的二次侧输出信号端的数据，并将其数据带时标从指定端口存储到双口存储器。数据存储采用循环方式。数据通信采用总线方式。
采样频率、模数转换位数、存储器容量和总线方式的选择需要与控制单元配合，采用常规设计方法考虑不低于1.5倍的冗余量。
在上述的一种风电机组零过渡动态并网装置，所述的零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元：包括计算模块、计算存储器和脉冲形成电路。
所述计算模块采用高性能微处理器或工控机以及检测算法，通过从总线从双口存储器的另一个端口读取数据，获得电网、风电机组和并网开关各侧的电流和电压瞬时值(u T、i T；u F、i F；u L、i L)，计算出各侧的三相电压和电流的幅值和相位、有功功率和无功功率的大小及方向、功率因数以及系统频率和等值参数，并将计算结果存储到计算存储器中。
脉冲形成电路采用电子电路，当检测单元检测到并网开关两侧的电压和电流瞬时值以及系统等值参数使并网时并网开关的动态电压和动态电流的衰减非周期分量接近零时，脉冲形成电路输出一个零过渡动态并网条件满足脉冲信号，该脉冲信号幅值和脉宽需要与实际控制系统和电力电子开关触发电路的设计要求相匹配。
当检测单元检测到有功功率方向是电网向风电机组倒送时，在有功功率计算结果存储到计算存储器中时加注“-”标志，即：有功功率小于零。
当检测单元检测到风电机组输出电压和频率满足同期并网条件时，脉冲形成电路输出一个同期并网脉冲信号，脉冲的宽度为同期并网条件满足的时间。
检测算法满足在线监测、电力系统运行参数计算、等值参数辨识和二维微分方程数值求解的相关技术标准的功能和精度要求。
在上述的一种风电机组零过渡动态并网装置，所述的零过渡动态并网控制单元采用高性能微处理器或工控机以及控制算法，根据从零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元获得的零过渡动态并网条件信息、同期并网信息、有功潮流方向信息和从调度获得并网或解列命令，对风电机组实施并网或解列控制。
在上述的一种风电机组零过渡动态并网装置，所述的电力电子开关单元包括电力电子开关组件、电力电子开关触发电路和电力电子开关保护单元。
单相电力电子开关组件结构为：一组正反极性并联的两个晶闸管。
三相电力电子开关组件结构为：A、B、C三相中的每一相设置正反极性并联的两个晶闸管，三相互相独立，形成三个独立的开关。三相电力电子开关组件的一侧连接发电机组的滤波器，另一侧连接上网耦合变压器低压侧。三相电力电子开关组件的耐压水平和开关能力的设计与实际应用对象相匹配，除满足相应的技术标准和规范之外，在系统出现过电压和过电流以及散热系统故障情况下，三相电力电子开关组件正常工作。
电力电子开关触发电路采用电子电路，每一相电力电子开关触发电路设置三个输入端口和两个输出，一个输入端连接电力电子开关组件的电压和电流的过零检测信号，以过零点为触发脉冲的中心点，形成过零触发脉冲，用于维持电力电子开关组件的正常工作；一个输入端连接零过渡动态并网条件满足脉冲信号；一个输入端连接零过渡动态并网控制单元输出的并网控制电平信号，该信号分别与“零过渡动态并网条件满足脉冲信号”和“过零触发脉冲”进行“与”运算，形成的并网触发脉冲和运行触发脉冲；并网触发脉冲和运行触发脉冲通过功率放大、脉宽调制和脉冲变压器电磁隔离后从触发电路的两个输出端口分别接入正反极性并联的两个晶闸管的门极端（G）和阴极端（K）。
电力电子开关保护单元设置有散热器、温控保护、暂态和稳态过电压保护、快熔过电流保护、电压变化率保护、电流变化率保护以及当系统发生短路、谐振、缺相故障时，封闭电力电子开关触发脉冲的软件保护。
因此，本发明具有如下优点：1、可以节省当风电机组风力不足时，电网功率倒送产生的功率损耗；2、动态并网提高风力发电效率和电网电压质量；3、减少风电机组并网逆变器准同期并网的过电流冲击；4、提高风电机组并网逆变器的使用寿命的特点；5、本发明具有节能降损、提高风力发电效率和电网电压质量以及提高并网逆变器使用寿命的特点。
附图说明
图1是本发明的实施例流程示意图。
图2是本装置实施例结构图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
下面结合附图和实施例详细说明：
一、风电机组零过渡动态并网方法
风电机组零过渡动态并网方法实施例流程图如图1所示，由图1可见：
步骤1为风电机组AC/DC和DC/AC变换器整流与逆变1：
在风电机组风力发电过程中，先通过交/直流变换器将风电机组输出的非工频（即：非50Hz频率）的交流电压源整流为直流电压源，然后通过直/交流变换器将直流电压源逆变为工频（即：50Hz频率）的交流电压源。工作在四个状态：①停运状态（含检修）；②待机状态；③并网状态；④发电状态（即：有功功率大于零）。
停运状态（含检修）：工作在发电系统不具备发电条件、按计划停运或设备检修的情况下。
待机状态：工作在发电条件不稳定或电网对风电场发电功率具有限制性要求的情况下。
并网状态：工作在检测风电机组并网条件和实现并网过程的情况下。
风电机组并网条件：同时满足同期条件，即：风电机组并网前所输出的交流电压的频率、幅值和相位与电网工频交流电压相同或近似和零过渡并网条件，即：在风电机组并网过程，注入电网的动态电压和动态电流的非周期分量接近零。
实现并网过程：风电机组并网逆变器与并网电力电子开关相配合，由风电机组并网逆变器通过调整机组输出的交流电压的频率、幅值和相位，以满足同期条件的要求；并网电力电子开关在同期条件满足的基础上，动态检测零过渡并网条件，当零过渡并网条件满足时，并网电力电子开关闭合，实现风电机组安全、无冲击动态并网。
发电状态：工作在风电机组输出的有功功率大于零的情况下。
步骤2为电网、机组和并网开关电物理量数据采集2：
通过在电网、风电机组和并网开关各侧安装三相交流电压互感器和电流互感器进行实时同步数据采集，并将同步采集的三相电压和电流数据加注时标后存储起来，并根据这些数据计算出频率、三相电压和电流的幅值和相位、有功功率、无功功率和功率因数，同时实时计算出系统的等值参数，为确定同期条件和零过渡并网条件提供实时数据。
步骤3为零过渡动态并网条件检测3：
实时检测电力电子开关两侧三相电压和三相电流，动态确定滤波器电容电压和耦合变压器的电流两个状态变量的初始值和系统等值参数，即：系统等值电阻和系统等值电抗，两初始值使注入电网的动态电压的非周期分量接近零的条件确定为零过渡动态并网条件。当零过渡动态并网条件满足时控制系统自动生成一个脉冲信号，该信号为零过渡动态并网条件信号。脉冲的宽度和幅值需要与实际控制系统和电力电子开关触发电路的设计要求相匹配。
步骤4为并网开关与风电机组并网逆变器协调控制4：
并网开关包括并网断路器和电力电子开关，电力电子开关与并网断路器配合运行。并网开关的运行原则是电力电子开关用于风电机组接通电网和从电网断开，以避免在风电机组在并网和解列过程中产生过电压和过电流；并网断路器在风电机组稳定发电状态下闭合，在停运状态和并网、解列过程中断开，以降低并网开关运行过程中的电能损耗。
当风电机组处于并网状态，风电机组并网逆变器处于同期并网工作状态，将风电机组输出的电压频率、幅值和相位调整到与电网一致，即：保证风电机组同期并网条件。当风电机组处于稳定发电状态时，风电机组并网逆变器处于发电控制工作状态，控制风电机组输出的三相电压、电流、功率和频率，完成风力发电过程。当风电机组停运或检修状态时，风电机组并网逆变器处于停运状态。当风电机组处于不稳定发电状态时，即：风电机组时而具备发电条件处于发电状态，时而又不具备发电条件，风电机组从发电状态退出，这时风电机组并网逆变器处于发电、解列和同期并网三种情况转换工作状态。
当风电机组处于并网状态，而且同期并网条件和零过渡动态并网条件同时满足时，并网开关由断开状态转变为闭合状态。当风电机组解列时，并网开关由闭合状态转变为断开状态。当风电机组处于稳定发电状态时，并网开关为闭合状态。当风电机组处于停运或检修状态时，并网开关为断开状态。当风电机组处于不稳定发电状态时，即：风电机组时而具备发电条件（风电机组电压高于电网电压），处于发电状态；时而又不具备发电条件，即：风电机组电压低于电网电压，风电机组将从发电状态退出，这时并网开关工作于闭合状态转换到断开状态。
步骤5为有功潮流方向检测与零过渡动态并网控制5：
有功潮流方向检测由步骤2获得有功功率的大小和方向，当有功功率的方向是从风电机组注入电网时，风电机组处于发电状态，零过渡动态并网控制并网开关闭合；当有功功率的方向是从电网流入风电机组时，风电机组处于待并网或待解列状态，零过渡动态并网控制根据电力系统调度的要求或风电场安全经济运行的需要，决定并网开关工作于并网状态还是解列状态；是从闭合状态转换到断开状态，还是从断开状态转换到闭合状态。
从风电场安全经济运行角度考虑，当有功功率的方向是从电网流入风电机组时，直驱型风电机组和从并网开关电网侧获取转子励磁电流的双馈型风电机组将从闭合状态转换到断开状态，即风电机组自动解列；当风电机组具备发电条件时，风电机组将从断开状态转换到闭合状态，风电机组将风能转化为电能注入电网。
二、装置。
1、总体。
如图2，本装置包括零过渡动态并网信号单元，零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元，零过渡动态并网控制单元和电力电子开关单元。
其连接和交互关系是：
零过渡动态并网信号单元的输入端分别与电网、风电机组和电力电子开关各侧安装三相交流电压互感器和三相电流互感器的二次侧输出信号端以及风电机组并网逆变器的同期并网条件满足输出信号端相连接，零过渡动态并网信号单元的输出端与零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元的输入端相连接。零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元的输出端与零过渡动态并网控制单元的输入端相连接。零过渡动态并网控制单元的输出端与电力电子开关单元的输入端相连接。电力电子开关单元输出端分别与风电机组滤波器和电网相连接，即当风电机组并网时，电力电子开关单元将风电机组滤波器与电网接通；当风电机组解列时，电力电子开关单元将风电机组滤波器与电网断开。
2、功能块。
（1）零过渡动态并网信号单元：包括前置处理单元和多路模拟量同步数据采集单元。
所述前置处理单元采用电子电路将电网、风电机组和并网开关各侧安装三相交流电压互感器和电流互感器的电压信号和电流信号转换为多路模拟量同步数据采集单元可接受的模拟电压信号，并且进行滤波、去噪处理。
所述多路模拟量同步数据采集单元设置1个采样微处理器、3个8路带有采样保持的模拟量交流采样独立通道的采样电路、1个模数AD转换器、一个双口存储器和工业总线。
采样微处理器控制3个8路采样电路从前置处理单元输出读取经过转换和滤波的电网、风电机组和电力电子开关各侧安装三相交流电压互感器和三相电流互感器的二次侧输出信号端的数据，并将其数据带时标从指定端口存储到双口存储器。数据存储采用循环方式。数据通信采用总线方式。
采样频率、模数转换位数、存储器容量和总线方式的选择需要与控制单元配合，采用常规设计方法考虑不低于1.5倍的冗余量。
（2）零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元：包括计算模块、计算存储器和脉冲形成电路。
所述计算模块采用高性能微处理器或工控机以及检测算法，通过从总线从双口存储器的另一个端口读取数据，获得电网、风电机组和并网开关各侧的电流和电压瞬时值(u T、i T；u F、i F；u L、i L)，计算出各侧的三相电压和电流的幅值和相位、有功功率和无功功率的大小及方向、功率因数以及系统频率和等值参数，并将计算结果存储到计算存储器中。
脉冲形成电路采用电子电路，当检测单元检测到并网开关两侧的电压和电流瞬时值以及系统等值参数使并网时并网开关的动态电压和动态电流的衰减非周期分量接近零时，脉冲形成电路输出一个零过渡动态并网条件满足脉冲信号，该脉冲信号幅值和脉宽需要与实际控制系统和电力电子开关触发电路的设计要求相匹配。
当检测单元检测到有功功率方向是电网向风电机组倒送时，在有功功率计算结果存储到计算存储器中时加注“-”标志，即：有功功率小于零。
当检测单元检测到风电机组输出电压和频率满足同期并网条件时，脉冲形成电路输出一个同期并网脉冲信号，脉冲的宽度为同期并网条件满足的时间。
检测算法满足在线监测、电力系统运行参数计算、等值参数辨识和二维微分方程数值求解的相关技术标准的功能和精度要求。
（3）零过渡动态并网控制单元：采用高性能微处理器或工控机以及控制算法，根据从零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元获得的零过渡动态并网条件信息、同期并网信息、有功潮流方向信息和从调度获得并网或解列命令，对风电机组实施并网或解列控制。零过渡动态并网控制单元的控制算法满足（2）和（3）所述要求。
（4）电力电子开关单元：包括电力电子开关组件、电力电子开关触发电路和电力电子开关保护单元。
单相电力电子开关组件结构为：一组正反极性并联的两个晶闸管。
三相电力电子开关组件结构为：A、B、C三相中的每一相设置正反极性并联的两个晶闸管，三相互相独立，形成三个独立的开关。三相电力电子开关组件的一侧连接发电机组的滤波器，另一侧连接上网耦合变压器低压侧。三相电力电子开关组件的耐压水平和开关能力的设计与实际应用对象相匹配，除满足相应的技术标准和规范之外，在系统出现过电压和过电流以及散热系统故障情况下，三相电力电子开关组件正常工作。
电力电子开关触发电路采用电子电路，每一相电力电子开关触发电路设置三个输入端口和两个输出，一个输入端连接电力电子开关组件的电压和电流的过零检测信号，以过零点为触发脉冲的中心点，形成过零触发脉冲，用于维持电力电子开关组件的正常工作；一个输入端连接零过渡动态并网条件满足脉冲信号；一个输入端连接零过渡动态并网控制单元输出的并网控制电平信号，该信号分别与“并网条件满足脉冲信号”和“过零触发脉冲”进行“与”运算，形成的并网触发脉冲和运行触发脉冲；并网触发脉冲和运行触发脉冲通过功率放大、脉宽调制和脉冲变压器电磁隔离后从触发电路的两个输出端口分别接入正反极性并联的两个晶闸管的门极端（G）和阴极端（K）。
电力电子开关保护单元设置有散热器、温控保护、暂态和稳态过电压保护、快熔过电流保护、电压变化率保护、电流变化率保护以及当系统发生短路、谐振、缺相故障时，封闭电力电子开关触发脉冲的软件保护。
工作原理是：
（1）零过渡动态并网信号单元
首先通过前置处理单元将电网、风电机组和并网开关各侧安装三相交流电压互感器和电流互感器二次侧的电压信号和电流信号转换为多路模拟量同步数据采集单元可接受的模拟电压信号，并且进行滤波、去噪处理。然后通过采样微处理器控制多路模拟量同步数据采集单元从前置处理单元输出读取经过转换和滤波的电网、风电机组和电力电子开关各侧安装三相交流电压互感器和三相电流互感器的二次侧输出信号端的数据，并将其数据带时标从指定端口存储到双口存储器。
（2）零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元
通过从总线从双口存储器的另一个端口读取数据，获得电网、风电机组和并网开关各侧的电流和电压瞬时值(u T、i T；u F、i F；u L、i L)，计算出各侧的三相电压和电流的幅值和相位、有功功率和无功功率的大小及方向、功率因数以及系统频率和等值参数，并将计算结果存储到计算存储器中。
当检测单元检测到有功功率方向是电网向风电机组倒送时，在有功功率计算结果存储到计算存储器中时加注“-”标志，即：有功功率小于零。
当检测单元检测到零过渡动态并网条件满足时，即：当检测单元检测到并网开关两侧的电压和电流瞬时值以及系统等值参数使并网时并网开关的动态电压和动态电流的衰减非周期分量接近零时，脉冲形成电路输出一个“零过渡动态并网条件满足脉冲信号”。
当检测单元检测到风电机组输出电压和频率满足同期并网条件时，脉冲形成电路输出一个同期并网脉冲信号，脉冲的宽度为同期并网条件满足的时间。
（3）零过渡动态并网控制单元
根据从零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元获得零过渡动态并网条件信息、从风电机组逆变器获得同期并网信息、从调度获得并网或解列命令，对并网实施并网或解列控制。
（4）电力电子开关单元
接受零过渡动态并网控制单元并网和解列的控制信号，实现风电机组接入电网和从电网退出功能。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.一种风电机组零过渡动态并网方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1，风电机组AC/DC和DC/AC变换器整流与逆变，具体是：先通过交/直流变换器将风电机组输出的非工频的交流电压源整流为直流电压源，然后通过直/交流变换器将直流电压源逆变为工频的交流电压源；工作在四个状态，分别是：
状态一：停运状态，工作在发电系统不具备发电条件、按计划停运或设备检修的情况下；
状态二：待机状态，工作在发电条件不稳定或电网对风电场发电功率具有限制性要求的情况下；
状态三：并网状态，工作在检测风电机组并网条件和实现并网过程的情况下；
风电机组并网条件：同时满足同期条件和零过渡动态并网条件；
实现并网过程：风电机组并网逆变器与并网电力电子开关相配合，由风电机组并网逆变器通过调整机组输出的交流电压的频率、幅值和相位，以满足同期条件的要求；并网电力电子开关在同期条件满足的基础上，动态检测零过渡动态并网条件，当零过渡动态并网条件满足时，并网电力电子开关闭合，实现风电机组安全、无冲击动态并网；
状态四：发电状态，工作在风电机组输出的有功功率大于零的情况下；
步骤2，电网、机组和并网开关电物理量数据采集：通过在电网、风电机组和并网开关各侧安装三相交流电压互感器和电流互感器进行实时同步数据采集，并将同步采集的三相电压和电流数据加注时标后存储起来，并根据这些数据计算出频率、三相电压和电流的幅值和相位、有功功率、无功功率和功率因数，同时实时计算出系统的等值参数，为确定同期条件和零过渡动态并网条件提供实时数据；
步骤3，零过渡动态并网条件检测：实时检测电力电子开关两侧三相电压和三相电流，动态确定滤波器电容电压和耦合变压器的电流两个状态变量的初始值和系统等值参数，即：系统等值电阻和系统等值电抗，两初始值使注入电网的动态电压的非周期分量接近零的条件确定为零过渡动态并网条件；当零过渡动态并网条件满足时控制系统自动生成一个脉冲信号，该信号为零过渡动态并网条件信号；脉冲的宽度和幅值需要与实际控制系统和电力电子开关触发电路的设计要求相匹配；
步骤4，并网开关与风电机组并网逆变器协调控制：并网开关包括并网断路器和电力电子开关，电力电子开关与并网断路器配合运行；并网开关的运行原则是电力电子开关用于风电机组接通电网和从电网断开，以避免在风电机组在并网和解列过程中产生过电压和过电流；并网断路器在风电机组稳定发电状态下闭合，在停运状态和并网、解列过程中断开，以降低并网开关运行过程中的电能损耗；
步骤5，有功潮流方向检测与零过渡动态并网控制；
所述的步骤4中，并网开关与风电机组并网逆变器协调控制包括两个状态：
状态一：当风电机组处于并网状态，风电机组并网逆变器处于同期并网工作状态，将风电机组输出的电压频率、幅值和相位调整到与电网一致，即：保证风电机组同期并网条件；当风电机组处于稳定发电状态时，风电机组并网逆变器处于发电控制工作状态，控制风电机组输出的三相电压、电流、功率和频率，完成风力发电过程；当风电机组停运或检修状态时，风电机组并网逆变器处于停运状态；当风电机组处于不稳定发电状态时，即：风电机组时而具备发电条件处于发电状态，时而又不具备发电条件，风电机组从发电状态退出，这时风电机组并网逆变器处于发电、解列和同期并网三种情况转换工作状态；
状态二：当风电机组处于并网状态，而且同期并网条件和零过渡动态并网条件同时满足时，并网开关由断开状态转变为闭合状态；当风电机组解列时，并网开关由闭合状态转变为断开状态；当风电机组处于稳定发电状态时，并网开关为闭合状态；当风电机组处于停运或检修状态时，并网开关为断开状态；当风电机组处于不稳定发电状态时，即：风电机组时而具备发电条件，处于发电状态；时而又不具备发电条件，即：风电机组电压低于电网电压，风电机组将从发电状态退出，这时并网开关工作于闭合状态转换到断开状态。
2.根据权利要求1所述的一种风电机组零过渡动态并网方法，其特征在于，所述的步骤5中，有功潮流方向检测与零过渡动态并网控制：
有功潮流方向检测由步骤2获得有功功率的大小和方向，当有功功率的方向是从风电机组注入电网时，风电机组处于发电状态，零过渡动态并网控制并网开关闭合；当有功功率的方向是从电网流入风电机组时，风电机组处于待并网或待解列状态，零过渡动态并网控制根据电力系统调度的要求或风电场安全经济运行的需要，决定并网开关工作于并网状态还是解列状态；是从闭合状态转换到断开状态，还是从断开状态转换到闭合状态；
从风电场安全经济运行角度考虑，当有功功率的方向是从电网流入风电机组时，直驱型风电机组和从并网开关电网侧获取转子励磁电流的双馈型风电机组将从闭合状态转换到断开状态，即风电机组自动解列；当风电机组具备发电条件时，风电机组将从断开状态转换到闭合状态，风电机组将风能转化为电能注入电网。
3.一种风电机组零过渡动态并网装置，其特征在于，包括零过渡动态并网信号单元，零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元，零过渡动态并网控制单元和电力电子开关；
零过渡动态并网信号单元的输入端分别与电网、风电机组和电力电子开关各侧安装三相交流电压互感器和三相电流互感器的二次侧输出信号端以及风电机组并网逆变器的同期并网条件满足输出信号端相连接，零过渡动态并网信号单元的输出端与零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元的输入端相连接；零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元的输出端与零过渡动态并网控制单元的输入端相连接；零过渡动态并网控制单元的输出端与电力电子开关的输入端相连接；电力电子开关输出端分别与风电机组滤波器和电网相连接，即当风电机组并网时，电力电子开关将风电机组滤波器与电网接通；当风电机组解列时，电力电子开关将风电机组滤波器与电网断开；
所述的零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元：包括计算模块、计算存储器和脉冲形成电路；
所述计算模块采用高性能微处理器或工控机以及检测算法，通过从总线从双口存储器的另一个端口读取数据，获得电网、风电机组和并网开关各侧的电流和电压瞬时值，计算出各侧的三相电压和电流的幅值和相位、有功功率和无功功率的大小及方向、功率因数以及系统频率和等值参数，并将计算结果存储到计算存储器中；
脉冲形成电路采用电子电路，当检测单元检测到并网开关两侧的电压和电流瞬时值以及系统等值参数使并网时并网开关的动态电压和动态电流的衰减非周期分量接近零时，脉冲形成电路输出一个零过渡动态并网条件满足脉冲信号，该脉冲信号幅值和脉宽需要与实际控制系统和电力电子开关触发电路的设计要求相匹配；
当检测单元检测到有功功率方向是电网向风电机组倒送时，在有功功率计算结果存储到计算存储器中时加注“-”标志，即：有功功率小于零；
当检测单元检测到风电机组输出电压和频率满足同期并网条件时，脉冲形成电路输出一个同期并网脉冲信号，脉冲的宽度为同期并网条件满足的时间；
检测算法满足在线监测、电力系统运行参数计算、等值参数辨识和二维微分方程数值求解的相关技术标准的功能和精度要求。
4.根据权利要求3所述的一种风电机组零过渡动态并网装置，其特征在于，所述的零过渡动态并网信号单元包括前置处理单元和多路模拟量同步数据采集单元；
所述前置处理单元采用电子电路将电网、风电机组和并网开关各侧安装三相交流电压互感器和电流互感器二次侧的电压信号和电流信号转换为多路模拟量同步数据采集单元可接受的模拟电压信号，并且进行滤波、去噪处理；
所述多路模拟量同步数据采集单元设置1个采样微处理器、3个8路带有采样保持的模拟量交流采样独立通道的采样电路、1个模数AD转换器、一个双口存储器和工业总线；
采样微处理器控制3个8路采样电路从前置处理单元输出读取经过转换和滤波的电网、风电机组和电力电子开关各侧安装三相交流电压互感器和三相电流互感器的二次侧输出信号端的数据，并将其数据带时标从指定端口存储到双口存储器；数据存储采用循环方式；数据通信采用总线方式；
采样频率、模数转换位数、存储器容量和总线方式的选择需要与控制单元配合，采用常规设计方法考虑不低于1.5倍的冗余量。
5.根据权利要求3所述的一种风电机组零过渡动态并网装置，其特征在于，所述的零过渡动态并网控制单元采用高性能微处理器或工控机以及控制算法，根据从零过渡动态并网条件检测与有功潮流方向检测单元获得的零过渡动态并网条件信息、同期并网信息、有功潮流方向信息和从调度获得并网或解列命令，对风电机组实施并网或解列控制。
6.根据权利要求3所述的一种风电机组零过渡动态并网装置，其特征在于，所述的电力电子开关包括电力电子开关组件、电力电子开关触发电路和电力电子开关保护单元；
单相电力电子开关组件结构为：一组正反极性并联的两个晶闸管；
三相电力电子开关组件结构为：A、B、C三相中的每一相设置正反极性并联的两个晶闸管，三相互相独立，形成三个独立的开关；三相电力电子开关组件的一侧连接发电机组的滤波器，另一侧连接耦合变压器低压侧；三相电力电子开关组件的耐压水平和开关能力的设计与实际应用对象相匹配，除满足相应的技术标准和规范之外，在系统出现过电压和过电流以及散热系统故障情况下，三相电力电子开关组件正常工作；
电力电子开关触发电路采用电子电路，每一相电力电子开关触发电路设置三个输入端口和两个输出，一个输入端连接电力电子开关组件的电压和电流的过零检测信号，以过零点为触发脉冲的中心点，形成过零触发脉冲，用于维持电力电子开关组件的正常工作；一个输入端连接零过渡动态并网条件满足脉冲信号；一个输入端连接零过渡动态并网控制单元输出的并网控制电平信号，该信号分别与“零过渡动态并网条件满足脉冲信号”和“过零触发脉冲”进行“与”运算，形成的并网触发脉冲和运行触发脉冲；并网触发脉冲和运行触发脉冲通过功率放大、脉宽调制和脉冲变压器电磁隔离后从触发电路的两个输出端口分别接入正反极性并联的两个晶闸管的门极端(G)和阴极端(K)；
电力电子开关保护单元设置有散热器、温控保护、暂态和稳态过电压保护、快熔过电流保护、电压变化率保护、电流变化率保护以及当系统发生短路、谐振、缺相故障时，封闭电力电子开关触发脉冲的软件保护。
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