CN111082461A - 一种双馈式风电机组变流器及利用其实现的黑启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双馈式风电机组变流器及利用其实现的黑启动方法，包括变流控制器、直流母线、支撑电容、Chopper电路、机侧变流器、网侧变流器、备用电源系统；机侧变流器与网侧变流器之间连接有直流母线，在直流母线上依次连接有支撑电容、Chopper电路和备用电源系统，机侧变流器、备用电源系统、网侧变流器分别与变流控制器连接，变流控制器分别与主控系统、并网断路器通讯连接，变流控制器监测变流器机侧交流信号、变流器网侧交流信号和直流母线电压。本发明在变流器中集成有可作为黑启动电源使用的备用电源系统，提供发电机转子建立励磁电压所需的电能和辅电系统电源，解决了现有黑启动设备价格昂贵、结构复杂和利用效率低下的问题。

Description

一种双馈式风电机组变流器及利用其实现的黑启动方法
技术领域
本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种双馈式风电机组变流器及利用其实现的黑启动方法。
背景技术
近年来，随着风力发电场在电网中的渗透率逐步提高，对风力电场接入电力系统的技术要求也随之提高。风电场因其安装位置多处于偏远地区，决定了风电场所在电网的网架结构比较薄弱，为了增强电网运行的可靠性，风电机组的黑启动技术成为值得研究的课题。
对于风电机组的黑启动技术，目前的主要技术路线有两种，一种是在风电场集电线路上配置黑启动电源，通过风电机组的升压变压器反向送电，给风电机组辅电系统和励磁回路提供电源。这种方法配置的备用电源容量较大、配置电压等级高，导致设备成本增加。另一种是通过外置的小风力发电机或者柴油发电机作为黑启动电源，通过风电机组低压侧提供电源，这种方式虽然能降低备用电源设备容量，但是这些装置存在结构复杂、设备可靠性的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种双馈式风电机组变流器及利用其实现的黑启动方法，在变流器的直流母线上安装备用电源系统，通过协调控制机侧变流器和网侧变流器来提供发电机转子建立励磁电压所需的电能和辅电系统电源，支撑风电机组完成黑启动过程，进而解决现有黑启动设备价格昂贵、结构复杂和利用效率低下的问题。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种双馈式风电机组变流器，包括变流控制器、直流母线、支撑电容、Chopper电路、机侧变流器、网侧变流器、备用电源系统；所述机侧变流器与网侧变流器之间连接有直流母线，且在该直流母线上从机侧变流器往网侧变流器的方向依次连接有支撑电容、Chopper电路和备用电源系统，所述机侧变流器、备用电源系统、网侧变流器分别与变流控制器连接，所述变流控制器分别与风电机组的主控系统、并网断路器通讯连接，所述并网断路器连接风电机组的升压变压器与发电机，由变流控制器进行控制，且所述变流控制器还监测变流器机侧交流信号、变流器网侧交流信号和直流母线电压；其中，在失去电网电力的情况下，所述备用电源系统由变流控制器进行控制，通过网侧变流器为风电机组的辅电系统供电，通过机侧变流器为风电机组的发电机转子提供建立励磁电压所需的电能，且在黑启动过程中，所述备用电源系统的供电能力满足风电机组完成多次黑启动流程的功率损耗。
进一步，所述备用电源系统由具备双向电能流通功能的DC-DC电源变换器和电池组成，所述电池通过DC-DC电源变换器与直流母线相连。
进一步，所述DC-DC电源变换器为基于buck-boost电路的电源变换器。
进一步，所述电池为铅酸电池、镍镉电池、氢镍电池、锂电池、钠硫电池、超级电容和液流电池中的任意一种或几种的组合。
本发明也提供了一种利用上述双馈式风电机组变流器实现的黑启动方法，包括以下步骤：
1)启动检测
在失去电网电力的情况下，所述直流母线上的备用电源系统提供的电能，通过网侧变流器为风电机组的辅电系统供电；同时，风电机组的主控系统检测实时平均风速有没有达到黑启动要求的风速V1，若达到，则主控系统控制风电机组的变流器、变桨系统和偏航系统进入黑启动运行模式；
2)发电机定子建压
所述变流控制器通过控制机侧变流器给发电机转子提供励磁电流，为发电机的定子建立电压；同时，所述变流控制器通过监测直流母线电压，控制后备电源系统的电池出力情况，并使直流母线电压维持在U1～U2之间；
3)启动电源切换
所述变流控制器通过监测变流器机侧交流信号，控制发电机定子电压的幅值和角度，且通过控制并网断路器实现发电机定子电压与变流器网侧电压同步；通过检测机侧变流器的交流信号计算发电机发出功率，变流控制器通过控制机侧变流器逐步增加发电机发出功率，同时通过控制网侧变流器逐步降低备用电源系统的出力，当发电机定子输出功率达到P1时，即满足辅电系统和发电机转子励磁用电时，变流控制器切除备用电源系统，并为其充电；此时如果因风速下降，导致发电机定子输出功率小于P1时，备用电源系统投入运行，稳定直流母线电压；
4)黑启动结束
当风电机组的主控系统检测到实时平均风速达到设定值V2，同时监测到变流器网侧电压稳定在设定值U3并持续到T1时间，整个黑启动过程结束。
在步骤2)和步骤3)的过程中，若风速下降，未能达到黑启动风速V1，则直接进入步骤1)，重新开始黑启动流程。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明在变流器的直流母线上安装备用电源系统，通过协调控制机侧变流器和网侧变流器来提供发电机转子建立励磁电压所需的电能和辅电系统电源，支撑风电机组完成黑启动过程，可以有效降低黑启动设备的容量，从而达到降本增效的目的。
2、相比于其它黑启动技术，本发明将黑启动电源集成到变流器中，可有效降低黑启动设备的费用，并且能够提高设备运行可靠性。
附图说明
图1为双馈式风电机组变流器的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1所示，本实施例所提供的双馈式风电机组变流器，包括变流控制器1、直流母线2、支撑电容3、Chopper电路4、机侧变流器5、网侧变流器6、备用电源系统7；所述机侧变流器5与网侧变流器6之间连接有直流母线2，且在该直流母线2上从机侧变流器5往网侧变流器6的方向依次连接有支撑电容3、Chopper电路4和备用电源系统7，所述机侧变流器5、备用电源系统7、网侧变流器6分别与变流控制器1连接，所述变流控制器1分别与风电机组的主控系统8、并网断路器9通讯连接，所述并网断路器9连接风电机组的升压变压器10与发电机11，由变流控制器1进行控制，且所述变流控制器1还监测变流器机侧交流信号、变流器网侧交流信号和直流母线电压；其中，在失去电网电力的情况下，所述备用电源系统7由变流控制器1进行控制，通过网侧变流器6为风电机组的辅电系统12供电，通过机侧变流器5为风电机组的发电机11转子提供建立励磁电压所需的电能，且在黑启动过程中，所述备用电源系统7的供电能力满足风电机组完成多次黑启动流程的功率损耗。
所述备用电源系统7由具备双向电能流通功能的DC-DC电源变换器71和电池72组成，所述电池通过DC-DC电源变换器71与直流母线2相连，所述DC-DC电源变换器71为基于buck-boost电路的电源变换器，所述电池72为铅酸电池、镍镉电池、氢镍电池、锂电池、钠硫电池、超级电容和液流电池中的任意一种或几种的组合。
下面为利用本实施例上述双馈式风电机组变流器实现的黑启动方法，其包括以下步骤：
1)启动检测
在失去电网电力的情况下，所述直流母线2上的备用电源系统7提供的电能，通过网侧变流器6为风电机组的辅电系统12供电；同时，风电机组的主控系统8检测实时平均风速有没有达到黑启动要求的风速V1，若达到，则主控系统8控制风电机组的变流器、变桨系统13和偏航系统14进入黑启动运行模式。
2)发电机定子建压
所述变流控制器1通过控制机侧变流器5给发电机11转子提供励磁电流，为发电机11的定子建立电压；同时，所述变流控制器1通过监测直流母线2电压，控制后备电源系统7的电池出力情况，并使直流母线2电压维持在U1～U2之间。
3)启动电源切换
所述变流控制器1通过监测变流器机侧交流信号，控制发电机11定子电压的幅值和角度，且通过控制并网断路器9实现发电机11定子电压与变流器网侧电压同步；通过检测机侧变流器5的交流信号计算发电机11发出功率，变流控制器1通过控制机侧变流器5逐步增加发电机11发出功率，同时通过控制网侧变流器6逐步降低备用电源系统7的出力，当发电机11定子输出功率达到P1时，即满足辅电系统12和发电机11转子励磁用电时，变流控制器1切除备用电源系统7，并为其充电；此时如果因风速下降，导致发电机11定子输出功率小于P1时，备用电源系统7可以投入运行，稳定直流母线2电压。
4)黑启动结束
当风电机组的主控系统8检测到实时平均风速达到设定值V2，同时监测到变流器网侧电压稳定在设定值U3并持续到T1时间，整个黑启动过程结束。
其中，在步骤2)和步骤3)的过程中，若风速下降，未能达到黑启动风速V1，则直接进入步骤1)，重新开始黑启动流程。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种双馈式风电机组变流器，其特征在于：包括变流控制器、直流母线、支撑电容、Chopper电路、机侧变流器、网侧变流器、备用电源系统；所述机侧变流器与网侧变流器之间连接有直流母线，且在该直流母线上从机侧变流器往网侧变流器的方向依次连接有支撑电容、Chopper电路和备用电源系统，所述机侧变流器、备用电源系统、网侧变流器分别与变流控制器连接，所述变流控制器分别与风电机组的主控系统、并网断路器通讯连接，所述并网断路器连接风电机组的升压变压器与发电机，由变流控制器进行控制，且所述变流控制器还监测变流器机侧交流信号、变流器网侧交流信号和直流母线电压；其中，在失去电网电力的情况下，所述备用电源系统由变流控制器进行控制，通过网侧变流器为风电机组的辅电系统供电，通过机侧变流器为风电机组的发电机转子提供建立励磁电压所需的电能，且在黑启动过程中，所述备用电源系统的供电能力满足风电机组完成多次黑启动流程的功率损耗。
2.根据权利要求1所述的一种双馈式风电机组变流器，其特征在于：所述备用电源系统由具备双向电能流通功能的DC-DC电源变换器和电池组成，所述电池通过DC-DC电源变换器与直流母线相连。
3.根据权利要求2所述的一种双馈式风电机组变流器，其特征在于：所述DC-DC电源变换器为基于buck-boost电路的电源变换器。
4.根据权利要求2所述的一种双馈式风电机组变流器，其特征在于：所述电池为铅酸电池、镍镉电池、氢镍电池、锂电池、钠硫电池、超级电容和液流电池中的任意一种或几种的组合。
5.一种利用权利要求1所述双馈式风电机组变流器实现的黑启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)启动检测
在失去电网电力的情况下，所述直流母线上的备用电源系统提供的电能，通过网侧变流器为风电机组的辅电系统供电；同时，风电机组的主控系统检测实时平均风速有没有达到黑启动要求的风速V1，若达到，则主控系统控制风电机组的变流器、变桨系统和偏航系统进入黑启动运行模式；
2)发电机定子建压
所述变流控制器通过控制机侧变流器给发电机转子提供励磁电流，为发电机的定子建立电压；同时，所述变流控制器通过监测直流母线电压，控制后备电源系统的电池出力情况，并使直流母线电压维持在U1～U2之间；
3)启动电源切换
所述变流控制器通过监测变流器机侧交流信号，控制发电机定子电压的幅值和角度，且通过控制并网断路器实现发电机定子电压与变流器网侧电压同步；通过检测机侧变流器的交流信号计算发电机发出功率，变流控制器通过控制机侧变流器逐步增加发电机发出功率，同时通过控制网侧变流器逐步降低备用电源系统的出力，当发电机定子输出功率达到P1时，即满足辅电系统和发电机转子励磁用电时，变流控制器切除备用电源系统，并为其充电；此时如果因风速下降，导致发电机定子输出功率小于P1时，备用电源系统投入运行，稳定直流母线电压；
4)黑启动结束
当风电机组的主控系统检测到实时平均风速达到设定值V2，同时监测到变流器网侧电压稳定在设定值U3并持续到T1时间，整个黑启动过程结束。
6.根据权利要求5所述的一种利用双馈式风电机组变流器实现的黑启动方法，其特征在于：在步骤2)和步骤3)的过程中，若风速下降，未能达到黑启动风速V1，则直接进入步骤1)，重新开始黑启动流程。
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