CN111245011A - 一种风力发电机组运行方式及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组辅助装置及基于该装置的运行方式，装置的一端串联到风力发电机组电机定子输出端，作为电机定子的一部分，另一端串联到原风力发电机组电机定子输出端应连接的接线端子，主要包括三相直流电阻器，开关器件及其控制模块；正常运行时，开关器件开通，短接三相直流电阻器；电网故障，比如电网电压跌落时，通过控制模块关断开关器件，投入三相直流电阻器；电网故障结束，待机组进入稳态运行后，通过控制模块开通开关器件，切出三相直流电阻器。本发明可以实现风力发电机组电网故障穿越更安全、更可靠、更经济的目的，具有良好的实用性。

Description

一种风力发电机组运行方式及其装置

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，特别是涉及一种风力发电机组运行方式及其装置。

背景技术

当前，电力系统越来越将风电视作一种类同水电、火电等的常规能源，要求风电具备故障电压穿越(OVRT、UVRT)、调频和调压等能力。同时，以微电网为核心的风电利用新方式，电网特性更为复杂，对于风力发电机组满足相应电网要求的能力更为严苛。这些转变不仅对风力发电机组的电气特性提出了更高要求，也对风力发电机组的机械特性提出了更高的要求。

其中，电网故障，比如电网电压跌落，对于风力发电机组具有重要影响，会引起风力发电机组转子电流增加、直流电压升高、转子转速越限等可能危及机组安全可靠运行的一系列问题。实际上，电网故障引起的电磁暂态，还将对风力发电机组的传动链、轮毂、偏航轴承、塔筒、叶片和基础等各部件或结构的受力产生重要影响，导致严重的冲击载荷和疲劳载荷，其影响已不容忽视，事关风力发电机组运行的安全性和可靠性。

为了提升风力发电机组电网故障穿越性能，已提出了许多方法及其装置。一种方法是，双馈电机转子侧增设阻尼绕组，通过反并联的两个稳压二极管控制阻尼绕组的通断，从而使双馈电机具备类似于同步电机的低电压穿越性能。再一种方法是，双馈电机转子侧配置CrowBar，通过控制转子CrowBar投切，从而实现双馈风力发电机组的低电压穿越。再一种方法是，直流电压环节增设能量泄放装置，通过泄放过剩能量，从而保证风力发电机组实现故障穿越。再一种方法是，双馈风力发电机组定子侧配置CrowBar，通过控制定子CrowBar投切，并结合变流器励磁控制策略，从而实现双馈风力发电机组的低电压穿越。再一种方法是，双馈风力发电机组电机定子侧配置新型CrowBar，所述新型CrowBar为三相电感且投入时串联接入双馈电机定子绕组和风力发电机组PCC点之间，通过控制新型CrowBar投切，并结合变流器励磁控制策略，从而实现双馈风力发电机组的低电压穿越。又一种方法是，双馈风力发电机组和电网之间串联三相无源阻抗网络，通过三相交流开关控制三相无源阻抗网络的通断，从而提升双馈风力发电机组的低电压穿越能力，等等。然而，这些方法及其装置也存在很大的局限性，主要体现在以下两个方面：

第一，现有方法及其装置很难为风力发电机组提供足够有效的电气阻尼，因此很难抑制电网故障引起的电磁暂态过渡过程中电磁转矩等电气量的峰值，并加快相应过渡过程。

第二，现有方法及其装置很难为风力发电机组提供额外的有功出力能力，尤其是电网电压严重跌落，比如电网电压跌落至0.2p.u.。风力发电机组在优先满足电网无功支撑要求的条件下，有功电流输出能力受限，因此不能很好响应风力发电机组主控转矩给定，造成风力发电机组转子超速等问题，同时对风力发电机组机械部件或结构造成不利影响。

此外，现有方法及其装置本身还存在其他不足或缺陷。比如，双馈电机转子侧增设阻尼绕组，对于现役机组进行改造比较困难。再比如，双馈风力发电机组电机定子侧配置所述新型CrowBar，所需电感值和容量很大，而且所述新型CrowBar投切会引起电机比较剧烈的电磁暂态过渡过程，还需要配合较复杂的转子侧变流器励磁控制策略，经济性和实用性较差，等等。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术不足，提出了一种风力发电机组辅助装置及基于该装置的运行方式，实现了风力发电机组电网故障更安全、更可靠、更经济的目的。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种风力发电机组辅助装置，所述辅助装置至少包括:三相直流电阻器、开关器件和控制模块，所述三相直流电阻器与风力发电机组的电机定子输出端串联，并作为电机定子的一部分，所述开关器件与所述三相直流电阻器并联，且所述控制模块与所述开关器件电性连接用于实现开关器件的开通和关断控制。

根据一个优选的实施方式，所述三相直流电阻器包括电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3，所述开关器件包括开关S1、开关S2和开关S3，其中，所述电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3分别与所述电机定子输出端的三相接线端子TU、三相接线端子TV和三相接线端子TW串联；所述开关S1、开关S2和开关S3分别与电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3并联。

根据一个优选的实施方式，所述控制模块分别与所述开关S1、开关S2和开关S3电性连接，用于实现开关S1、开关S2和开关S3的开通和关断控制。

根据一个优选的实施方式，所述电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3的阻值相等。

根据一个优选的实施方式，所述电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3的阻值为所述风力发电机组的相应电机定子绕组每相直流电阻值的14-24倍。

根据一个优选的实施方式，所述开关S1、开关S2和开关S3包括但不限于绝缘栅双极型晶体管IGBT和集成门极换向晶闸管IGCT。

一种风力发电机组运行方式，所述风力发电机组运行方式基于风力发电机组辅助装置，其中，所述辅助装置至少包括:三相直流电阻器、开关器件和控制模块，所述三相直流电阻器与风力发电机组的电机定子输出端串联，所述开关器件与所述三相直流电阻器并联，且所述控制模块与所述开关器件电性连接用于实现开关器件的开通和关断控制；所述风力发电机组运行方式包括：正常运行时，控制模块控制开关器件处于开通状态，三相直流电阻器短接；并电网故障时，控制模块控制开关器件关断，投入三相直流电阻器；并在电网故障结束，且风力发电机组进入稳态运行后，控制模块控制开关器件开通，切出三相直流电阻器。

根据一个优选的实施方式，当电网正常时，控制模块控制开关S1、开关S2和开关S3开通，完成三相直流电阻器中电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3的短接；当电网故障时，控制模块控制开关S1、开关S2和开关S3关断，从而使得三相直流电阻器中的电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3接入风力发电机组的电机定子输出端；并在电网故障结束，且风力发电机组进入稳态运行后，控制模块控制开关S1、开关S2和开关S3开通，完成三相直流电阻器中的电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3的切出。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：

(1)风力发电机组正常运行时，ColumnBar切出，对于风力发电机组几乎没有影响。电网故障时，ColumnBar投入，为电机提供足够有效的电气阻尼，能够大大降低电网故障引起的电机电磁暂态过程中电磁转矩等电气量过渡过程的峰值，并大大加快相应电磁暂态过渡过程；

(2)电网故障时，ColumnBar投入，还可为电机提供额外有功出力，可以提升风力发电机组控制性能，特别是故障程度比较严重的场合，可以实现在优先满足电网对于风力发电机组无功支撑要求而只有有限有功电流出力的条件下，输出更大转矩，从而能够更好响应主控转矩给定，更好保障机组安全可靠运行。

(3)上述(1)和(2)的有益效果，不仅可以提升风力发电机组电网故障条件下的运行和控制性能，还能大大改善电网故障对风力发电机组各部件或结构造成的冲击载荷和疲劳载荷，提升风力发电机组机械安全性和可靠性，延长使用寿命。

(4)一般而言，为了降低电机定子铜耗，现有风力发电机组电机定子绕组每相直流电阻值仅为3-5mΩ，由于ColumnBar工作时串联接入风力发电机组电机定子输出端，三相直流电阻器每相电阻值一般选定为相应电机定子绕组每相直流电阻值的14-24倍，即可起到良好效果。因此，ColumnBar相应直流电阻容量低，因此成本比较低。同时，ColumnBar易于后期更换和维护，对于现役风力发电机组进行改造也十分简便，具有良好的实用性。

此外，ColumnBar还能起到一定的限流、均压作用，还可以与风力发电机组现有的转子CrowBar、Chopper等装置配合使用。

附图说明

图1是本发明风力发电机组辅助装置的结构原理示意图；

图2是本发明风力发电机组运行方式示意图；

图3是某型双馈风力发电机组电网电压跌落故障穿越不同工况条件下的电磁转矩Tem仿真结果比较图；

图4是某型双馈风力发电机组电网电压跌落故障穿越不同工况条件下的轮毂受力Mx仿真结果比较图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。

本发明的风力发电机组辅助装置也被称为ColumnBar。

参考图1所示，ColumnBar主要包括直流电阻器R1、R2和R3，开关器件S1、S2和S3以及控制模块(ControlModule)三个部分。

通常，直流电阻器R1、R2和R3阻值相等，分别与风力发电机组电机定子三相接线端子TU、TV和TW进行串联，并作为电机定子的一部分，从而形成风力发电机组电机定子新的三相接线端子TA、TB和TC。

开关器件S1、S2和S3分别与直流电阻器R1、R2和R3进行并联；控制模块可以控制开关器件S1、S2和S3的开通与关断，从而控制直流电阻器R1、R2和R3的接入方式。

具体地，当开关器件S1、S2和S3均开通时，直流电阻器R1、R2和R3短路接入，此时直流电阻器R1、R2和R3对风力发电机组的运行几乎没有影响，处于备用状态；当开关器件S1、S2和S3关断时，直流电阻器R1、R2和R3串联接入，此时直流电阻器R1、R2和R3能够发挥既定作用，处于工作状态。所述既定作用，是指上述(1)、(2)和(3)中描述的有益效果。

如图2所示，基于ColumnBar，风力发电机组可以实现新的运行方式。

正常运行时，ColumnBar切出，即控制模块控制开关器件S1、S2和S3开通，直流电阻器R1、R2和R3短路接入；

一旦电网发生故障，比如电网电压跌落，尤其是电网电压严重跌落，ColumnBar立即投入，即控制模块立即控制开关器件S1、S2和S3关断，确保直流电阻器R1、R2和R3串联接入，发挥既定作用；

电网故障结束后，比如电网电压跌落恢复后，ColumnBar并不立即切出。这是因为电网故障恢复后的一段时间内，风力发电机组还存在比较剧烈的电磁暂态过渡过程，此时若立即切出ColumnBar，风力发电机组电网故障恢复条件下的电磁暂态过渡过程的性能将不会获得任何改善。尽管这一过程会增加风力发电机组电机定子铜耗，但由于这一过程持续时间很短，一般不超过2.0秒，其电能损耗依然非常低，完全可以忽略不计。待风力发电机组恢复稳态运行，再切出ColumnBar，为应对下一次电网故障做好准备。

实施例

基于Bladed软件建立某型商业化2MW双馈风力发电机组电气与机械联合仿真模型，气动和机械模型使用内置模型，主控和发电机系统模型使用基于该型机组实际参数和算法的自定义模型，电网模型采用实测瞬时电压历史数据，依照附图1和附图2描述的ColumnBar及基于该装置的风力发电机组运行方式，对该型机组的电气性能与机械特性进行仿真研究。附图3和附图4分别给出了在平均风速为14m/s的湍流风，电网电压跌落至0.20.p.u.，ColumnBar每相直流电阻不同取值条件下，该型机组电磁转矩Tem和轮毂受力Mx的仿真结果比较图。其中，该型机组双馈电机定子绕组每相直流电阻值Rs均相等，且Rs＝3.863(mΩ)。

工况一：ColumnBar电网电压跌落故障穿越期间不投入；

工况二：ColumnBar电网电压跌落故障穿越期间投入，且ColumnBar每相直流电阻阻值Rc＝9Rs，相当于风力发电机组电机定子每相等效直流电阻阻值Reqs＝10Rs；

工况三：ColumnBar电网电压跌落故障穿越期间投入，且ColumnBar每相直流电阻阻值Rc＝19Rs，相当于风力发电机组电机定子每相等效直流电阻阻值Reqs＝20Rs；

工况四：ColumnBar电网电压跌落故障穿越期间投入，且ColumnBar每相直流电阻阻值Rc＝24Rs，相当于风力发电机组电机定子每相等效直流电阻阻值Reqs＝25Rs；

结论：电网电压跌落故障穿越期间，ColumnBar投入，不仅可以显著降低电网电压跌落故障引起的电磁暂态过渡过程中的电磁转矩峰值，加快其电磁暂态过渡过程，同时提升风力发电机组控制性能，还可以显著改善风力发电机组轮毂等机械部件或结构的受力。然而，ColumnBar电阻阻值也不应选取过大，这是因为过大的电阻阻值不仅会增加电阻器容量，还会对电机的转矩控制特性造成不利影响。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制。比如，对于ColumnBar每相直流电阻阻值可以根据实际情况有所不同；再比如，可以根据不同故障程度投入具有相应电阻阻值的ColoumnBar，等等。任何熟悉本发明所属领域的技术人员依然可以对本发明的具体实施方式做出修改或者等同替换，这些由本发明技术方案所引出的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之。

Claims (8)

1.一种风力发电机组辅助装置，其特征在于，所述辅助装置至少包括:三相直流电阻器、开关器件和控制模块，

所述三相直流电阻器与风力发电机组的电机定子输出端串联，并作为电机定子的一部分，所述开关器件与所述三相直流电阻器并联，且所述控制模块与所述开关器件电性连接用于实现开关器件的开通和关断控制。

2.如权利要求1所述的一种风力发电机组辅助装置，其特征在于，所述三相直流电阻器包括电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3，所述开关器件包括开关S1、开关S2和开关S3，

其中，所述电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3分别与所述电机定子输出端的三相接线端子TU、三相接线端子TV和三相接线端子TW串联；

所述开关S1、开关S2和开关S3分别与电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3并联。

3.如权利要求2所述的一种风力发电机组辅助装置，其特征在于，所述控制模块分别与所述开关S1、开关S2和开关S3电性连接，用于实现开关S1、开关S2和开关S3的开通和关断控制。

4.如权利要求3所述的一种风力发电机组辅助装置，其特征在于，所述电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3的阻值相等。

5.如权利要求4所述的一种风力发电机组辅助装置，其特征在于，所述电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3的阻值为所述风力发电机组的相应电机定子绕组每相直流电阻值的14-24倍。

6.如权利要求5所述的一种风力发电机组辅助装置，其特征在于，所述开关S1、开关S2和开关S3包括但不限于绝缘栅双极型晶体管IGBT和集成门极换向晶闸管IGCT。

7.一种风力发电机组运行方式，其特征在于，所述风力发电机组运行方式基于风力发电机组辅助装置，其中，所述辅助装置至少包括:三相直流电阻器、开关器件和控制模块，所述三相直流电阻器与风力发电机组的电机定子输出端串联，所述开关器件与所述三相直流电阻器并联，且所述控制模块与所述开关器件电性连接用于实现开关器件的开通和关断控制；

所述风力发电机组运行方式包括：

正常运行时，控制模块控制开关器件处于开通状态，三相直流电阻器短接；并

电网故障时，控制模块控制开关器件关断，投入三相直流电阻器；并在电网故障结束，且风力发电机组进入稳态运行后，控制模块控制开关器件开通，切出三相直流电阻器。

8.如权利要求7所述的一种风力发电机组运行方式，其特征在于，

当电网正常时，控制模块控制开关S1、开关S2和开关S3开通，完成三相直流电阻器中电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3的短接；

当电网故障时，控制模块控制开关S1、开关S2和开关S3关断，从而使得三相直流电阻器中的电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3接入风力发电机组的电机定子输出端；

并在电网故障结束，且风力发电机组进入稳态运行后，控制模块控制开关S1、开关S2和开关S3开通，完成三相直流电阻器中的电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3的切出。

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