CN112234652A - 一种双馈风电机组高电压穿越控制系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双馈风电机组高电压穿越控制系统及其工作方法，属于风力发电技术领域。双馈风力发电机的转子与变流器的机侧之间连接有Crowbar电路，卸荷电路设在变流器机侧与网侧之间的直流母线上；变流器、Crowbar电路和卸荷电路分别与变流器控制器连接，变流器控制器连接至双馈风电机组的主控系统。通过变流器、变流器控制器、Crowbar电路和卸荷电路，在双馈风电机组发生高电压穿越时能够解决电压升高暂态过程中的出现的过电压、过电流和直流母线电压升高等问题，从而实现高电压穿越期间机组安全稳定不脱网，保证风电机组正常运行发电。该系统设计合理，容易构建，对硬件要求低，保证了系统的稳定性和安全性，具有良好的经济效益。

Description

一种双馈风电机组高电压穿越控制系统及其工作方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种双馈风电机组高电压穿越控制系统及其工作方法。
背景技术
随着风电装机容量逐年增加，风能自身的随机性、波动性导致电网的调峰、调压、调频以及电能质量方面面临巨大的挑战，对电网安全运行提出更高的要求。根据电网公司的电网事故的统计情况，电网由于某种原因导致电压出现严重故障时，将引起风力发电机大面积脱网运行。在风电场电网低电压故障的故障恢复阶段，由于风电机组无功补偿没有及时退出，可能引起并网接入高压线路的过电压，从而引起电网先低电压后高电压的连锁故障。
根据最新故障电压测试规程，并网点电压升高至130％时要求风电机组保持不脱网运行500ms的能力；并网点电压升至125％时保持不脱网运行1000ms的能力；并网点电压升至120％时保持不脱网运行1000ms的能力；并网点电压升至110％时保持不脱网运行的能力。
目前风电机组高电压穿越能力虽然没有作为电网强制要求，但为了提高电力系统运行稳定性和安全性，风电场的高电压穿越能力将逐步成为电网必然要求。因此，开展风电机组高电压穿越能力的研究与实现对完善国内并网规则具有十分重要的意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种双馈风电机组高电压穿越控制系统及其工作方法，能够确保高电压穿越期间机组安全稳定不脱网，保证风电机组正常运行发电。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种双馈风电机组高电压穿越控制方法，包括变流器、变流器控制器、Crowbar电路和卸荷电路；双馈风力发电机的转子与变流器的机侧连接，变流器的网侧通过滤波器与变压器连接；双馈风力发电机的转子与变流器的机侧之间连接有Crowbar电路，卸荷电路设在变流器机侧与网侧之间的直流母线上；变流器、Crowbar电路和卸荷电路分别与变流器控制器连接，变流器控制器连接至双馈风电机组的主控系统。
优选地，Crowbar电路包括3个Crowbar电阻、可变电阻、三相整流桥、Crow电容和开关管；3个Crowbar电阻的一侧分别与双馈风力发电机的转子三相引出线连接，另一侧与三相整流桥中的二极管桥臂中点连接；可变电阻与开关管连接；三相整流桥与Crow电容连接。
优选地，双馈风电机组中电气设备的耐受电压为额定电压的1.3倍。
优选地，还包括电网切出接触器，电网切出接触器分别与双馈风电机组的变桨系统和主控系统连接。
进一步优选地，变桨系统分别与双馈风电机组的UPS和后备电源连接。
优选地，电网与双馈风电机组的变压器之间设有用于检测系统性能的故障发生装置。
上述双馈风电机组高电压穿越控制系统的工作方法，包括：
电网电压处于稳态时，变流器接收变流器控制器下发的指令并执行；当变流器处于并网发电状态时，变流器控制器根据风电机组的实时参数，控制变流器发出的总功率；
电网电压骤升时，变流器控制器监测直流母线电压和变流器机侧电流：
双馈风电机组进入高电压穿越状态，当直流侧母线电压超过第一预设电压时，投入卸荷电路，消耗转子侧馈入的能量，直至直流侧母线电压降至第二设定电压以下，电磁转矩幅值减小至第一设定电流以下时切除卸荷电路；当变流器机侧电流超过第二设定电流时，Crowbar电路投入并切断变流器机侧，直至直流侧母线电压降至第三设定电压以下且变流器机侧电流降至第三设定电流以下时，切除Crowbar电路并导通变流器机侧；风电机组有功控制恢复后，风电机组功率恢复至电网电压骤升前的数值，电网电压恢复至稳态，完成双馈风电机组高电压穿越控制。
优选地，第一设定电压为960V，第二设定电压为880V，第一设定电流为滞环比较器阈值2p.u，第二设定电流为滞环比较器阈值1.5p.u，第三设定电压为890V。
优选地，双馈风电机组处于高电压穿越状态时，除高电压穿越以外的其它故障采取延时报警策略。
进一步优选地，双馈风电机组进入高电压穿越状态并延时报警后，切除变桨系统的电网输入电压，变桨系统由UPS和后备电源供电3s，如果3s之内电网电压恢复至稳态，则变桨系统继续正常变桨；如果3s之内电网电压未恢复至稳态，则主控系统控制变桨系统进行顺桨。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的双馈风电机组高电压穿越控制系统，通过变流器、变流器控制器、Crowbar电路和卸荷电路，在双馈风电机组发生高电压穿越时能够解决电压升高暂态过程中的出现的过电压、过电流和直流母线电压升高等问题，从而实现高电压穿越期间机组安全稳定不脱网，保证风电机组正常运行发电。该系统设计合理，容易构建，对硬件要求低，保证了系统的稳定性和安全性，具有良好的经济效益。
进一步地，双馈风电机组中电气设备的耐受电压为额定电压的1.3倍，保证能够在高电压穿越过程中设备硬件不受破坏。
进一步地，电网切出接触器能够使变桨系统在高电压穿越期间切出以保证安全。
更进一步地，UPS和后备电源能够维持变桨系统一段时间的用电需求，提高系统的稳定性。
进一步地，电网与双馈风电机组的变压器之间设有用于检测系统性能的故障发生装置，能够不定期地对本系统进行测试，保证系统的有效性。
本发明公开的上述双馈风电机组高电压穿越控制系统的工作方法，根据直流母线电压和变流器机侧电流的数值，对Crowbar电路、卸荷电路和变流器进行实时控制，从而实现高电压穿越期间机组安全稳定不脱网，保证风电机组正常运行发电。该方法自动化程度高、不依赖人为操作、策略合理，保证了系统的稳定性和安全性，具有良好的经济效益。
进一步地，风电机组处于高电压穿越状态时，除高电压穿越以外的其它故障采取延时报警策略，避免风电机组在高电压穿越期间停机。
附图说明
图1为本发明的双馈风电机组高电压穿越控制系统的结构示意图；
图2为本发明的变流器控制原理图；
图3为一种Crowbar电路的拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
电网电压对称骤升，定子磁链中会出现衰减的直流分量，而对于非对称电压骤升，定子磁链还会出现负序分量，直流分量及负序分量相对于高速运行的双馈发电机形成较大的转差率，进而引起转子侧过电流过电压，最终损坏转子侧变流器。电网电压的骤升会引起变流器对直流电压等环节控制能力的减弱，可能导致直流母线电容损坏。对于风机系统，会引起绝缘薄弱环节的绝缘老化或绝缘下降，严重时会引起绝缘击穿或设备损坏。因此，研究双馈风电机组高电压穿越技术难点就是要解决暂态过程中的出现的过电压、过电流和直流母线电压升高等问题，同时，机组在高电压穿越期间向电网提供感性无功功率，以支撑电网电压的恢复。
如图1，本发明的双馈风电机组高电压穿越控制系统，包括变流器、变流器控制器、Crowbar电路和卸荷电路；双馈风力发电机的转子与变流器的机侧连接，变流器的网侧通过滤波器与变压器连接；双馈风力发电机的转子与变流器的机侧之间连接有Crowbar电路，卸荷电路设在变流器机侧与网侧之间的直流母线上；变流器、Crowbar电路和卸荷电路分别与变流器控制器连接，变流器控制器连接至双馈风电机组的主控系统。
如图3，为一种Crowbar电路的电路拓扑图，Crowbar电路包括3个Crowbar电阻、可变电阻、三相整流桥、Crow电容和开关管；3个Crowbar电阻的一侧分别与双馈风力发电机的转子三相引出线连接，另一侧与三相整流桥中的二极管桥臂中点连接；可变电阻与开关管连接；三相整流桥与Crow电容连接。Ura、Urb、Urc每相通过一个Crowbar电阻连接到一个三相整流桥的二极管桥臂中点，在交流侧消耗转子多余能量，对Crow电容进行蓄能，当前端电网电压跌落，由于Crow电容有蓄能电压，通过设置合理的R1、R2可以控制开关管基级分压电压从而控制开关管的导通斩波，开关管的导通辅助Cx和Rx形成回路，从而可以释放Crow电容的能量。
优选地，可以在电网与双馈风电机组的变压器之间设有用于检测系统性能的故障发生装置，用于不定期的检测系统的性能。
如图2，为保证高电压穿越期间，风电机组不脱网，首先需要保证机组硬件装置电压耐受水平，需要确认变桨，变流器，主控及其他相关外围装置硬件电气的电压耐受水平，保证能够承受1.3倍额定电压，必要时需要进行相应的更换。
变流器控制策略：
当电网电压骤升后，转子电流也迅速上升。当转子电流幅值达到滞环比较器的阈值2p.u时，机侧变流器(RSC)中的IGBT全部关断，同时触发Crowbar(撬棒)电路中的门极可关断晶闸管导通，转子电流通过Crowbar旁路。随着限流电阻的加入，转子电流幅度降低到1.5pu左右；随着转子电流的上升，直流母线电压也升高.随着电网电压的升高，网侧变流器流向电网的功率较正常运行时有所减少，而另一方面转子侧变流器送出的功率几乎保持不变，功率的逆向流动促使直流母线电压迅速增大。当直流母线电压超过960V时，投入直流侧卸荷电阻，消耗转子侧溃入的能量，直到直流母线电压的幅值降到880V以下。电磁转矩幅值减小到3p.u以内，同时也减小了振荡时间。可见，通过在转子侧加入Crowbar电路和直流侧chopper电路的方法，利用滞环的快速响应和硬件电路转移功率的特性，对母线过压和转子过流起到一定的抑制作用，使DFIG在故障下实现不间断运行。在转子电流稳定后，应及时切除Crowbar电路，以便DFIG提供无功帮助电网电压恢复。
在双馈机组高电压穿越过程中，限流电阻的取值相当关键。高电压穿越过程中，为保护变流器设备安全，需选择合适阻值的Crowbar电阻释放过电流产生的能量。撬棒电阻阻值的选取对于撬棒电路能否很好地抑制因电网电压故障引起的暂态变化，提高系统的电压穿越能力有着至关重要的作用。下面对撬棒电阻的选取进行说明。
通过对双馈电机暂态模型以及故障暂态过程的分析可知，若当电网发生故障后将撬棒电路立即投入，那么流经Crowbar电路的电流以及撬棒电阻两端的电压峰值分别为：
Figure BDA0002768754240000061
为了抑制转子侧故障电流，撬棒电阻的选取必须满足上式中关于转子电流的限制方程，这样得到一个Rcmin。其次，为了抑制直流母线电压，必须满足上式中关于电压的限制条件，计算得到Rcmax。最后通过选择适当的电流衰减时间常数计算电阻值。
Figure BDA0002768754240000071
主控制器的控制策略包括：
在高电压穿越过程中，主控系统协调好主控、变流器和变桨的配合关系，并提供合理的变速变桨控制策略，既能抑制风电机组由于突然增大载荷而导致机组发生欠速故障，同时又尽可能减小整个高电压穿越过程的齿轮箱扭转和机组振动，进而减小由于高电压穿越故障对机组关键部件造成的损伤。由于电网电压发生高电压故障，风电机组在高电压穿越过程中，主控检测到电网的电压、电流、频率、相角和发电机转矩等都可能超出电网正常时的运行范围，因此主控系统需要协调处理好电网相关故障报警问题，确保机组在高电压穿越过程，不误报电网故障而停机。
(a)协同控制
1在高电压穿越期间，主控接收变频器高穿状态信号，机组进入高穿状态。
2主控向变频器发送有功/无功控制等辅助指令，使变频器在高穿期间为电网提供有功、无功支撑。
3主控向保持变桨系统在高穿期间正常执行变桨动作，保持转速稳定。
(b)故障报警延时
1延时报警高穿期间出现的短时过电压/过电流等电网相关故障，避免机组在高穿过程中停机。
2延时报警高穿期间系统出现的其他相关故障，避免机组在高穿过程中停机。
(c)状态监测
1保持对电网电压的监测，在电压变化暂态过程中迅速调整机组状态。
2保持对变桨、变频器系统的状态监测，保证转矩控制及转速控制协调性。
3保持对机组风速、转速等状态量的监测，保证机组高穿期间的稳定运行。
变桨控制策略包括：
增加电网电压切出设计，增加电网切出接触器，当电网高压报警并延时完成后，分别切开变桨系统电网输入电压，以保护变桨系统用电器件的安全，电网切开过程中，用电器有UPS和后备电源(电池)供电，供电时间3s，如果3s之内电网恢复正常，则变桨系统继续正常变桨，如果3s之内电网没有恢复正常，则有主控发布顺桨命令，变桨系统执行顺桨命令。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双馈风电机组高电压穿越控制系统，其特征在于，包括变流器、变流器控制器、Crowbar电路和卸荷电路；双馈风力发电机的转子与变流器的机侧连接，变流器的网侧通过滤波器与变压器连接；双馈风力发电机的转子与变流器的机侧之间连接有Crowbar电路，卸荷电路设在变流器机侧与网侧之间的直流母线上；变流器、Crowbar电路和卸荷电路分别与变流器控制器连接，变流器控制器连接至双馈风电机组的主控系统。
2.根据权利要求1所述的双馈风电机组高电压穿越控制系统，其特征在于，Crowbar电路包括3个Crowbar电阻、可变电阻、三相整流桥、Crow电容和开关管；3个Crowbar电阻的一侧分别与双馈风力发电机的转子三相引出线连接，另一侧与三相整流桥中的二极管桥臂中点连接；可变电阻与开关管连接；三相整流桥与Crow电容连接。
3.根据权利要求1所述的双馈风电机组高电压穿越控制系统，其特征在于，双馈风电机组中电气设备的耐受电压为额定电压的1.3倍。
4.根据权利要求1所述的双馈风电机组高电压穿越控制系统，其特征在于，还包括电网切出接触器，电网切出接触器分别与双馈风电机组的变桨系统和主控系统连接。
5.根据权利要求4所述的双馈风电机组高电压穿越控制系统，其特征在于，变桨系统分别与双馈风电机组的UPS和后备电源连接。
6.根据权利要求1所述的双馈风电机组高电压穿越控制系统，其特征在于，电网与双馈风电机组的变压器之间设有用于检测系统性能的故障发生装置。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的双馈风电机组高电压穿越控制系统的工作方法，其特征在于，包括：
电网电压处于稳态时，变流器接收变流器控制器下发的指令并执行；当变流器处于并网发电状态时，变流器控制器根据风电机组的实时参数，控制变流器发出的总功率；
电网电压骤升时，变流器控制器监测直流母线电压和变流器机侧电流：
双馈风电机组进入高电压穿越状态，当直流侧母线电压超过第一预设电压时，投入卸荷电路，消耗转子侧馈入的能量，直至直流侧母线电压降至第二设定电压以下，电磁转矩幅值减小至第一设定电流以下时切除卸荷电路；当变流器机侧电流超过第二设定电流时，Crowbar电路投入并切断变流器机侧，直至直流侧母线电压降至第三设定电压以下且变流器机侧电流降至第三设定电流以下时，切除Crowbar电路并导通变流器机侧；风电机组有功控制恢复后，风电机组功率恢复至电网电压骤升前的数值，电网电压恢复至稳态，完成双馈风电机组高电压穿越控制。
8.根据权利要求7所述的双馈风电机组高电压穿越控制系统的工作方法，其特征在于，第一设定电压为960V，第二设定电压为880V，第一设定电流为滞环比较器阈值2p.u，第二设定电流为滞环比较器阈值1.5p.u，第三设定电压为890V。
9.根据权利要求7所述的双馈风电机组高电压穿越控制系统的工作方法，其特征在于，双馈风电机组处于高电压穿越状态时，除高电压穿越以外的其它故障采取延时报警策略。
10.根据权利要求9所述的双馈风电机组高电压穿越控制系统的工作方法，其特征在于，双馈风电机组进入高电压穿越状态并延时报警后，切除变桨系统的电网输入电压，变桨系统由UPS和后备电源供电3s，如果3s之内电网电压恢复至稳态，则变桨系统继续正常变桨；如果3s之内电网电压未恢复至稳态，则主控系统控制变桨系统进行顺桨。
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