CN201829955U - 一种用于辅助风力发电机实现低压穿越的动态电压稳定器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于辅助风力发电机实现低压穿越的动态电压稳定器,属于电力系统柔性交流输配电和电力电子技术领域。本实用新型由三个相同的单相交直交变换全桥结构组成,每相包括一个普通交流变压器连接一个单相H桥结构不控整流器;通过一个电容与单相H桥逆变器相连;逆变器的交流端口通过滤波电感和电容与电网直连。本实用新型具有电压补偿,有功功率吸收的功能,能够辅助双馈感应风电机在电压跌落时实现低压穿越的功能,提高风电场在电网故障时的发电能力。且结构简单,可获得良好的电压补偿效果及动态响应特性。便于工业生产,提高风电场可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于辅助风力发电机实现低压穿越的动态电压稳定器,属于电力系统柔性交流输配电和电力电子技术领域。
背景技术
在能源环境问题日益突出的今天,风能由于其独特的优势,已经成为目前最具发展潜力的替代能源。与此同时,考虑到风能自身的间歇性和波动性,风力发电系统对传统的电网运行提出了新的要求和挑战。
双馈感应发电机(以下简称DFIG)是目前全球应用最为广泛的风力发电机之一。随着DFIG单机容量和风电场规模的日益增大,风电机组与电网之间的相互影响愈发显著,尤其是当电网因故障发生电压跌落时,要求风电场具备低压穿越运行能力,以避免由于风电场脱网对电网功率平衡产生严重冲击,进一步恶化电网处境。
目前DFIG主要采用撬棍(以下简称Crowbar)电路来实现电压跌落时机组的不间断运行,该技术在电网电压跌落时自动切除发电机励磁电源,投入转子旁路保护电阻限制转子回路电流,以达到保护转子侧变流器和发电机的目的。在故障情况下,DFIG相当于常规的笼式发电机运行并且从电网中获得大量无功;此时DFIG电网侧变流器(以下简称GSC)可以设置为控制维持电网侧的无功功率和电压,桨距角控制同时也被启动以限制风轮机转速。故障清除后,电网电压频率重新稳定,重启DFIG转子侧变流器,恢复风轮机控制策略,DFIG也回到正常工况。
然而Crowbar技术以及新的GSC控制策略对电网本身的坚强性以及GSC的调节能力依赖程度相当高,否则有可能导致风电场脱网,造成系统电压失稳。为了解决这个问题,国际上将柔性交流输配电技术引入到解决风电场低压穿越(以下简称LVTR)问题中,目前研究中的FACTS装置主要有两个。首先是静止同步补偿器(以下简称STATCOM),STATCOM以变换器技术为基础,等效为一个可调的电压源,通过控制该电压源的幅值和相位来达到改变向电网输送无功功率大小的目的。由于GSC相对容量比较小,为了缓解电网的压力,可以将STATCOM并联在风电场与电网的公共连接点上,补偿无功功率,改善电压水平。但是STATCOM并不能起到对RSC的保护作用,STATCOM必须和Crowbar一起动作才能实现风电场的LVRT。
发明内容
本实用新型的目的是提出一种用于辅助风力发电机实现低压穿越的动态电压稳定器, 针对已有DFIG在遭遇电网电压跌落时,有可能导致的电网电压水平恶化,甚至风电机脱网等问题,在用户和系统之间串联接入的电压补偿装置,一旦检测到系统电压受到干扰,DVR将产生一定的电压抵消系统电压的变化。将DVR串联接入风电场和电网之间,对电压跌落做出迅速补偿,在低电压过程中保证风电场端口电压稳定,实现风电场的低压穿越。
本实用新型提出的用于辅助风力发电机实现低压穿越的动态电压稳定器,包括:
隔离变压器,用于使风力发电机与动态电压稳定器实现电气隔离,隔离变压器的原边与风力发电机相连,副边与单相不控整流桥的交流侧相连;
单相不控整流桥,用于对风力发电机的输出电压进行整流,得到直流母线电压,单相不控整流桥由两个桥臂组成,每个桥臂包括上下两个二极管,单相不控整流桥的直流侧并联在直流母线电容的两端;
直流母线电容,用于稳定直流母线电压,直流母线电容的两端与动态刹车电阻器相并联;
动态刹车电阻器,用于消耗风力发电机的多余功率,以稳定直流母线电压,动态刹车电阻器由一个电阻和一个绝缘门极双极型晶体管串联而成,动态刹车电阻器的两个与单相H桥逆变器的直流侧并联;
单相H桥逆变器,用于将直流母线电压转换成交流电压,单相H桥逆变器包括两个桥臂,每个桥臂包括上、下两个绝缘门极双极型晶体管以及分别与该绝缘门极双极型晶体管反向并联的两个二极管,单相H桥逆变器的交流侧与电容电感滤波单元相连;
电容电感滤波单元,用于滤除上述交流电压中的高次谐波,电容电感滤波单元由一个电感和一个电容串联而成,电容电感滤波单元中的电容的两端与反向并联晶闸管并联;
反向并联晶闸管,用于根据电网电压检测信号对动态电压稳定器进行启动或关闭操作,反向并联晶闸管由两个晶闸管反向并联而成,反向并联晶闸管串联在电网和风力发电机之间。
本实用新型提出的一种用于辅助风力发电机实现低压穿越的动态电压稳定器,其优点是:
1、与已有的STATCOM、Crowbar等装置相比,本实用新型提出的动态电压稳定器能够独立辅助风力发电机实现低压穿越。
2、本实用新型的动态电压稳定器不仅仅能够辅助DFIG实现低压穿越,而且适用于任意类型的风电机组。
3、传统的低压穿越装置和控制方法往往在电网电压发生三相不对称跌落时无法做到有效地应对,本实用新型的动态电压稳定器采用了三单相的结构,三相分别独立控制,能够有效地应对电网电压发生三相不对称跌落时的工况。
4、基于电网电压跌落随机性和快速性的特性,本实用新型的动态电压稳定器使用了反向并联晶闸管反压关断技术,具有响应速度快,补偿效果好的特点。从电网电压发生跌落到动态电压稳定器正常工作的过渡过程,控制在5毫秒之内,可以最大程度的减小DVR 设备投入暂态过程对电网系统的影响。
附图说明
图1是本实用新型提出的用于辅助风力发电机实现低压穿越的动态电压稳定器的结构示意图。
图2是用于产生一个触发本实用新型动态电压稳定器信号的流程图。
图3是本实用新型提出的动态电压稳定器的三相结构示意图。
图4和图5是本实用新型的两个实施例。
图6是使用本实用新型的动态电压稳定器后电网电压和风力发电机电压的仿真结果示意图,其中图6(a)是仿真结果示意图,图6(b)是图6(a)的局部放大图。
图7是本实用新型的动态电压稳定器在工作过程中直流母线电压的仿真结果,其中图7(a)是仿真结果示意图,图7(b)是图7(a)的局部放大图。
具体实施方式
本实用新型提出的用于辅助风力发电机实现低压穿越的动态电压稳定器,其结构如图1所示,包括:
隔离变压器,用于使风力发电机与动态电压稳定器实现电气隔离,隔离变压器的原边与风力发电机相连,副边与单相不控整流桥的交流侧相连;
单相不控整流桥,用于对风力发电机的输出电压进行整流,得到直流母线电压,单相不控整流桥由两个桥臂组成,每个桥臂包括上下两个二极管,单相不控整流桥的直流侧并联在直流母线电容的两端;
直流母线电容,用于稳定直流母线电压,直流母线电容的两端与动态刹车电阻器相并联;
动态刹车电阻器,用于消耗风力发电机的多余功率,以稳定直流母线电压,动态刹车电阻器由一个电阻和一个绝缘门极双极型晶体管串联而成,动态刹车电阻器的两个与单相H桥逆变器的直流侧并联;
单相H桥逆变器,用于将直流母线电压转换成交流电压,单相H桥逆变器包括两个桥臂,每个桥臂包括上、下两个绝缘门极双极型晶体管以及分别与该绝缘门极双极型晶体管反向并联的两个二极管,单相H桥逆变器的交流侧与电容电感滤波单元相连;
电容电感滤波单元,用于滤除上述交流电压中的高次谐波,电容电感滤波单元由一个电感和一个电容串联而成,电容电感滤波单元中的电容的两端与反向并联晶闸管并联;反向并联晶闸管,用于根据电网电压检测信号对动态电压稳定器进行启动或关闭操作,反向并联晶闸管由两个晶闸管反向并联而成,反向并联晶闸管串联在电网和风力发电机之间。
本实用新型的动态电压稳定器可以由三个相同的单相交直交变换全桥结构组成,每相 包括一个普通交流变压器连接一个单相H桥结构不控整流器;通过一个电容与单相H桥逆变器相连;逆变器的交流端口通过滤波电感和电容与电网直连。由于变换器使用三单相的结构,三相分别独立控制,简单可靠,尤其适用于电网三相电压不平衡跌落的情况。同时,本实用新型对DVR使用了两个反向并联的晶闸管实现投切技术,正常工作状态下DVR被反向并联的两个晶闸管旁路,检测到故障后晶闸管迅速动作,将DVR串联接入,实现补偿。这样的设计方式大大减少了对DVR电力电子器件的损耗,延长了DVR的寿命。
DVR耦合至系统线路通常有两种方式:变压器耦合和电容耦合。因为DFIG端口电压电压等级一般较低,并且变压器的存在会增加逆变器的容量,也可能给控制的精度和稳定性带来负面影响,譬如严重的激磁涌流问题等。因此在本实用新型中使用了电容将DVR的逆变器输出耦合至系统线路,使用较简单的电源变压器实现DVR直流母线和系统的隔离。
本实用新型的动态电压稳定器在直流母线电容上并联了动态刹车电阻器这一装置,由于电压跌落期间,系统侧电压较低,DFIG发出的功率无法全部送入系统,过剩的功率会导致变流器直流母线电容电压飙升,严重时甚至击穿电容。动态刹车电阻器的安装可以对电容进行间歇性放电,消耗过剩的功率,稳定直流母线电容电压。
基于电压跌落发生的快速性和随机性,要使DVR具有良好的实时控制效果,首先必须保证能对DVR的控制信号(通常为电压、电流)在一定检测精度的条件下实现快速跟踪检测。在本实用新型中,由于DFIG直接和电网相连,正常工作时端口电压为对称三相正弦电压,所述的DVR使用了αβ坐标系变换电压检测技术,获得了较快的跟踪检测特性。
本实用新型的动态电压稳定器在控制方法上采取了输出电压瞬时值加电容电流瞬时值局部反馈的系统控制方法,构成双闭环系统,确保DFIG端口电压保持稳定。
本实用新型的动态电压稳定器使用了两个反向并联的晶闸管进行投切动作,但是晶闸管本身的特性决定了其不可能立刻关断,必须等到电压的下一个过零点,这对DVR进行迅速补偿造成了困难。本实用新型中利用DVR的逆变器,在检测到故障的同时,立即形成一个持续时间很短的且与当前导通晶闸管方向相反的电压,强制晶闸管迅速关闭,DVR进入正常工作状态。
以下结合附图,详细介绍本实用新型的工作原理简述如下:
图2为电网电压监视系统产生一个触发本实用新型动态电压稳定器信号的工作流程图,基于三相αβ坐标变换检测方法,首先将电网实时电网瞬时值usa、usb、usc转换为αβ坐标系下的uα、uβ,uα、uβ经过极坐标下的变化求得电压模值um,电压模值在经过低通滤波器滤除扰动分量后与电压标准值umref做比较得到触发信号。电网无故障状态下,电网电压监视系统输出触发信号为0,DFIG通过导通的反向并联的晶闸管向电网供电,DVR被旁路,逆变器处于闭锁状态。一旦电网侧发生电压跌落,电压监控系统输出触发信号将迅速置1,反向并联的晶闸管门级的持续信号变为关断。但是由于晶闸管本身的特性决定了它在两端电压下一个过零点之前无法立即关断,在检测到故障后的1ms的时间内,控制 器通过DVR的逆变器在反向并联晶闸管的两端形成一个与当前电流方向相反的电压脉冲,使得三相电路上的反并联晶闸管迅速关断,确保反向并联晶闸管关断后,DVR逆变器进入正常工作状态,保证DFIG端口电压保持不变。DVR工作过程中,由于电网电压较低,DFIG的输出功率只有部分能通过逆变器的送入电网,因此必然产生过剩的功率,这部分过剩功率将导致直流母线电压的飙升,当直流母线电压超过一定警戒线后,动态刹车电阻器上的IGBT开关闭合,刹车电阻消耗掉过剩的功率,但直流母线电压下降到一定水平后,IGBT开关关断。故障排除后,电网电压恢复正常,电压监控系统输出触发信号置0,反并联的晶闸管导通,逆变器闭锁,DVR停止工作。
如图3所示,是本实用新型提出的动态电压稳定器的三相总体结构示意图。在本实用新型中,采用了单相不控整流桥和单相H桥逆变器的拓扑结构组合成三相DVR装置。同样,也可以使用三相桥的拓扑结构来组合DVR。如图4所示,是通过三相不控整流桥与三个单相H桥逆变器的组合构成了三相DVR装置;如图5所示,是通过三相不控整流桥与三相逆变器拓扑的组合构成了三相DVR装置,其原理及其控制方法与本实用新型大同小异。
下面结合一个DVR(750kW)辅助DFIG(750kW 690V)实现低压穿越的实例详细说明本实用新型的具体工作过程,由于变换器使用三单相的结构,三相分别独立控制,所以仅给出单相的运行过程。图6,7为补偿效果图,图6给出了电网电压跌落前后风电机端口电压与电网电压的波形比较,其中图6(a)是仿真结果示意图,图6(b)是图6(a)的局部放大图。经过补偿,DFIG端口电压在电网电压跌落期间依然保持了原来的电压水平,图7为使用动态刹车电阻器后直流母线电容电压波形,其中图7(a)是仿真结果示意图,图7(b)是图7(a)的局部放大图。
仿真时间:0.5s;故障开始时间:0.1991s;结束时间:0.2091s;故障持续时间:0.1s;故障类型:单相电压跌落50%。
1、在0s~0.1991s内,电网电压正常,如图2所示的基于αβ坐标变换的检测装置输出触发信号置0,反向并联的晶闸管门级保持导通信号,DVR的逆变器保持闭锁。DFIG通过反并联的晶闸管向电网输送功率。
2、0.1991s时,电网发生电网跌落,电网电压峰值由0.5634kV跌落至0.2817kV(图4),如图2所示的基于αβ坐标变换的检测装置输出触发信号立即置1,逆变器停止闭锁,反向并联的晶闸管门级的持续信号变为关断,同时,单相H桥逆变器在反向并联晶闸管的两端输出一个与当前晶闸管电流方向相反的电压脉冲(宽度1毫秒),晶闸管在1毫秒内被强制关断,DVR控制系统进入正常工作状态。与母线电容并联的动态刹车电阻器在故障期间用于消耗DFIG过剩的功率,维持直流母线电压的稳定,其IGBT开关在直流母线电压高于0.58kV的情况下关闭,将电阻器接入电路,开始放电,当直流母线电压恢复正常时,开关打开。如图7所示,直流母线电压基本维持在0.58kV。
3、0.2991s时刻,电网电压恢复正常,检测装置(图2)输出触发信号置0,晶闸管门级信号恢复导通,同时逆变器闭锁。DVR停止工作。
Claims (1)
1.一种用于辅助风力发电机实现低压穿越的动态电压稳定器,其特征在于包括:
隔离变压器,用于使风力发电机与动态电压稳定器实现电气隔离,隔离变压器的原边与风力发电机相连,副边与单相不控整流桥的交流侧相连;
单相不控整流桥,用于对风力发电机的输出电压进行整流,得到直流母线电压,单相不控整流桥由两个桥臂组成,每个桥臂包括上下两个二极管,单相不控整流桥的直流侧并联在直流母线电容的两端;
直流母线电容,用于稳定直流母线电压,直流母线电容的两端与动态刹车电阻器相并联;
动态刹车电阻器,用于消耗风力发电机的多余功率,以稳定直流母线电压,动态刹车电阻器由一个电阻和一个绝缘门极双极型晶体管串联而成,动态刹车电阻器的两个与单相H桥逆变器的直流侧并联;
单相H桥逆变器,用于将直流母线电压转换成交流电压,单相H桥逆变器包括两个桥臂,每个桥臂包括上、下两个绝缘门极双极型晶体管以及分别与该绝缘门极双极型晶体管反向并联的两个二极管,单相H桥逆变器的交流侧与电容电感滤波单元相连;
电容电感滤波单元,用于滤除上述交流电压中的高次谐波,电容电感滤波单元由一个电感和一个电容串联而成,电容电感滤波单元中的电容的两端与反向并联晶闸管并联;
反向并联晶闸管,用于根据电网电压检测信号对动态电压稳定器进行启动或关闭操作,反向并联晶闸管由两个晶闸管反向并联而成,反向并联晶闸管串联在电网和风力发电机之间。
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