CN201887484U - 一种提升风电机组低电压穿越能力的无功补偿成套装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于风力发电系统的辅助设备技术领域，具体涉及一种用于补偿风电机组无功功率和提升低电压穿越能力的无功补偿成套装置。该装置由保护隔离设备(51)、调压变压器(52)、有载分接开关(53)、电容器组(54)、控制器(55)组成，其并接于风电机组和风机升压变之间的发电机电压母线上，调压变压器的一次侧经过保护隔离设备并接于发电机电压母线上，二次侧的多级分接头与有载分接开关的相应分接头连接，电容器组串接在有载分接开关的输出端上，控制器通过电缆或光缆(61)分别与有载分接开关和发电机母线(6)主回路连接，控制器通过通信网络(7)与风场控制中心(4)连接。该装置具有结构简单、响应速度快、可靠性高、允许的低电压穿越次数及持续时间无限制等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于风力发电系统的辅助设备技术领域，具体涉及一种用于补偿风电机组无功功率和提升低电压穿越能力的无功补偿成套装置。
背景技术
近年来风力发电建设规模增长迅速，风力发电所占供电比重快速上升。由于电网发生故障时候机端电压难以建立，若风机继续挂网运行，要吸收大量的无功功率，将会影响到电网电压的恢复，在电网发生故障出现电压跌落时，对于一般采用异步发电机技术的风机机组，一般是采取切除风电机组的方法来处理。随着电网中风力发电机组装机比例的提高，在电网出现故障时导致电压跌落后，风力发电机组如果纷纷解列会导致系统潮流的大幅变化引起系统暂态不稳定，带来频率不稳定的问题，并可能造成局部甚至是系统的全面瘫痪。因此，国家电网公司颁布的《大型风电场并网技术规定》(送审稿)中要求风电机组应具有低电压穿越能力。低电压穿越能力就是指当电网故障或者扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在一定的电压跌落范围内，风电机组能够不间断的并网运行。
目前风电发电机分为异步发电机和双馈感应发电机。其中异步发电机自身不产生无功容量Q，要靠并联电容器等方法来提供，当电网发生大扰动时，即使采用动态无功补偿方法也由于并网点电压降低导致无功补偿出力呈平方倍数降低至很低(Q＝ωCU2)，因而不能及时向风电机组和系统提供必要的无功容量。而如西班牙W2PS公司及美国超导公司等采用无功电压发生器进行无功功率注入的方案又受到成本过高的限制而无法得到广泛应用，因此目前的技术研究普遍认为异步风力发电机由于电压跌落问题而无法完成低电压穿越。而据有关资 料介绍，目前已经有5000多台容量为750kW的异步风力发电机服役于各个风电场，解决这类风机的低电压穿越问题，对于电网的稳定和风电场的运行安全有着非常大的必要性。
发明内容
本实用新型针对异步发电机电气回路的特性，为了保证异步发电机在正常运行和系统并网点发生电压跌落时回路无功功率的正常自给，根据Q＝ωCU2电容器无功出力(Q)与电容器端电压的平方(U2)成正比，采用有载调压变压器及电容器组来实现在系统电压跌落时快速提升电容器端电压，保证机组的无功功率需要，避免机组向系统吸取无功功率，满足电网对机组的低电压穿越能力要求。
本实用新型采用的技术方案如下：
提升风电机组低电压穿越能力的无功补偿成套装置，由保护隔离设备、调压变压器、有载分接开关、电容器组、控制器组成，其并接于风电机组和风机升压变之间的发电机电压母线上，调压变压器的一次侧经过保护隔离设备并接于发电机电压母线上，二次侧的多级分接头与有载分接开关的相应分接头连接，电容器组串接在有载分接开关的输出端上，控制器通过电缆或光缆分别与有载分接开关和发电机母线主回路连接，控制器通过通信网络与风场控制中心连接。
所述的调压变压器为有载调压变压器，该变压器的二次侧具有多个分接头，通过有载分接开关可以接通不同的分接头来改变变压器二次侧线圈的匝数，继而改变变压器的输出电压，该调压变压器具有既可降压又可升压的结构特点，以及具有2-18档调压分接头，容量为100kVA-2500kVA。
所述的有载分接开关可以是机械式有载分接开关、真空式有载分接开关或电子式有载分接开关。电子式有载分接开关是基于无触点技术的多档快速动作电子开关，由控制器根据电压和无功变化情况进行动作控制，无触点电子开关 可以采用可控硅、IGBT或固态继电器。
所述的控制器采用单片机或DSP或FPGA，控制原理采取无功补偿和快速电压控制两种控制策略，满足正常运行时的无功补偿和电网并网点电压快速跌落及电压快速恢复过程中的电压快速响应要求；其控制电源引自装置电源侧，具有采集包括电压、电流、无功功率电气量的模块。控制器通过电缆或光缆与有载分接开关连接，控制有载分接开关动作。控制器还具有和风场控制中心进行无线通信的模块，作为系统的安全自检装置和通信接口，将系统的运行状态参数和报警数据发送到风电场的相关监控系统中。
所述的电容器组采用金属化聚丙烯薄膜电容器，并根据需要配置有必要的过电压保护模块。
本实用新型采用调压式无功补偿原理，电容器不分组投切，避免了电容器分组投切过程中产生的过电压，提高了系统的安全可靠性。而且，由于采用了带有有载分接开关的调压变压器，实现了系统母线低电压下无功容量输出能力的保持，从而达到了满足系统对无功补偿的基本要求，使得风电发电机组低电压能力有了极大的提升。该装置具有结构简单、响应速度快、可靠性高、允许的低电压穿越次数及持续时间无限制等优点。
附图说明
图1是本实用新型的所涉及的装置在风电场电气接线图中的接线示意图
图2是本实用新型的所涉及的装置的组成框图示意图
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本实用新型的具体实施方式。
如附图1所示，异步发电机风机机组1通过风机升压变2接入电网3。本实用新型的提升风电机组低电压穿越能力成套装置【5】，并接于异步发电机 风机机组1和风机升压变2之间的电压母线6上。装置5通过通信网络7与风场控制中心4通信。
如附图2所示，系统由保护隔离设备51、调压变压器52、有载分接开关53、电容器组54和控制器55组成。控制器55通过二次控制电缆或光纤61与发电机母线电压测量回路(调压变压器一次侧)及有载分接开关53的控制回路连接，它通过通信网络7与风场控制中心4联系。
保护隔离设备(例如手动/自动断路器)在系统检修时起安全隔离作用，将该装置与发电机主回路隔离开来，在运行中起对装置进行短路保护的作用。调压变压器的二次侧具有多个分接头，通过有载分接开关可以接通不同的分接头来改变变压器二次侧线圈的匝数，继而改变变压器的输出电压达到调整电容器组无功补偿量的目的。
控制器是基于单片机或DSP或FPGA的高性能主控单元，具有RS485/以太网等开放的数据接口及MODBUS/CAN等标准规约实现与风电场控制系统的通信。它作为核心控制中枢，重要的工作之一是通过监测电压、电流、无功功率等必要的电气量，控制有载分接开关的调压动作及其保护；其二是将装置运行数据发送到风场控制系统并接受上级控制中心的控制指令。控制器采集设置在发电机主回路的电压互感器提供的电压信号，若引接机组的电压信号不方便，也可在装置柜内装设监测发电机回路的高精度电压测量元件。控制器装置快速检测机组母线电压值，并针对电压快速跌落和快速上升的特点，按照设定的电压变化率阈值判断电压跌落或电压恢复情况并进行相应的电压模式控制。当发电系统处于正常状态下时，电容器组工作在某一电压设定值附近，向发电机主回路发送所需的无功功率，当发电机主回路(调压变压器一次侧)在系统暂态 故障期间电压急剧变化时，控制器快速响应，控制有载调压分接开关动作，将二次侧电压快速调整在合适的电压附近，通过改变电容器组的端电压来改变电容器组的输出无功，满足机组无功功率的需要，达到提升机组低电压穿越能力的目的。
装置在控制器的控制下按照电容补偿控制模式和电压控制模式两种模式自动切换运行。
装置正常时候采用补偿控制模式，调压变压器采用降压方式运行，保证电容器回路电压低于额定值，使得电容器组不受到过电压的危险，从而确保电容器组的安全运行。系统自动检测发电机回路的无功功率平衡，按照无功功率平衡原则调整电容器组端电压，使得系统不会出现欠补偿或者过补偿的情况，从而实现优化运行。
在出现电压快速变化(跌落或者暂态恢复)时，装置快速采用电压控制模式，按照设定的电压变化率阈值(dV/dt在0.15-0.99)快速进行电压调节，保证向机组提供合适的无功补偿量，并尽量向电网提供无功功率，帮助电网尽快恢复至正常状态。装置充分考虑到电网恢复电压时的暂态特性，除了在设计选择电容器时候考虑电压特性满足暂态变化要求外，系统还在电压恢复过程中采用动态监测方法保证电容器组不致由于端电压的波动而遭损坏。
下面以具体例子详细说明设备的工作过程。
电网发生故障而引起电压跌落，假设电压瞬时跌落为额定电压的20％，根据风电机组低电压穿越要求，此时要求在0.625s内风电机组不间断运行，并输出一定的无功功率，保证机组的无功功率需要，避免机组向系统吸取无功功率，满足电网对机组的低电压穿越能力要求。
当电压跌落至额定电压的20％时，因为之前有载调压变压器处于降压模式， 所以电容器两端的电压降得很低，此时输出的无功功率大大降低。控制器会通过母线采样到跌落的电压，由跌落的电压值(额定电压的20％)通过算法来决定有载分接开关切换的档位，发出指令将有载分接开关的分接触头快速切换到相应的档位，此时有载调压变压器输出端线圈增加由降压模式改变为升压模式，电容器两端的电压增加，根据公式Q＝ωCU2电容器输出的无功功率Q以U2增长，保证了风电机组的无功功率，达到了提升机组低电压穿越能力的目的。
当电压由额定电压的20％上升时，比如上升至额定电压的30％，控制器根据电压值控制有载分接开关的档位切换，使得有载调压变压器的输出端线圈减少，降低电容器组两端的电压，从而稳定输出的无功功率。
当电压上升至额定电压时，控制器控制有载分接开关使得有载调压变压器恢复到最初的减压模式，满足电容器输出合适的无功功率。
Claims (5)
1.一种提升风电机组低电压穿越能力的无功补偿成套装置，其特征在于该装置由保护隔离设备、调压变压器、有载分接开关、电容器组、控制器组成，其并接于风电机组和风机升压变之间的发电机电压母线上，调压变压器的一次侧经过保护隔离设备并接于发电机电压母线上，二次侧的多级分接头与有载分接开关的相应分接头连接，电容器组串接在有载分接开关的输出端上，控制器通过电缆或光缆分别与有载分接开关和发电机母线主回路连接，控制器通过通信网络与风场控制中心连接。
2.如权利要求1所述的提升风电机组低电压穿越能力的无功补偿成套装置，其特征在于其调压变压器具有2-18档调压分接头，容量为50kVA-2500kVA。
3.如权利要求1所述的提升风电机组低电压穿越能力的无功补偿成套装置，其特征在于其有载分接开关可以是机械式有载分接开关、真空式有载分接开关或电子式有载分接开关，电子式有载分接开关是由可控硅或IGBT组成的多档快速动作电子开关。
4.如权利要求1所述的提升风电机组低电压穿越能力的无功补偿成套装置，其特征在于其控制器为单片机或DSP或FPGA。
5.如权利要求1所述的提升风电机组低电压穿越能力的无功补偿成套装置，其特征在于其电容器组采用金属化聚丙烯薄膜电容器。
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