CN202840535U - 一种具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，双馈变流器由并网快速开关GK、直流卸荷单元DBU、定子侧动态耗能单元DPC、暂态无功电流补偿单元TSTATCOM、AC/DC整流开关EK、滤波器、网侧变流器GSC、机侧变流器RSC及控制器KZQ，双馈变流器设有A端口、B端口、C端口，其中A端口与双馈发电机定子连接， B端口与电网连接，C端口与双馈发电机转子连接；定子侧动态耗能单元DPC的由A端口与双馈发电机定子连接，直流卸荷单元与GSC和RSC的公共直流母线连接，暂态无功电流补偿单元TSTATCOM与电网侧连接，AC/DC整流开关EK的交流端与双馈发电机定子连接，直流端与公共直流母线相连接；双馈变流器各部分的工作状态均由控制器KZQ发出的信号控制。

Description

一种具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器

技术领域

本实用新型涉及一种具备完美低电压穿越功能的双馈风力发电机组变流器装置，适用于双馈风力发电机组。 

背景技术

随着风力发电的迅速发展，风电装机容量不断增大，在发电容量中所占的比例也不断提高。当电力系统中风电装机容量比例较大时，电力系统故障导致电压跌落后，风电场切除会严重影响系统运行的稳定性。有研究表明，当风力发电机具有低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力时，能提高整个电力系统的稳定性。因此世界上风电装机比例较大的国家，如丹麦、德国、美国等颁布的风电并网规定中，都要求风电机组都具备LVRT能力，保证电力系统发生故障后风电机组能够不间断并网运行。 

尽管各国对风电机组低电压穿越能力的要求各不相同，但都包含如下几个方面的内容，以我国颁布的风电场接入电力系统技术规定（GBT_19963-2011）为例： 

a）风电场必须具有在电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行625ms的低电压穿越能力； 

b）风电场电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保持并网运行； 

c）风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场必须不间断并网运行。 

d) 有功功率在故障清除后应快速恢复，自故障清除时刻开始，以至少10％额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。 

e) 当风电场并网点电压处于标称电压的20％～90％区间内时，风电场应能够通过注入无功电流支撑电压恢复；自并网点电压跌落出现的时刻起，动态无功电流控制的响应时间不大于75ms，持续时间应不少于550ms。 

风电场注入电力系统的动态无功电流IT≥1.5×（0.9-UT）IN ，（0.2≤UT≤0.9）。其中UT为风机机端并网点电压有效值。 

如附图1所示，目前市场上绝大多数的双馈变流器目前可以通过在转子侧加 入有源Crowbar(Active Crowbar)或直流母线加Chopper来使其具备LVRT能力，存在以下缺点：一是控制比较复杂，穿越过程中需要从电网吸收无功功率，风场电压在恢复时存在的高电压仍会使双馈变流器故障脱网，特别在风场电压不对称跌落、双馈发电机转速接近同步速时不容易顺利穿越。二是这种方案还需要风力发电机组主控系统和变桨系统的密切配合，要实现整个机组的低电压顺利穿越是一件很复杂的事情。三是这种方案在电网电压跌落会对机械传动系统造成较大的转矩冲击和震荡，影响机械部分的使用寿命甚至导致损坏。四是在有功功率恢复速度、动态无功电流响应速度和无功电流容量方面都很难满足GBT_19963-2011的要求。因此设计一种能够保证双馈风力发电机组能够在任何电压跌落情况下都能够顺利穿越的新型双馈变流器，对于电网和机组的稳定运行有着十分重要的意义。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对目前传统双馈变流器在电网电压跌落进行低电压穿越时冲击转矩大、可靠性差等问题，提供一种新颖的使双馈风电机组具有完美低电压穿越能力的双馈变流器和其控制方法,适用于各种双馈发电机组。 

本实用新型是这样实现的：一种具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，设有A端口、B端口、C端口，其特征在于，双馈变流器包括定子侧动态耗能单元DPC、网侧变流器GSC、机侧变流器RSC、直流卸荷单元DBU、并网快速开关GK、暂态无功电流补偿单元TSTATCOM（Transient STATCOM）、AD/DC整流开关EK、网侧滤波器LB和控制器KZQ；其中： 

定子侧动态耗能单元DPC、AC/DC整流开关EK的一端以及并网快速开关GK的一端通过A端口直接与双馈发电机的定子连接；暂态无功电流补偿单元TSTATCOM的交流端由B端口与电网侧连接；网侧变流器GSC的交流侧经过滤波器LB通过B端口与电网连接，机侧变流器RSC的交流侧由C端口与双馈发电机的转子连接，网侧变流器GSC与机侧变流器RSC之间为公共直流母线，直流卸荷单元DBU位于公共直流母线上；并网快速开关GK 串接在A端口与B端口之间；AC/DC整流开关EK的交流端通过A端口与定子侧连接，直流端与公共直流母线连接； 

所述的定子侧动态耗能单元DPC、网侧变流器GSC和机侧变流器RSC、直 流卸荷单元DBU、并网快速开关GK、暂态无功电流补偿单元TSTATCOM、AC/DC整流开关EK的工作状态均受控于控制器KZQ。 

在本实用新型中，并网快速开关GK包括晶闸管或功率器件组合后的双向交流开关DW，配有快速关断电路，通过控制器KZQ进行电流检测和保护。 

在本实用新型中，所述的直流卸荷单元DBU由IGBT模块与功率电阻R组成，所述的直流卸荷单元DBU同时连接在网侧变流器GSC和机侧变流器RSC的直流母线正负极之间。 

在本实用新型中，所述暂态无功电流补偿单元TSTATCOM至少由两组相同的无功电流补偿基本单元并联组成，每个基本单元由全控器件组成的三相PWM逆变器与滤波电感组成。 

在本实用新型中，所述的AC/DC整流开关EK为三相整流桥，三相整流桥采用不控整流桥或半控整流桥或采用全控整流桥； 

采用不控整流桥时，其直流输出将串联IGBT等类型的可关断器件，通过控制可关断器件的通断来实现AC/DC整流开关的控制； 

采用半控整流桥或全控整流桥时，直接通过桥臂上的功率器件的驱动脉冲来实现AC/DC整流开关的控制。 

在本实用新型中，所述的滤波器LB由电感、电容组成的∏型LCL滤波器或LC滤波器。 

在本实用新型中，定子侧动态耗能单元DPC采用三相双向可控硅或其他可控功率器件构成的双向交流开关DW与功率电阻R组成；或采用三相不控整流桥ZL与直流卸荷单元DBU组成；或采用上述两种结构的复合形式。 

在本实用新型中，定子侧动态耗能单元DPC采用三相双向可控硅或其他可控功率器件构成的双向交流开关DW与功率电阻R组成；其中以一组三相双向可控硅或其他可控功率器件构成的双向交流开关DW与功率电阻R为一个DPC基本单元，定子侧动态耗能单元DPC中至少含有一个DPC基本单元，当存在两个以上DPC基本单元时，各DPC基本单元采用并联方式形成定子侧动态耗能单元DPC组。 

本实用新型的优点在于：当电网正常工作时，并网前禁止使能定子侧动态耗能单元DPC、AC/DC整流开关EK以及暂态无功电流补偿单元TSTATCOM，启 动网侧变流器GSC和转子侧变流器RSC后，双馈变流器处于定子电压并网控制模式。当控制并网断路器两侧的定子电压幅值、频率、相位与电网电压一致时合上快速并网开关GK，此时双馈变流器进入并网功率控制模式。 

当电网电压发生跌落故障时，双馈变流器控制器KZQ将快速检测到电网电压跌落，在1ms内立即切断快速并网开关GK，使电网故障和双馈发电机隔离，转子侧RSC控制策略将快速切换为定子电压控制模式，使定子电压的幅值和电网电压跌落前相同，频率及相位跟随当前电网电压的变化。同时网侧变流器GSC和暂态无功电流补偿单元TSTATCOM将根据跌落程度发出一定大小的无功电流，支持电网电压快速恢复。定子侧动态耗能单元DPC将根据主控下发的功率命令进行控制，用于消耗风电机组输出的有功功率，使传动链不受任何冲击，传输的功率保持平稳变化。当电网电压恢复时，双馈变流器控制器KZQ检测到电网电压恢复到正常时，禁止定子侧动态耗能单元。转子侧变流器RSC控制定子电压与当前电网的幅值、频率、相位一致后，合上快速并网开关GK，转子侧变流器RSC控制模式由定子电压控制模式切换为并网功率控制模式，风力发电机组的有功功率可以快速恢复到跌落前的正常水平。 

按照我国颁布的风电场接入电力系统技术规定，风电场电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保持并网运行。双馈变流器会记录故障的持续时间，如果持续时间超过2s，双馈变流器将停止运行，同时风力发电机也可以脱网。如果持续时间在2s以内，双馈变流器检测到电压恢复之后，转子侧变流器将使定子电压跟踪电网电压，一旦满足并网条件，双馈变流器将使能并网快速开关GK，同时定子侧动态耗能单元DPC电路迅速退出运行，使风机并入电网的有功功率快速恢复。 

在电网电压跌落故障期间，对于风力发电机来讲，根本感受不到电网已经发生故障了，仍然按照之前的工作模式，输出的有功功率仍跟随主控下发的功率给定。主控系统和变桨系统仍然按照之前的状态工作，机械传动系统没有任何冲击。在保证可靠穿越的前提下，不仅避免了传动系统的冲击，而且大大简化了整个风机系统的设计，提高了低电压穿越过程的可靠性。 

采用本实用新型中的这种双馈变流器之后，双馈风力发电系统能够具有完美的低电压穿越能力和高电压穿越能力，包含零电压跌落和电网跳闸等在内的对称 及不对称故障均能可靠穿越； 

本实用新型的主要优点还在于：对双馈风力发电机组的运行无影响，对风力发电机组的机械传动系统无影响，大大避免电网故障对轴系产生的扭曲、振荡等影响，提高风机的使用寿命；实施时无需对风力发电机组的主控制器和变桨控制器做较大的改动，能快速实现双馈风力发电机组的低电压穿越能力；故障后，风力发电机组能够很快恢复到之前的工作状态，满足电网对低电压穿越的要求。故障期间主控系统和变桨系统的控制逻辑仍按照故障前的方式工作，不需要执行原来的LVRT控制逻辑，这样就不需要主控系统具备低电压穿越功能就可以实现整个机组的低电压穿越能力，简化了主控系统的控制算法和逻辑。 

本实用新型的优点还在于：本实用新型在故障期间仍然可以给电网提供无功支持。本实用新型具有结构简单、避免机械传动系统的冲击、可靠性高等优点，非常适合变速恒频双馈风力发电机组。 

附图说明

图1是传统双馈变流器结构示意图。 

图2是本实用新型涉及的实施例结构示意图。 

图3是本实用新型实施例中定子侧动态耗能单元DPC的一种结构示意图。 

图4是本实用新型实施例中定子侧动态耗能单元DPC的另一种结构示意图。 

图5是本实用新型实施例中定子侧动态耗能单元DPC的又一种结构示意图。 

附图2给出了这种具备可靠低电压穿越能力的新型双馈变流器的结构示意图，适合于各种类型的双馈风力发电机组。附图3、4、5给出了定子侧动态耗能单元DPC的三种不同形式。这种新的双馈变流器所带来的优点在这些结构图中都可以体现出来。 

具体实施方式

附图2~5非限制性地公开了本实用新型实施例的具体结构，下面结合附图2~5对本实用新型作进一步地描述。 

由图2可见，双馈变流器包括定子侧动态耗能单元DPC、网侧变流器GSC、机侧变流器RSC、直流卸荷单元DBU、并网快速开关GK、暂态无功电流补偿单元TSTATCOM（Transient STATCOM）、AD/DC整流开关EK、网侧滤波器LB和控制器KZQ；同时设有A端口、B端口、C端口，其中： 

定子侧动态耗能单元DPC、AC/DC整流开关EK的一端以及并网快速开关GK的一端通过A端口直接与双馈发电机的定子连接；暂态无功电流补偿单元TSTATCOM的交流端由B端口与电网侧连接；网侧变流器GSC的交流侧经过滤波器LB通过B端口与电网连接，机侧变流器RSC的交流侧由C端口与双馈发电机的转子连接，网侧变流器GSC与机侧变流器RSC之间为公共直流母线，直流卸荷单元DBU位于公共直流母线上；并网快速开关GK 串接在A端口与B端口之间；AC/DC整流开关EK的交流端通过A端口与定子侧连接，直流端与公共直流母线连接； 

所述的定子侧动态耗能单元DPC、网侧变流器GSC和机侧变流器RSC、直流卸荷单元DBU、并网快速开关GK、暂态无功电流补偿单元TSTATCOM、AC/DC整流开关EK的工作状态均受控于控制器KZQ。 

在本实施例中，并网快速开关GK包括晶闸管或功率器件组合后的双向交流开关DW，配有快速关断电路，通过控制器KZQ进行电流检测和保护。 

在本实施例中，所述的直流卸荷单元DBU由IGBT模块与功率电阻R组成，所述的直流卸荷单元DBU同时连接在PWM整流功率模块GSC和机侧逆变功率模块RSC的直流母线正负极之间。 

在本实施例中，所述暂态无功电流补偿单元TSTATCOM至少由一组相同的无功电流补偿基本单元并联组成，每个基本单元由全控器件组成的三相PWM逆变器与滤波电感组成，无功电流补偿基本单元的组数等于需要补偿的总无功电流除以每组基本单元无功电流输出最大值。 

具体实施时，所述的AC/DC整流开关EK为三相整流桥，三相整流桥采用不控整流桥或半控整流桥或采用全控整流桥； 

采用不控整流桥时，其直流输出将串联IGBT等类型的可关断器件，通过控制可关断器件的通断来实现AC/DC整流开关的控制； 

采用半控整流桥或全控整流桥时，直接通过桥臂上的功率器件的驱动脉冲来实现AC/DC整流开关的控制。 

具体实施时，所述的滤波器LB由电感、电容组成的∏型LCL滤波器或LC滤波器。 

具体实施时，定子侧动态耗能单元DPC可以采用三相双向可控硅或其他可 控功率器件构成的双向交流开关DW与功率电阻R组成（如图3）；或采用三相不控整流桥ZL与直流卸荷单元DBU组成（如图4）；或采用上述两种结构的复合形式（如图5）。 

具体实施时，定子侧动态耗能单元DPC采用三相双向可控硅或其他可控功率器件构成的双向交流开关DW与功率电阻R组成；其中以一组三相双向可控硅或其他可控功率器件构成的双向交流开关DW与功率电阻R为一个DPC基本单元，定子侧动态耗能单元DPC中至少含有一个DPC基本单元，当存在两个以上DPC基本单元时，各DPC基本单元采用并联方式形成定子侧动态耗能单元DPC组。 

本实用新型的整个工作过程如下：当电网正常工作时，并网前禁止定子侧动态耗能单元DPC、暂态无功电流补偿单元TSTATCOM、AC/DC整流开关EK，启动网侧变流器GSC和转子侧变流器RSC后，双馈变流器处于定子电压并网控制模式。当控制快速并网开关两侧的定子电压幅值、频率、相位与电网电压一致时合上快速并网开关GK，此时双馈变流器进入并网功率控制模式。 

当电网电压发生跌落故障时，双馈变流器控制器KZQ将快速检测到电网电压跌落，在1ms内立即切断快速并网开关GK，使电网故障和双馈发电机隔离，转子侧RSC控制策略将快速切换为定子电压控制模式，使定子电压的幅值和电网电压跌落前相同，频率及相位跟随当前电网电压的变化。同时网侧变流器GSC和暂态无功电流补偿单元TSTATCOM将根据电压跌落程度发出一定大小的无功电流，支持电网电压快速恢复。定子侧动态耗能单元DPC将根据主控下发的功率命令进行控制,仍跟踪给定主控系统下发的有功功率，使传动链不受任何冲击，传输的功率保持平稳变化，变桨系统不需要进行紧急收桨动作。当电网电压恢复时，双馈变流器检测到电网电压恢复到正常时，禁止定子侧动态耗能单元DPC。转子侧变流器RSC控制定子电压与当前电网的幅值、频率、相位一致后，合上快速并网开关GK，转子侧变流器RSC控制模式由定子电压控制模式切换为并网功率控制模式，风力发电机组的有功功率可以快速恢复到跌落前的正常水平。 

图2中的快速并网开关GK由双向交流开关DW、三相关断电路、触发控制电路等组成，其中强制关断电路均为三相独立关断电路，每相强制关断电路由电感、可控硅和电容组成，利用电容上的反向电压施加在导通的晶闸管上来实现强 制快速关断的目的。当电网电压跌落深度超过容许范围时，主控制器启动强制关断电路关断可控硅，关断时间大约为1ms，使双馈发电机与电网故障分离，避免了双馈发电机定子侧及转子侧的电磁暂态过程。转子侧变流器RSC从功率控制模式切换到定子电压控制模式，使其定子电压为电网正常工作时的电压，这一过程可以在1ms左右完成。 

图2中所述的定子侧动态耗能单元DPC在电网正常时将一直处于禁止模式，在电网电压故障期间，定子侧动态耗能单元DPC的控制将根据主控下发的功率给定值来进行。定子侧动态耗能单元DPC电路提供风力发电机组有功功率的释放通道，网侧变频器GSC以及暂态无功电流补偿单元TSTATCOM提供支持电网电压恢复所需要的无功功率。定子动态耗能单元DPC以保持双馈风力发电机组的有功功率平稳变化为控制目标。可以采用以下三种结构形式： 

定子侧动态耗能单元DPC的第一种结构如图3所示，它是以控制双向交流开关DW的通断来控制功率电阻R所吸收的功率；由控制器KZQ通过控制双向交流开关DW的导通角来实现功率电阻所消耗功率的动态变化。三相双向交流开关DW可以选择SCR、IGBT等可关断半导体器件构建后与A端口连接。这种结构还可以通过多组并联方式来实现机组输出有功功率的快速调节，主要调节方式为通过控制器KZQ通过启动（投入）定子侧动态耗能单元DPC中DPC基本单元支路的数量对吸收的功率进行粗调，通过改变DPC基本单元中控制双向交流开关DW的导通角或占空比对吸收的功率进行微调。当然也可以直接通过调节DPC基本单元中双向交流开关的导通角或占空比来实现对吸收功率的控制。 

在图4中第二种结构中是由A端口的交流经过不控整流后通过直流Chopper单元DBU来实现风机有功功率的消耗。直流Chopper单元DBU由IGBT与功率电阻R串联组成。直流Chopper单元DBU以PWM方式控制IGBT的开关，改变等效电阻的大小。当主控下发的有功功率给定变大时，PWM占空比增大，等效电阻变小，DBU电路吸收的功率增大；当主控下发的有功功率给定变小时，PWM占空比减小，等效电阻变大，DBU电路吸收的功率减小。因此故障期间通过控制DBU电路的占空比达到双馈风力发电机组有功功率的平衡。DBU单元的功率电阻R需要根据风机的功率和故障穿越的时间要求来选取。这种结构的定 子侧Crowbar的A端口通过阻容滤波电路滤除PWM变频器产生的开关谐波，使得输出电压的THD满足风力发电机工作的要求，由于不控整流桥在工作的过程中会产生谐波电流，从频谱上看，主要是5,7,11,13等奇次谐波，这些谐波会影响双馈变流器输出的电压质量，因此本实例中还可以加入滤波器LB来滤除。另外该结构的定子动态耗能单元DPC的公共直流母线端口还可以与网侧变流器GSC和机侧变流器RSC之间的公共直流母线相连接以防止直流母线电压过低。 

附图5中第三种结构是第一种和第二种结构的叠加，是前两种的混合形式，不再描述。 

上面所述的三种不同结构还可以实现并联应用。 

Claims (8)

1.一种具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，设有A端口、B端口、C端口，其特征在于，双馈变流器包括定子侧动态耗能单元DPC、网侧变流器GSC、机侧变流器RSC、直流卸荷单元DBU、并网快速开关GK、暂态无功电流补偿单元TSTATCOM、AD/DC整流开关EK、网侧滤波器LB和控制器KZQ；其中：

定子侧动态耗能单元DPC、AC/DC整流开关EK的一端以及并网快速开关GK的一端通过A端口直接与双馈发电机的定子连接；暂态无功电流补偿单元TSTATCOM的交流端由B端口与电网侧连接；网侧变流器GSC的交流侧经过滤波器LB通过B端口与电网连接，机侧变流器RSC的交流侧由C端口与双馈发电机的转子连接，网侧变流器GSC与机侧变流器RSC之间为公共直流母线，直流卸荷单元DBU位于公共直流母线上；并网快速开关GK 串接在A端口与B端口之间；AC/DC整流开关EK的交流端通过A端口与定子侧连接，直流端与公共直流母线连接；

所述的定子侧动态耗能单元DPC、网侧变流器GSC和机侧变流器RSC、直流卸荷单元DBU、并网快速开关GK、暂态无功电流补偿单元TSTATCOM、AC/DC整流开关EK的工作状态均受控于控制器KZQ。

2.根据权利要求1所述的具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，其特征在于，并网快速开关GK包括晶闸管或功率器件组合后的双向交流开关DW，配有快速关断电路，通过控制器KZQ进行电流检测和保护。

3.根据权利要求1所述的具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，其特征在于，所述的直流卸荷单元DBU由IGBT模块与功率电阻R组成，所述的直流卸荷单元DBU同时连接在网侧变流器GSC和机侧变流器RSC的直流母线正负极之间。

4.根据权利要求1所述的具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，其特征在于，所述暂态无功电流补偿单元TSTATCOM至少由两组相同的无功电流补偿基本单元并联组成，每个基本单元由全控器件组成的三相PWM逆变器与滤波电感组成。

5.根据权利要求1所述的具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，其特征在于，所述的AC/DC整流开关EK为三相整流桥，三相整流桥采用不控整流桥或半控整流桥或采用全控整流桥；

采用不控整流桥时，其直流输出将串联IGBT等类型的可关断器件，通过控制可 关断器件的通断来实现AC/DC整流开关的控制；

采用半控整流桥或全控整流桥时，直接通过桥臂上的功率器件的驱动脉冲来实现AC/DC整流开关的控制。

6.根据权利要求1所述的具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，其特征在于，所述的滤波器LB由电感、电容组成的∏型LCL滤波器或LC滤波器。

7.根据权利要求1~6之一所述的具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，其特征在于，定子侧动态耗能单元DPC采用三相双向可控硅或其他可控功率器件构成的双向交流开关DW与功率电阻R组成；或采用三相不控整流桥ZL与直流卸荷单元DBU组成；或采用上述两种结构的复合形式。

8.根据权利要求7所述的具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器，其特征在于，定子侧动态耗能单元DPC采用三相双向可控硅或其他可控功率器件构成的双向交流开关DW与功率电阻R组成；其中以一组三相双向可控硅或其他可控功率器件构成的双向交流开关DW与功率电阻R为一个DPC基本单元，定子侧动态耗能单元DPC中至少含有一个DPC基本单元，当存在两个以上DPC基本单元时，各DPC基本单元采用并联方式形成定子侧动态耗能单元DPC组。 

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