CN206076968U - 一种双馈风力发电系统低电压穿越综合控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双馈风力发电系统低电压穿越综合控制系统。包括：风力机、齿轮箱、双馈电机、转子侧变换器及网侧变换器，用于限制转子过电流的转子串联保护电路，用于维持直流母线电压稳定的超级电容器组，用于电网电压恢复的动态电压恢复器，用于检测转子电流、直流母线和电网电压的电压电流检测模块，以及低电压穿越控制模块；本实用新型不仅能够有效地抑制直流母线的过电压，还可以利用超级电容器组的储能向系统进行动态的无功支撑，并且保证故障期间转子侧变换器正常工作提高了电力系统的低压穿越能力。

Description

一种双馈风力发电系统低电压穿越综合控制系统

技术领域

本实用新型涉及新能源发电领域，特别是涉及一种双馈风力发电系统低电压穿越综合控制系统。

背景技术

我国及世界范围内多数风电场都处于比较偏僻的区域，电网较为薄弱，容易发生波动，当电网电压降落时，而根据磁链守恒定律定子磁链不会突变，其反电动势暂态与周期分量分别作用于转子产生电流暂态和周期分量，使得转子侧转子过电流和直流母线过电压，其幅值可以达到额定电流值的2-3倍。如果不能抑制转子侧过电流和直流母线过电压，转子侧励磁变换器就会失去对电磁转矩的控制，此时电网缺乏无功功率，如果无法及时地补充无功功率，严重时，风力机会退出电网运行。

显然，这种状态下风力发电机无法对电网提供稳定的电能，要解决上述问题，风力发电机组必须具备相应的低电压穿越能力，并可以为电网提供一定的无功功率。

目前大部分双馈风力发电机组采用转子侧串联Crowbar电路的方法，来抑制转子过电流，或者在直流母线侧加Chopper电路对于直流母线过电压进行抑制，转子侧串联Crowbar电路，当Crowbar电路投入运行时，转子侧变换器将退出运行，双馈电机将作为异步电动机运行，并从系统吸收大量无功，而且会产生大量热量，不利于电机的运行，而且作为对风力机组的终极保护，一旦被触发，就会使风电机组脱网。而且以上两种方式无疑都会造成能量的浪费。

发明内容

本实用新型发明的目的在于提供一种基于转子侧利用超导故障限流器和网侧动态电压补偿器、直流侧加入超级电容器组的双馈异步风力发电机低压穿越装置。在电网电压下降时，利用电压电流检测模块对转子侧电流和直流母线侧电压进行实时监测，通过转子侧的串联动态电阻器对于转子侧电流峰值进行限制，并将直流母线的过电压通过双向DC-DC变换器通入超级电容器组，以保持直流母线电压稳定，并将超级电容器组中储存的能量作为动态电压补偿器的输入，促使电网电压的快速恢复。

上述的目的通过以下的技术方案实现。

一种双馈风力发电系统低电压穿越综合控制系统组成包括风力机、齿轮箱、双馈电机DFIG、双PWM变换器，与低电压穿越控制模块相连接的超级电容器、电压电流检测模块，双PWM变换器包括与电机转子侧相连的PWM变换器，和网侧相连的PWM变换器，及与双PWM变换器并联的直流母线电容，串联在双馈电机DFIG转子和PWM变换器之间转子串联保护电路、超级电容器组与直流母线电容相并联，以及与超级电容器组相连的无功补偿模块，该无功补偿模块通过滤波电感与电网相连。其特征是：电压电流检测模块将信号传至低电压控制模块，该模块控制转子串联保护电路的投切、超级电容器组的充放电以及动态电压补偿器对于电网电压的精确补偿，使得双馈风力发电机能够快速有效地进行低电压穿越。

本实用新型所述的一种双馈风力发电系统低电压穿越综合控制系统采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果。

本实用新型中转子侧采用串联动态电阻器而不是串联Crowbar电路的方法，在故障阶段转子变换器因为Crowbar电路的接入，导致自身旁路，双馈风力发电机作为异步电动机运行在电网中要吸收大量无功，不利于电网电压的恢复，加重了对无功补偿的依赖，而当串联动态电阻器时，转子变换器不会被旁路，有利于加快低电压穿越的速度。

本实用新型中直流侧采用超级电容器组与直流母线并联，而不是传统的Chopper电路，在超级电容器组与直流母线之间加上双向DC-DC电路，不仅对直流母线电压的升降有更为有效地控制，并且有利于功率的充分利用，减少了资源的浪费。

本实用新型中利用了动态电压恢复器，将其与超级电容器组相连，充分利用了故障时的超级电容器组的储能，并且相比于网侧变换器作为STATCOM向电网进行无功补偿的方法，动态电压恢复器既能穿越电网的对称故障，有可以穿越不对称故障电压跌落，从而实现机组的全电压故障条件下不间断运行并网运行。

附图说明

附图1是一种双馈风力发电系统低电压穿越综合控制系统结构示意图。

附图2是转子串联保护电路图。

附图3是超级电容器组与直流母线连接电路图。

附图4是超级电容器组与动态电压补偿器连接电路图。

图例说明：1、风力机；2、齿轮箱；3、双馈电机；4、超级电容器组；5、电压电流检测模块；6、转子PWM变换器；7、网侧PWM变换器；8、直流母线电容；9、转子串联保护电路；10、动态电压恢复器模块；11、低电压穿越控制模块；12、逆变器；13、滤波器；14、注入变压器；15、旁路开关；

具体实施方式

以下结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

本实用新型为解决仅采用Crowbar电路时存在的实际问题，实现双馈风力发电机的低电压穿越问题，舍弃了传统中在转子端采用Crowbar电路在故障期间旁路转子侧变换器的方法，采用了在转子侧变换器与转子绕组之前串联动态电阻器的转子侧保护策略，并在网侧和直流母线侧增加了双向DC-DC转换电路、超期电容器组、动态电压补偿器、滤波装置，并将直流侧的超级电容器组和动态电压恢复器相结合，不但利用了多余的储存能量，还可以使得电网电压的恢复过程更加迅速有效。

如附图1所示，本实用新型设计了一种针对目前电网普遍存在的低电压穿越问题的综合控制装置。包括风力机、齿轮箱、双馈电机、背靠背式PWM变换器、超级电容器组、转子串联保护电路、动态电压补偿器、各级变压器组、滤波装置等硬件及电压电流检测模块、低电压穿越控制模块组成。双馈电机通过背靠背式PWM变换器串联至电网输入端；超级电容器组与直流母线相并联；转子串联保护电路串联在双馈电机转子与转子侧变换器之间；动态电压恢复器输入端与超级电容器组相连，输出端接至电网；其中，电压电流检测模块中的电流检测模块实时检测双馈风力发电机中的转子电流，发送至低电压控制模块，与预先设定的转子电流标准值进行比较，当检测电流大于转子标准电流时，低电压穿越控制模块向转子串联保护电路发出信号使该保护动作；电压电流检测模块中的电压检测模块实时检测直流母线电压及电网电压，发送至低电压控制模块，与预先设定的直流母线及电网电压标准值进行比较，当检测的直流母线电压高于标准值时，低电压控制模块向超级电容器组发出控制指令使直流母线电压值尽可能的维持在标准值，同时，当检测到电网电压低于标准电网电压时，通过对于其降幅的精确检测，计算得出需要补偿的电压幅值，低电压控制模块向动态电压恢复器发出指令，利用超级电容器组中存储的能量对电网电压进行动态恢复。

如附图2所示：

所述的双馈风力发电机低电压穿越控制方法包括如下步骤：

步骤1：实时检测双馈风力发电机转子电流，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准值对比，当转子实时电流大于标准值时，低电压穿越控制模块向转子串联保护电路发出信号，开关动作，动态电阻器串入电路。

同时实时检测直流母线电压值，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的标准值对比，当直流母线实时电压值大于标准值时，低电压穿越控制模块向超级电容器组发出信号，使得双向DC-DC电路导通，向超级电容器组充电。

步骤2：实时检测电网侧电压值，发送至低电压穿越控制模块，与预先设定的电网侧标准电压值相比较，当实时电压时小于预先设定的标准值时，通过相关计算，得出需要补偿的动态电压值，低电压穿越控制模块向动态电压恢复器发出指令，利用超级电容器组的储能对于电网电压进行精确补偿。同时向超级电容器组发出指令，使得超级电容器组向直流母线充电，防止直流母线电压跌落。

如附图3所示：为超级电容器组与直流母线并联电路，超级电容器组的快速的动态响应能力可以降低在短时故障情况下的暂态功率的波动范围，保证风电系统的暂态稳定性。电路包括双向DC-DC变换器、超级电容器组、滤波电感构成。该滤波电感应同时满足Buck/Boost电路的工作要求。当直流侧电压超过参考值时，变换器工作在 Buck 模式，对超级电容器进行充电，能量从直流侧流向超级电容器，从而减小直流侧电压。当直流侧电压低于参考值时，变换器工作在 Boost模式，超级电容器放电，能量从超级电容器流向直流侧，直流侧电压升高。

如附图4所示：为串联型动态电压恢复器，逆变器作为动态电压恢复器的核心组成，当电网电压降低时，逆变器能根据所确定出的补偿量驱动功率模块，将产生的电压叠加到电网上，保持电网侧电压稳定。

综上所述，当电网电压跌落时，低电压控制模块控制的转子串联保护电路、超级电容器组及动态电压恢复器模块相互之间协调工作，共同构成了从转子侧、直流侧及网侧的低电压穿越综合协调控制。通过转子串联保护电路对于电网发生故障期间转子过电流进行抑制，并且不会旁路转子侧变换器，故障期间的直流母线过电压则通过与之并联的超级电容器组吸收，并利用动态电压恢复器的优良特性对电网电压对称故障及不对称故障时电网电压跌落问题，进行迅速准确地电压恢复，使双馈风力发电系统可以始终与电网相连，实现了低电压穿越这一过程的控制。电压恢复过程中，利用了超级电容器组所储存的能量，减少了能量的浪费和器件的发热。

上面结合附图对本实用新型的实施方式进行做了详细说明，未详尽之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种双馈风力发电系统低电压穿越综合控制系统，其特征在于，包括：风力机（1）、齿轮箱（2）、双馈电机DFIG（3）、与低电压穿越控制模块相连接的超级电容器组（4）、电压电流检测模块（5），双PWM变换器包括与电机转子侧相连的PWM变换器（6）、和网侧相连的PWM变换器（7）、及与双PWM变换器并联的直流母线电容（8）、串联在双馈电机DFIG转子和转子侧变换器之间转子串联保护电路（9）、动态电压恢复器模块（10）、低电压穿越控制模块（11），超级电容器组（4）与直流母线电容（8）相并联，以及与超级电容器组（4）相连的动态电压恢复器模块（10），电压电流检测模块（5）分别与电网、转子串联保护电路（9）、低电压穿越控制模块（11）、超级电容器组（4）相连。

2.根据权利要求书1所述的一种双馈风力发电系统低电压穿越综合控制系统，其特征是：所述的转子串联保护电路为串联动态电阻器。

3.根据权利要求书1所述的一种双馈风力发电系统低电压穿越综合控制系统，其特征是：超级电容器组通过DC-DC双向变换器与直流母线电容相并联。

4.根据权利要求书1所述的一种双馈风力发电系统低电压穿越综合控制系统，其特征是：动态电压恢复器模块的输入端与超级电容器组相连，输出端接到电网上。