CN206497189U - 一种风力发电用高性能电压跌落发生器 - Google Patents

一种风力发电用高性能电压跌落发生器 Download PDF

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张国慨
张文娟
沈锐
江丽卿
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Abstract

本实用新型公开的一种风力发电用高性能电压跌落发生器，包括串联于风力发电机所用三相电网上的串联阻抗，并联于三相电网的变压器以及依次串联的并联阻抗、三相开关、第二短路开关，串联阻抗的两端并联有三相旁路开关，三相开关和第二短路开关之间的电路通过第一短路开关与三相电网相连，变压器通过一次侧三相开关与三相电网相连，变压器通过二次侧三相开关与三相开关和第二短路开关之间的电路相连，并联阻抗远离三相开关的一侧通过接地开关接地。本实用新型的一种风力发电用高性能电压跌落发生器采用三相阻抗串联分支以及抽头变压器与三相阻抗并联分支，并联分支阻抗可根据抽头变压器的调节而调节其上压降，有效解决了现有的阻抗型VSG模拟电网电压跌落等级不可调的问题。

Description

一种风力发电用高性能电压跌落发生器
技术领域
本实用新型属于风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电用高性能电压跌落发生器。
背景技术
近年来，随着变速恒频双馈风力发电装机容量的不断增加，现代电力规范要求并网风电机组在电网故障或扰动引起风电场并网点电压跌落时，风电机组仍具有一定时间的不间断并网运行能力，即具备低电压穿越(Low Voltage Ride Though，简称LVRT)能力。但是，实际风电现场中，电网故障的不可操作性及不可预测性，要求低电压穿越测试实验中有专门的电压跌落发生器(voltage sag generator，简称VSG)来模拟不同的电网故障。
据统计，电网发生故障时电压跌落的类型和比例为：三相对称故障占5％，单相故障占70％，两相对地故障占15％，相间故障占11％。因此，要求测试所用的电压跌落发生器能模拟各种各样的故障类型及故障持续时间。现有的电压跌落发生器中，拓扑结构可分为阻抗型、变压器型、电力电子变换器型。阻抗型VSG因其结构和控制简单而得到广泛应用，但其不足之处在于拓扑电路中串联和并联的阻抗是固定的，因此，模拟的电网电压跌落深度是不可调的。变压器型VSG因切换过程中开关器件的限制，使得模拟电压跌落的时间很难精确控制，随着功率等级的增大，变压器型VSG的重量和体积也快速增加，给运输和测试过程带来诸多不便。电力电子变换器型VSG采用IGBT、GTO和IGCT等开关器件，可灵活的控制电压跌落深度、跌落时间及相位，但控制过程复杂且控制成本较高，难以大规模大功率应用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种风力发电用高性能电压跌落发生器，解决了现有的阻抗型VSG模拟电网电压跌落深度不可调及变压器型VSG模拟电网电压跌落时间很难精确控制的问题。
本实用新型所采用的技术方案是：一种风力发电用高性能电压跌落发生器，包括串联于风力发电机所用三相电网上的串联阻抗，并联于三相电网的变压器以及依次串联的并联阻抗、三相开关、第二短路开关，串联阻抗的两端并联有三相旁路开关，三相开关和第二短路开关之间的电路通过第一短路开关与三相电网相连，变压器通过一次侧三相开关与三相电网相连，变压器通过二次侧三相开关与三相开关和第二短路开关之间的电路相连，并联阻抗远离三相开关的一侧通过接地开关接地。
本实用新型的特点还在于，
第二短路开关远离三相开关的一侧连接有单相开关。
三相电网上靠近风力发电机的一侧串联有三相控制开关。
变压器为抽头变压器。
本实用新型的有益效果是：本实用新型的一种风力发电用高性能电压跌落发生器解决了现有的阻抗型VSG模拟电网电压跌落深度不可调及变压器型VSG模拟电网电压跌落时间很难精确控制的问题。本实用新型的一种风力发电用高性能电压跌落发生器采用三相阻抗串联分支以及抽头变压器与三相阻抗并联分支，并联分支阻抗可根据抽头变压器的调节而调节其上压降，有效解决了现有的阻抗型VSG模拟电网电压跌落等级不可调的问题。
附图说明
图1是本实用新型的一种风力发电用高性能电压跌落发生器结构示意图；
图2是本实用新型的一种风力发电用高性能电压跌落发生器网络连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
本实用新型提供的一种风力发电用高性能电压跌落发生器包括三相旁路开关S1、串联分支的三相阻抗Z1、变压器T、连接到变压器T一次侧的一次侧三相开关S2、连接到变压器T二次侧的作为跌落发生开关的二次侧三相开关S3、三相开关S4、与三相开关S4分别串联的三相并联阻抗Z2以及接地开关S7；本实用新型的电压跌落发生器还包括与风力发电机主回路并联的第一短路开关S5和第二短路开关S6，当第一短路开关S5和第二短路开关S6均闭合时，用于实现100％的电网电压跌落；当三相旁路开关S1闭合，一次侧三相开关S2和第一短路开关S5断开时，电网直接向风力发电机供电；当要模拟电网电压跌落时，三相旁路开关S1断开，根据不同的电压跌落深度来选择一次侧三相开关S2、二次侧三相开关S3、第一短路开关S5和第二短路开关S6的闭合及通断状态。
本实用新型的一种风力发电用高性能电压跌落发生器结构如图1所示：包括三相电网U、V、W每相上串联的串联阻抗Z1，并且通过三相控制开关 S8与风力发电机相连，并联于三相电网的变压器T以及依次串联的并联阻抗 Z2、三相开关S4、第二短路开关S6，串联阻抗Z1的两端并联有三相旁路开关S1，三相开关S4和第二短路开关S6之间的电路通过第一短路开关S5与三相电网相连，变压器T通过一次侧三相开关S2与三相电网相连，变压器T 通过二次侧三相开关S3与三相开关S4和第二短路开关S6之间的电路相连，并联阻抗Z2远离三相开关S4的一侧通过接地开关S7接地，第二短路开关S6远离三相开关S4的一侧连接有单相开关S9。具体地，一次侧三相开关S2与串联阻抗Z1并联，S2的静触头与Z1连接，S2的动触头与抽头变压器T的一次侧连接，变压器T的二次侧与二次侧三相开关S3的静触头连接，二次侧三相开关S3的动触头分别与第一短路开关S5的动触头、三相开关S4的静触头、第二短路开关S6的动触头连接，三相开关S4分别与三相的并联阻抗Z2的一端连接，并联阻抗Z2的另一端接成星形与接地开关S7连接；第二短路开关S6的3个静触头接成星形与单相开关S9连接；第一短路开关S5的静触头分别与串联阻抗Z1的一端连接，动触头分别与二次侧三相开关S3的动触头连接。
优选的，变压器T为抽头变压器。
对本实用新型的电压跌落发生器进行设计时，应遵循以下两条设计规则：
(1)在电压跌落期间及跌落恢复后，双馈风力发电系统的电压必须保持在95％以上；
(2)测试点的短路容量必须大于5倍的风力机的额定容量。
根据图1绘制的电压跌落发生器与网络连接关系如图2所示。为了遵循规则1，串联阻抗Z1和并联阻抗Z2应满足下列表达式：
|Z1+Zc-T+Z2|≥|Zc-net+Zc-T1+Z1+Zc-T+Z2| (1)
式中，Z1为三相电网上串联分支的三相串联阻抗；Zc-T为三相电网并联分支的变压器T的短路阻抗；Z2为三相电网并联分支的三相并联阻抗；Zc-T1为配电变压器的短路阻抗；Zc-net为电网的短路阻抗。
其中，Zc-net可通过下式计算得到：
式中，Us为电网电压；SC为测试点的短路容量。
为了遵循规则2，测试点的短路容量SC和风力机的短路容量SDFIG应满足下列表达式：
SC≥5SDFIG (3)
本实用新型的电压跌落发生器中串联阻抗Z1和并联阻抗Z2应满足如下关系式：
另一方面，串联阻抗Z1和并联阻抗Z2可通过电压跌落深度来计算，设电网电压发生跌落后的剩余电压记为Udip，则有下列关系式：
若设计要求电压跌落后剩余电压为20％，则若要求电压跌落后剩余电压为0％，则图1中的第一短路开关S5和第二短路开关S6闭合，也就是说，模拟电网电压跌落过程中不投入一次侧三相开关S2、抽头变压器及二次侧三相开关S3，即，Zc-T+Z2＝0，式(5)的右边分子为0，满足式(5)表达关系。
本实用新型的工作过程为：当风电机组正常运行时，三相旁路开关S1闭合，一次侧三相开关S2和第一短路开关S5断开，电网直接向风力发电机供电；当要模拟电网电压跌落时，三相旁路开关S1断开，根据不同的电压跌落深度来选择一次侧三相开关S2、作为跌落发生开关的二次侧三相开关S3、三相开关S4、第一短路开关S5和第二短路开关S6的闭合及通断状态。若要求模拟电网电压跌落后的剩余电压为0，即实现100％跌落，则三相旁路开关S1断开，第一短路开关S5和第二短路开关S6闭合，通过控制第一短路开关S5和第二短路开关S6的闭合时间，可灵活控制电网电压跌落时间；若要求模拟电网电压跌落后的剩余电压在0和额定电压之间可调，则一次侧三相开关S2、二次侧三相开关S3、三相开关S4闭合，并联阻抗Z2通过三相开关 S4接于抽头变压器的二次侧，根据变压器的工作原理，调节抽头变压器绕组的匝数，即可改变并联阻抗Z2上的压降，使得模拟的电网电压跌落深度可调，通过控制一次侧三相开关S2、二次侧三相开关S3和三相开关S4的闭合时间，可灵活控制电网电压跌落时间。另外，本实用新型的三相开关S4和第二短路开关S6均可进行单相操作，可分别模拟单相故障、两相对地故障等。
通过以上方式，本实用新型由阻抗和抽头变压器组成的电压跌落发生器，因在阻抗并联分支增加了抽头变压器，并联阻抗上的电压降可根据抽头变压器的调节而调节，通过控制相应开关的闭合时间，可灵活控制电网电压跌落时间，有效解决了现有的阻抗型电压跌落发生器模拟电网电压跌落深度不可调及变压器型VSG模拟电网电压跌落时间很难精确控制的问题。

Claims (4)

1.一种风力发电用高性能电压跌落发生器，其特征在于，包括串联于风力发电机所用三相电网上的串联阻抗(Z1)，并联于所述三相电网的变压器(T)以及依次串联的并联阻抗(Z2)、三相开关(S4)、第二短路开关(S6)，所述串联阻抗(Z1)的两端并联有三相旁路开关(S1)，所述三相开关(S4)和第二短路开关(S6)之间的电路通过第一短路开关(S5)与所述三相电网相连，所述变压器(T)通过一次侧三相开关(S2)与所述三相电网相连，所述变压器(T)通过二次侧三相开关(S3)与所述三相开关(S4)和第二短路开关(S6)之间的电路相连，所述并联阻抗(Z2)远离所述三相开关(S4)的一侧通过接地开关(S7)接地。
2.如权利要求1所述的一种风力发电用高性能电压跌落发生器，其特征在于，所述第二短路开关(S6)远离所述三相开关(S4)的一侧连接有单相开关(S9)。
3.如权利要求1所述的一种风力发电用高性能电压跌落发生器，其特征在于，所述三相电网上靠近风力发电机的一侧串联有三相控制开关(S8)。
4.如权利要求1所述的一种风力发电用高性能电压跌落发生器，其特征在于，所述变压器(T)为抽头变压器。
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