CN207021700U - 用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置、风机系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置、风机系统，该装置包括设置在被控风电机组端AC/DC变流器与电网侧DC/AC变流器之间的直流斩波模块，用于控制消耗被控风电机组在电网电压跌落时产生的不平衡能量，直流斩波模块设置有并联连接的储能电路以及耗能保护电路，耗能保护电路通过控制开关单元控制接入、断开，耗能保护电路还包括耗能控制单元以及具有两种以上不同耗能输出的可调耗能单元，通过耗能控制单元控制切换可调耗能单元的耗能输出；该风机系统包括风电机组以及上述装置。本实用新型能够提高风电机组的低电压穿越功能，且具有结构简单、所需成本低、低电压穿越控制效果好以及控制灵活等优点。

Description

用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置、风机系统
技术领域
本实用新型涉及永磁直驱风电机组技术领域，尤其涉及一种用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置。
背景技术
电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，需要将风电机组立即脱网以确保机组的安全。随着风电装机容量的不断扩大，风电机组与电网之间相互影响也日趋严重，而在电网运行规则中，要求在电网电压跌落的情况下，在一定的时间范围内使得风电机组必须继续保持并网运行的状态，即具有低电压穿越能力，以避免因风机大面积脱网而影响电网运行的稳定性。
为了控制永磁直驱风力发电机实现低电压穿越，目前主要采用以下几种控制方式：
(1)直接加装直流斩波器(DC-Chopper)来消耗低电压期间机组产生的不平衡能量，即在直流斩波器的直流侧加入储能元件，将由于电网电压跌落及变流器输出电流限制而不能被送出的能量进行存储，达到避免发电机超速和直流侧过电压的目的。
上述控制方式中，若电网电压跌落而不能被送出的能量过多时，就有可能超出储能元件的容量上限，因而受到储能元件容量限制，在电网电压跌落严重时无法有效实现低电压穿越控制；虽然通过在直流斩波器中设置一个耗能电阻可以进一步消耗一定能量，但耗能电阻仅能消耗固定大小的能量，无法实现耗能的调节，不能满足不同程度电压跌落时低电压穿越的需求，低电压穿越控制能力依然受限。
(2)通过控制网侧变流器发出更多的无功功率，对并网点低电压提供无功支撑，但该类控制方式实现低电压穿越的能力，不仅会受到变流器容量的限制，还会受到电压跌落程度等的限制。
(3)通过改变桨距角的方式来减少发电机组出力，待故障消除后再恢复机组的正常出力，但是从故障发生到消除时间极短，会使得桨距角控制器根本来不及动作。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种能够提高风电机组低电压穿越的能力，且结构简单、所需成本低、低电压穿越控制效果好以及控制灵活的用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置。
为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：
一种用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置，包括设置在被控风电机组端AC/DC变流器与电网侧DC/AC变流器之间的直流斩波模块，用于控制消耗被控风电机组在电网电压跌落时产生的不平衡能量，直流斩波模块设置有并联连接的用于存储能量的储能电路以及用于产生耗能的耗能保护电路，耗能保护电路通过控制开关单元控制接入、断开，所述耗能保护电路还包括耗能控制单元以及具有两种以上不同耗能输出的可调耗能单元，通过耗能控制单元控制切换所述可调耗能单元的耗能输出。
作为本实用新型的进一步改进：所述可调耗能单元具体由两个以上的耗能电阻电路相互并联构成，各所述耗能电阻电路分别对应不同耗能功率，通过所述耗能控制单元控制每次接入其中一个所述耗能电阻电路。
作为本实用新型的进一步改进：所述耗能电阻电路具体包括耗能电阻R，各所述耗能电阻R具有不同的阻值。
作为本实用新型的进一步改进：所述可调耗能单元具体为可调电阻电路，所述可调电阻电路通过所述耗能控制单元控制输出不同阻值。
作为本实用新型的进一步改进：所述耗能控制单元具体包括相互连接的判断电路以及控制命令产生电路，所述判断电路接收并网点电压，并判断接收到的并网点电压的大小，输出判断结果给所述控制命令产生电路，通过所述控制命令产生电路产生不同控制命令，输出给所述可调耗能单元。
作为本实用新型的进一步改进：当所述可调耗能单元具有两种不同耗能输出时，所述判断电路接收并网点电压，并判断是否小于预设阈值，当判断到是时，通过所述控制命令产生电路产生第一控制命令，控制所述可调耗能单元输出第一耗能大小；当判断到否时，通过所述控制命令产生电路产生第二控制命令，控制所述可调耗能单元输出第二耗能大小。
作为本实用新型的进一步改进：所述耗能保护电路还包括续流单元，所述续流单元与所述可调耗能单元并联连接；所述续流单元与所述可调耗能单元之间还设置有电抗器L。
作为本实用新型的进一步改进：所述控制开关单元包括开关控制器以及控制开关，所述开关控制器接收所述直流斩波模块两侧的电压值，控制所述控制开关的接通、断开。
作为本实用新型的进一步改进：所述开关控制器包括依次连接的减法器、PI控制器以及比较器，所述减法器分别接收参考电压值、所述直流斩波模块两侧的电压值，输出经过所述PI控制器的PI控制后，输出至所述比较器，通过所述比较器输出控制脉冲至所述控制开关。
本发明进一步提供一种风机系统，包括风电机组，所述风电机组连接有上述用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置，通过为被控风机机组设置直流斩波模块，直流斩波模块同时设置有储能电路、耗能保护电路，能够控制消耗被控风电机组在电网电压跌落时产生的不平衡能量，同时耗能保护电路通过设置具有不同耗能输出的可调耗能单元，通过耗能控制单元控制切换可调耗能单元的耗能输出，能够切换产生不同的耗能，使得可以根据电网电压的跌落状态灵活的切换不同的耗能输出，从而满足多种电压跌落程度的低电压穿越控制需求，有效提高永磁直驱风机的低电压穿越性能。
附图说明
图1是本实施例用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置的结构原理示意图。
图2是本实用新型具体实施例中可调耗能单元采用双电阻的结构示意图。
图3是本实用新型具体实施例中控制开关单元的结构示意图。
图4是本实用新型具体实施例中控制永磁直驱风机低电压穿越的装置的结构示意图。
图例说明：1、直流斩波模块；11、储能电路；12、耗能保护电路；121、控制开关单元；122、耗能控制单元；123、可调耗能单元。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。
如图1所示，本实施例用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置包括设置在被控风电机组端AC/DC变流器与电网侧DC/AC变流器之间的直流斩波模块1，用于控制消耗被控风电机组在电网电压跌落时产生的不平衡能量，直流斩波模块1设置有并联连接的用于存储能量的储能电路11以及用于产生耗能的耗能保护电路12，耗能保护电路12通过控制开关单元121控制接入、断开，耗能保护电路12还包括耗能控制单元122以及具有两种以上不同耗能输出的可调耗能单元123，可调耗能单元123通过耗能控制单元122与控制开关单元121连接，通过耗能控制单元122控制切换可调耗能单元123的耗能输出。
本实施例通过为被控风机机组设置直流斩波模块1，直流斩波模块1同时设置有储能电路11、耗能保护电路12，能够控制消耗被控风电机组在电网电压跌落时产生的不平衡能量，同时耗能保护电路12通过设置具有不同耗能输出的可调耗能单元123，通过耗能控制单元122控制切换可调耗能单元123的耗能输出，能够切换产生不同的耗能，使得可以根据电网电压的跌落状态，灵活的切换消耗网电压跌落的低电压期间被控风电机组所产生的不平衡能量，从而满足多种电压跌落程度的低电压穿越控制需求，有效提高永磁直驱风机的低电压穿越性能。
如图2所示，本实用新型具体实施例中控制开关单元121具体采用IGBT开关，储能电路11具体为储能电容C，可调耗能单元123、储能电容C相互并联设置于直流斩波模块1的直流侧，可调耗能单元123具体由两个耗能电阻电路相互并联构成，每个耗能电阻电路包括一个耗能电阻R，两个耗能电阻R(R1、R2)具有不同的阻值，则两个耗能电阻电路分别对应不同耗能大小，通过耗能控制单元122控制每次接入耗能电阻R1或耗能电阻R2以消耗不同大小的能量。
本实施例中，耗能控制单元122具体包括相互连接的判断电路以及控制命令产生电路，判断电路接收并网点电压，并判断接收到的并网点电压的大小，输出判断结果给控制命令产生电路，通过控制命令产生电路产生不同控制命令，输出给可调耗能单元123。通过设置多个耗能电阻电路，结合耗能控制单元122切换接入不同的耗能电阻电路，即可切换调节产生不同的耗能，从而可满足多种电压跌落程度的低电压穿越控制需求。
如图2所示，可调耗能单元123通过设置耗能电阻R1、R2具有两种不同耗能输出，耗能控制单元122工作时，通过判断电路接收并网点电压，并判断是否小于预设阈值，当判断到是时，通过控制命令产生电路产生第一控制命令，控制可调耗能单元123输出第一耗能大小；当判断到否时，通过控制命令产生电路产生第二控制命令，控制可调耗能单元123输出第二耗能大小。
如图2所示，本实施例具体设置两个耗能电阻满足R1>R2，以分别对应轻度和深度电压跌落所需要投切的电阻值，其中由耗能电阻R1对应电压跌落程度较轻的状态，由耗能电阻R2对应电压跌落程度较严重的状态，电压跌落程度由并网点电压的大小判定。工作时，判断电路接收到并网点电压后，判断并网点电压值Vg是否小于预设阈值(本实施例具体设定为0.5pu，pu代表采用标幺值计算，其基准值为并网点的额定电压，如果并网点电压值Vg<0.5pu，即对应当前电压跌落程度为深度跌落，控制接入耗能电阻R2；如果并网点电压值Vg>0.5pu，即对应当前电压跌落程度较轻，控制接入耗能电阻R1。
当然在其他实施例中，还可以根据实际需求设置三个以上的耗能电阻R，以对应三种以上电压跌落程度所需消耗的能量，各耗能电阻R分别对应不同的阻值，以分别对应不同耗能大小，当电网电压跌落时，耗能控制单元122控制每次接入其中一个耗能电阻电路的耗能电阻R，由电压跌落程度确定接入不同的耗能电阻R进行耗能。
可调耗能单元123还可以采用其他的可提供不同耗能输出的结构，如可调电阻电路，通过耗能控制单元122控制输出不同阻值。
本实施例中，耗能保护电路12还包括续流单元，续流单元与可调耗能单元123并联连接，续流单元与可调耗能单元123之间还设置有电抗器L。如图2所示，续流单元具体可采用续流二极管VD，续流二极管VD与可调耗能单元123之间设置有电抗器L。通过设置续流单元以及串联电抗器L，可以有效降低耗能保护电路12接入、断开时的冲击电流。
本实施例中，控制开关单元121包括开关控制器以及控制开关，开关控制器接收直流斩波模块1的直流侧电压值，控制控制开关的接通、断开。正常运行时，控制开关单元121控制断开耗能保护电路12；电压跌落发生之后，且直流侧电压Udc升高到超过预设限值Udc_max时，控制开关单元121控制接入耗能保护电路12以执行所需耗能。
如图3所示，本实用新型具体实施例中开关控制器包括依次连接的减法器、PI控制器以及比较器，减法器分别接收参考电压值Udc_max、直流斩波模块1的直流侧电压值Udc，输出经过PI控制器的PI控制后，输出至比较器，通过比较器输出控制脉冲至控制开关。控制开关具体采用IGBT开关电路，IGBT开关电路的输入端连接比较器的输出端，由于耗能保护电路12中设置有续流二极管VD以及串联电抗器L，可以降低IGBT开断时的冲击电流。
如图4所示，本实用新型具体实施例中控制开关单元121中比较器的输出两路，一路输出至IGBT开关电路，以控制IGBT开关的通断，另一路分别通过一个与门连接至耗能电阻R1、R2，每个与门的另一个输入端接收耗能控制单元122输出的控制指令；耗能控制单元122具体判断并网点电压值Vg是否小于预设阈值0.5pu，如果是，产生高电平信号输出给耗能电阻R2、以及产生低电平信号输出给耗能电阻R1，如果否，则产生高电平信号输出给耗能电阻R1、以及产生低电平信号输出给耗能电阻R2。
当正常运行时，直流斩波模块1以及耗能保护电路12退出运行；当电压发生跌落时，且直流侧电压Udc升高到超过指定限值Udc_max时，通过控制开关单元121产生控制脉冲发送给IGBT开关，控制耗能保护电路12投入运行；同时根据跌落电压的程度不同控制投切不同的耗能电阻，其中当跌落程度较轻时(Vg>0.5pu)，耗能控制单元122产生控制指令使得接入较大的耗能电阻R1消耗△P，实现低电压穿越，同时提升系统的稳定性；当跌落较为严重时(Vg<0.5pu)，耗能控制单元122产生控制指令使得选择阻值较小的耗能电阻R2，可以迅速消除电压跌落的影响，实现低电压穿越；当直流侧电压Udc降低至限制Udc_max以下时，通过控制开关单元121产生控制脉冲控制耗能保护电路12退出，待直流侧电压升高Udc至Udc_max以上再次控制投入耗能保护电路12运行，保持电容电压稳定在一定范围之内。
本实施例风机系统具体包括风电机组，风电机组连接有上述用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置，使得可以有效限制直流侧电压大小，使得风电机组在低电压期间具有低电压穿越功能，同时能够使得有功功率变化不明显，网侧无功功率较稳定，且故障切除后，能够快速恢复到正常运行水平，从而减少对电网的冲击。
上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置，包括设置在被控风电机组端AC/DC变流器与电网侧DC/AC变流器之间的直流斩波模块(1)，用于控制消耗被控风电机组在电网电压跌落时产生的不平衡能量，所述直流斩波模块(1)设置有并联连接的用于存储能量的储能电路(11)以及用于产生耗能的耗能保护电路(12)，所述耗能保护电路(12)通过控制开关单元(121)控制接入、断开，其特征在于：所述耗能保护电路(12)还包括耗能控制单元(122)以及具有两种以上不同耗能输出的可调耗能单元(123)，通过所述的耗能控制单元(122)控制切换所述可调耗能单元(123)的耗能输出。
2.根据权利要求1所述的用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置，其特征在于：所述可调耗能单元(123)具体由两个以上的耗能电阻电路相互并联构成，各所述耗能电阻电路分别对应不同的耗能功率，通过所述耗能控制单元(122)控制每次接入其中一个所述耗能电阻电路。
3.根据权利要求2所述的用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置，其特征在于：所述耗能电阻电路具体包括耗能电阻R，各所述耗能电阻R具有不同的阻值。
4.根据权利要求1所述的用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置，其特征在于：所述可调耗能单元(123)具体为可调电阻电路，所述可调电阻电路通过所述耗能控制单元(122)控制输出不同阻值。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置，其特征在于：所述耗能控制单元(122)具体包括相互连接的判断电路以及控制命令产生电路，所述判断电路接收并网点电压，并判断接收到的并网点电压的大小，输出判断结果给所述控制命令产生电路，通过所述控制命令产生电路产生不同控制命令，输出给所述可调耗能单元(123)。
6.根据权利要求5所述的用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置，其特征在于：当所述可调耗能单元(123)具有两种不同耗能输出时，所述判断电路接收并网点电压，并判断是否小于预设阈值，当判断到是时，通过所述控制命令产生电路产生第一控制命令，控制所述可调耗能单元(123)输出第一耗能大小；当判断到否时，通过所述控制命令产生电路产生第二控制命令，控制所述可调耗能单元(123)输出第二耗能大小。
7.根据权利要求1～4中任意一项所述的用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置，其特征在于：所述耗能保护电路(12)还包括续流单元，所述续流单元与所述可调耗能单元(123)并联连接；所述续流单元与所述可调耗能单元(123)之间还设置有电抗器L。
8.根据权利要求1～4中任意一项所述的用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置，其特征在于：所述控制开关单元(121)包括开关控制器以及控制开关，所述开关控制器接收所述直流斩波模块(1)的直流侧电压值，控制所述控制开关的接通、断开。
9.根据权利要求8所述的用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置，其特征在于：所述开关控制器包括依次连接的减法器、PI控制器以及比较器，所述减法器分别接收参考电压值、所述直流斩波模块(1)两侧的电压值，输出经过所述PI控制器的PI控制后，输出至所述比较器，通过所述比较器输出控制脉冲至所述控制开关。
10.一种风机系统，包括风电机组，其特征在于，所述风电机组连接有权利要求1～9中任意一项所述的用于控制永磁直驱风机低电压穿越的装置。
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