專利名稱：用于實現(xiàn)風力發(fā)電機組低電壓穿越的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于實現(xiàn)風力發(fā)電機組低電壓穿越的裝置。
背景技術(shù)：
隨著風電機組單機容量的增大，風能正在成為電力系統(tǒng)廣泛應用的能 源之一。為了可靠地向電網(wǎng)供電，風電機組要嚴格滿足電網(wǎng)的接入要求。
特別是低電壓穿越(簡稱LVRT,下同)通常要求電網(wǎng)電壓趺落在預定范圍 內(nèi)的時候，風電機組不能與電網(wǎng)解列，并且風電機組在此過程中要能提供 無功以支持電網(wǎng)電壓恢復。
按照LVRT要求，如圖l示出了電壓波動與時間的關(guān)系曲線，在電網(wǎng)電 壓趺落到某一幅值時，風電機組能否跳機，以及與電網(wǎng)維持連接多長時間 方可跳機都有明確規(guī)定。
風力發(fā)電機組有多種結(jié)構(gòu)方式，最為常見的是雙饋式和直驅(qū)式風電機 組。如圖2所示，為雙饋式風力發(fā)電機組的電路結(jié)構(gòu)示意圖(以下說明以 此方式機組為例)，它包括槳葉PI，發(fā)電機GE,變槳系統(tǒng)PS(含變槳控 制器、變槳驅(qū)動電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng))，齒輪箱GB,變流器系統(tǒng)CS，風 機主控系統(tǒng)TS，變壓器TR,濾波器FL，低壓配電盤LVDP以及其它組件等。 風能作用于槳葉PI，槳葉PI旋轉(zhuǎn)通過齒輪箱GB升速，將能量傳遞到發(fā)電 機轉(zhuǎn)子。根據(jù)機電轉(zhuǎn)換原理，發(fā)電機定子側(cè)產(chǎn)生電能。圖2中GR為電網(wǎng)。
風機主控系統(tǒng)TS完成對機組整機的控制，它監(jiān)視風速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速, 驅(qū)動變槳系統(tǒng)PS控制槳距角，調(diào)節(jié)最優(yōu)的葉尖速比，保持合適的轉(zhuǎn)速運行， 并向變流器系統(tǒng)CS中的變流器控制器CC發(fā)出指令，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁、控制 機組與電網(wǎng)的同步連接。在一個實施例中，Wl主控系統(tǒng)TS釆用可編程邏 輯控制器(PLC)實現(xiàn)，也可以釆用其它控制器實現(xiàn)。此外，風機主控系統(tǒng)TS還與系統(tǒng)傳感器SE相連，系統(tǒng)傳感器SE提供各部分的實時運行狀態(tài)， 如轉(zhuǎn)子速率和發(fā)電機輸出電壓等，風機主控系統(tǒng)TS根據(jù)檢測的信息來判斷 并處理各種事故。
變流器系統(tǒng)CS (如圖3所示)包括轉(zhuǎn)子側(cè)變流器CR、網(wǎng)側(cè)變流器CG、 變流器控制器CC及Crowbar保護回路。其中，用于風力發(fā)電機組的背靠 背變流器CR&CG在本領(lǐng)域是已知的，并且多種結(jié)構(gòu)方式均可使用。轉(zhuǎn)子惻 變流器CR連接到發(fā)電機GE,網(wǎng)側(cè)變流器CG連接電網(wǎng)GR, Crowbar保護回 路與發(fā)電機轉(zhuǎn)子的輸出相連，變流器控制器CC與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器CR相連， 以接收指示轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流、電壓數(shù)據(jù)，并且變流器控制器CC與 Crowbar保護回路相連，根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)，啟動或停止Crowbar保護電 路，對發(fā)電機GE和變流器CR&CG進行分流，以確保電流、電壓在容許的范 圍內(nèi)。
變壓器TR是使風電機組輸出的電壓等級與本地電網(wǎng)電壓相匹配。
濾波器FL通常釆用"L-C-L"型結(jié)構(gòu)或者"L-C"型結(jié)構(gòu)。其中L表示 濾波電抗器、C表示濾波電容。根據(jù)不同類型機組的需要，濾波器可以放 置在發(fā)電機組轉(zhuǎn)子側(cè)也可以放置在機組定子側(cè)，以改善輸出電能的質(zhì)量。
正常運行時，由電網(wǎng)GR向變流器CR&CG、低壓配電盤LVDP及其他組 件供電。LVDP包含變壓器，主要作用是將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)化為風電機組使用的 各種等級的電壓，如120V、 230V、 400V等(根據(jù)需要也可以提供其它等級 電壓)，分別向以下各子系統(tǒng)供電，包括變槳系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、 風機主控系統(tǒng)，各種潤滑和冷卻系統(tǒng)，以及不間斷電源UPS、電力插座、 照明、加熱器和其他各種設(shè)備等。
若電網(wǎng)電壓發(fā)生波動，當電壓趺落到額定電壓的90%或90%以上值 時，由于電網(wǎng)電壓還可以繼續(xù)通過低壓配電盤LVDP向各子系統(tǒng)供電來維持
各相關(guān)控制組件的正常工作，仍然可以滿足與電網(wǎng)連接和同步的要求。但 是，當電壓降到額定電壓的90%以下或發(fā)生更為劇烈的電壓波動時，發(fā)電
機組無法向電網(wǎng)輸送電能，此時風電機組子系統(tǒng)也無法正常地從電網(wǎng)電壓獲得充足的電能，導致各子系統(tǒng)不能正常工作。為了在LVRT要求范圍內(nèi)維 持機組正常運行，或者在超出LVRT要求范圍時控制機組安全停機，需要利 用備用電源，在電網(wǎng)電壓趺落期間為機組子系統(tǒng)供電。
過去，電網(wǎng)出現(xiàn)比較輕微的故障，就允許風電機組跳閘退出運行。機 組一般釆用幾個獨立的電池組，作為子系統(tǒng)(特別是關(guān)鍵組件如變槳系統(tǒng)、 變流器系統(tǒng)、風機主控系統(tǒng)等)的備用電源。由于備用電源能量有限，僅 能保證關(guān)鍵的保護組件正常工作，使機組安棘機，而不能滿足LVRT要求。 以變槳系統(tǒng)為例，在電壓趺落期間，變槳系統(tǒng)從LVDP供電方式切換到由備 用電源供電的方式，控制槳距角使槳葉順槳，保護機組安全退出運行后， 斷開變槳系統(tǒng)與備用電源的連接。
目前，由于風電裝機容量不斷增大，對風電機組接入電網(wǎng)的要求也逐 步提高。機組實現(xiàn)低電壓穿越要求，要保證在電網(wǎng)電壓趺落在LVRT要求范 圍內(nèi)時，能夠維持機組的控制調(diào)節(jié)功能，保持與電網(wǎng)的連接和同步；在電 壓趺落超出LVRT要求范圍時，能夠確保機組安^#機。這就特別要求風電 機組必須具備充足的備用電源給各子系統(tǒng)特別是其中關(guān)鍵的部件供電。
如圖4所示，中國發(fā)明專利"具有低壓克服控制器的風輪機發(fā)電機和 控制風輪機組件的方法"，申請?zhí)?00480005070.0,圖中，LVDP為低壓 配電盤，UPS為不間斷電源，其他標號參見圖2，在電路中增加了不間斷電 源UPS作為備用電源，正常工作時，由低壓配電盤LVDP向UPS及其它關(guān)鍵 部件供電；當檢測到電壓趺落時，ML主控系統(tǒng)TS將低壓配電盤LVDP向 機組關(guān)鍵組件供電的方式轉(zhuǎn)換為由不間斷電源UPS供電的方式，同時停止 部分非關(guān)鍵組件，保證關(guān)鍵組件的正常運行。如圖5所示，為現(xiàn)有的實現(xiàn) 低電壓穿越的風力發(fā)電機組中子系統(tǒng)供電的原理框圖，圖中符號的含義同 圖4，圖中虛線部分表示在電網(wǎng)電壓趺落期間CC和CR&CG轉(zhuǎn)為由UPS供電。 但是，在電壓趺落時，若只是單一地釆用不間斷電源UPS供電，而沒有后 續(xù)電源的補充支撐，由于受到UPS自身供電能力的約束，未必能保證向所 有關(guān)鍵部件提供充足電能，也就無法確保在整個電壓趺落過程中控制機組安全運行。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供用于實現(xiàn) 風力發(fā)電機組低電壓穿越的裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所釆用的技術(shù)方案如下用于實現(xiàn)風力發(fā)電機 組低電壓穿越的裝置，其特征是組成包括能量儲存裝置電抗變壓器、能 量轉(zhuǎn)換裝置交直變換器及其保護器件、以及由風機主控系統(tǒng)控制的旁路開 關(guān)，其中，所述能量儲存裝置電抗變壓器的原邊分別與濾波器、網(wǎng)側(cè)變壓 器電連接，其副邊與所述的旁路開關(guān)、能量轉(zhuǎn)換裝置交直變換器、保護器 件并聯(lián)，能量轉(zhuǎn)換裝置交直變換器的電壓輸出端與不間斷電源的直流電壓 輸入端電連接。
本發(fā)明的有益效果如下在正常狀態(tài)下旁路開關(guān)閉合，能量儲存裝置 電抗變壓器的副邊被短路，此時能量儲存裝置電抗變壓器的原邊就等效于 一個濾波電抗器；電網(wǎng)電壓發(fā)生趺落時，濾波器中的電流將發(fā)生突變，風 機主控系統(tǒng)檢測到這個電壓趺落，控制變流器控制器相應地調(diào)整斷氏網(wǎng)側(cè) 變流器的電壓輸出，并向能量儲存裝置電抗變壓器副邊的旁路開關(guān)發(fā)出控 制信號，斷開開關(guān)，此時能量儲存裝置電抗變壓器中儲存的能量向能量轉(zhuǎn) 換裝置交直變換器轉(zhuǎn)移，同時能量轉(zhuǎn)換裝置交直變換器開始工作,向不間斷 電源供電補充電能，維持變槳系統(tǒng)等子系統(tǒng)關(guān)鍵部件的功能，避免由于自 身供電能力有限而導致無法滿足低電壓穿越要求；同時由于能量儲存裝置 電抗變壓器副邊向不間斷電源供電，其等效阻抗大大提高，使電流也得到 有效抑制。本發(fā)明所采用的技術(shù)適用于雙饋式和直驅(qū)式風電機組，可以實 現(xiàn)在劇烈的電壓波動期間保持機組與電網(wǎng)的同步，并且保護變流器和發(fā)電 機等避免高電壓、高電流的損壞。
圖l為風力發(fā)電機組電壓波動與時間的關(guān)系曲線。
圖2為現(xiàn)有的雙饋式風力發(fā)電機組的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為現(xiàn)有的雙饋式風力發(fā)電機組的變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為現(xiàn)有的釆用不間斷電源UPS提供電能的雙饋式風力發(fā)電機組的 結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為現(xiàn)有的實現(xiàn)低電壓穿越的風力發(fā)電機組中子系統(tǒng)供電的原理框圖。
圖6為本發(fā)明實施例1用于雙饋式風力發(fā)電機組的電路結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7為本發(fā)明實施例2用于直驅(qū)式風力發(fā)電機組的電路結(jié)構(gòu)示意圖。 圖8為含本發(fā)明裝置的風力發(fā)電機組實現(xiàn)低電壓穿越的工作流程圖。
具體實施例方式
下面參照附圖并結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。但是本發(fā)明 不限于所給出的例子。 例l:
如圖6所示，為本發(fā)明用于雙饋式風力發(fā)電機組的電路結(jié)構(gòu)示意圖， 圖中，PI為槳葉、GB為齒輪箱、GE為發(fā)電機、TR為網(wǎng)側(cè)變壓器、虛線框 CS為變流器系統(tǒng)、FL為濾波器、PS為變槳系統(tǒng)、TS為風機主控系統(tǒng)、UPS 為不間斷電源、LVDP為低壓配電盤，如圖虛線框EQ表示部分為本發(fā)明裝 置，其組成包括能量儲存裝置電抗變壓器TL、能量轉(zhuǎn)換裝置交直變換器 AC/DC及其保護器件R、以及由ML主控系統(tǒng)TS控制的旁路開關(guān)SC,其中， 所述能量儲存裝置電抗變壓器TL的原邊分別與濾波器FL、網(wǎng)側(cè)變壓器TR 電連接，其副邊與所述的旁路開關(guān)SC、能量轉(zhuǎn)換裝置交直變換器AC/DC、 保護器件R并聯(lián)，能量轉(zhuǎn)換裝置交直變換器AC/DC的電壓輸出端與不間斷 電源UPS的直流電壓輸入端電連接。
如圖6所示的實施例中，旁路開關(guān)SC為電子開關(guān)，保護器件R為一個 非線性電阻，它也可以釆用帶可控開關(guān)的耗能電阻。
圖6所示的實施例中，濾波器FL為"L-C"型濾波器，能量儲存裝置 電抗變壓器TL與濾波器FL及網(wǎng)側(cè)變壓器TR連接方式如圖6所示。當然, 濾波器FL也可以釆用"L-C-L，，型濾波器。在本實施例中，當機組正常工作時，旁路開關(guān)SC閉合，能量儲存裝置電抗變壓器TL的副邊被短路，此 時能量儲存裝置電抗變壓器TL的原邊就等效于一個濾波電抗器L,電路中 的"L-C"型濾波器就變成了 "L-C-L"型濾波器，同理，對于釆用"L-C-L" 型濾波器的電路來說，旁路開關(guān)SC閉合，"L-C-L"型濾波器就變?yōu)?"L-C-L-L"型濾波器。變流器系統(tǒng)CS包括轉(zhuǎn)子側(cè)變流器CR、網(wǎng)側(cè)變流 器CG、變流器控制器CC及Crowbar保護回路。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器CR連接到發(fā) 電機GE,網(wǎng)側(cè)變流器CG通過"L-C"濾波器、能量儲存裝置電抗變壓器TL 的原邊連接到網(wǎng)側(cè)變壓器TR,Crowbar保護回路與發(fā)電機轉(zhuǎn)子的輸出相連。 風機主控系統(tǒng)TS檢測到電壓趺落，控制變流器控制器CC相應地調(diào)整 降低網(wǎng)側(cè)變流器CG的電壓輸出，并向能量儲存裝置電抗變壓器TL副邊的 旁路開關(guān)SC發(fā)出控制信號，斷開開關(guān)(正常狀態(tài)下閉合)，本發(fā)明中的能量 轉(zhuǎn)換裝置交直變換器AC/DC開始工作，向不間斷電源UPS供電，維持如變
槳系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的功能，并且滿足下列要求當電壓趺落 在LVRT的要求范圍內(nèi)，維持機組的調(diào)槳能力，直到電網(wǎng)電壓恢復；當電壓 趺落超出LVRT的要求范圍時，使槳葉快速順槳，保護機組安全退出運行。 同時，變流器CR&CG (轉(zhuǎn)子側(cè)變流器CR、網(wǎng)側(cè)變流器CG)和變流器控制器 CC被轉(zhuǎn)換到不間斷電源UPS供電的方式，在電壓趺落期間，變流器控制器 CC還要根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)子電流，有選擇地啟動Crowbar保護回路(在正常 工作期間，保護回路是不工作的)，以保護機組和變流器系統(tǒng)CS。 Crowbar 保護回路在本領(lǐng)域中是已知的，各種形式的Crowbar回路都可以使用。
如圖8所示，為含本發(fā)明裝置的風力發(fā)電機組實現(xiàn)低電壓穿越的工作 流程圖。
本發(fā)明在雙饋式風電機組中的原理及應用說明，對于直驅(qū)式風電機組 中也同樣適用，兩者只是在構(gòu)成方式上有所區(qū)別，但對于本發(fā)明所使用的 裝置及原理方法具有通用性。
例2:
如圖7所示，本發(fā)明用于直驅(qū)式風力發(fā)電機組的電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的標號參見例1，發(fā)電機定子側(cè)通過變流器系統(tǒng)CS (包括電機側(cè)整流器
RE、電網(wǎng)側(cè)逆變器IN及能量存儲或保護裝置ESS)連接到電網(wǎng)，其中，ESS 的工作原理和控制方式類似雙饋式機組中的Crowbar電路，其余裝置在本 發(fā)明中的控制和應用與上述雙饋式風電機組相同。ML主控系統(tǒng)TS檢測到 電壓趺落，向能量儲存裝置電抗變壓器TL副邊的旁路開關(guān)SC發(fā)出控制信 號，斷開開關(guān)，通過能量轉(zhuǎn)換裝置交直變換器AC/DC向不間斷電源UPS供 電，為UPS補充電能，確保所有關(guān)鍵部件正常工作，實現(xiàn)低電壓穿越。
權(quán)利要求
1、用于實現(xiàn)風力發(fā)電機組低電壓穿越的裝置，其特征是組成包括能量儲存裝置電抗變壓器、能量轉(zhuǎn)換裝置交直變換器及其保護器件、以及由風機主控系統(tǒng)控制的旁路開關(guān)，其中，所述能量儲存裝置電抗變壓器的原邊分別與濾波器、網(wǎng)側(cè)變壓器電連接，其副邊與所述的旁路開關(guān)、能量轉(zhuǎn)換裝置交直變換器、保護器件并聯(lián)，能量轉(zhuǎn)換裝置交直變換器的電壓輸出端與不間斷電源的直流電壓輸入端電連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實現(xiàn)風力發(fā)電機組低電壓穿越的裝置， 其特征是所述的旁路開關(guān)為電子開關(guān)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于實現(xiàn)風力發(fā)電機組低電壓穿越的裝 置，其特征是所述的保護器件為非線性電阻。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于實現(xiàn)風力發(fā)電機組低電壓穿越的裝置，其特征是所述的保護器件為帶可控開關(guān)的耗能電阻。
全文摘要
用于實現(xiàn)風力發(fā)電機組低電壓穿越的裝置，其組成包括能量儲存裝置電抗變壓器、能量轉(zhuǎn)換裝置交直變換器及其保護器件、以及由風機主控系統(tǒng)控制的旁路開關(guān)，電抗變壓器的原邊分別與濾波器、網(wǎng)側(cè)變壓器電連接，其副邊與旁路開關(guān)、交直變換器、保護器件并聯(lián)，交直變換器的電壓輸出端與不間斷電源的直流電壓輸入電端連接。電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，旁路開關(guān)斷開，電抗變壓器中儲存的能量通過交直變換器提供給不間斷電源，確保不間斷電源具有充足的電能向所有子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件供電，實現(xiàn)低電壓穿越；同時由于電抗變壓器副邊通過交直變換器向不間斷電源供電，其等效阻抗大大提高，使電流也得到有效抑制。
文檔編號H02P9/04GK101299540SQ200710021839
公開日2008年11月5日 申請日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
發(fā)明者曾繼倫, 偉 王, 彤 王 申請人:國網(wǎng)南京自動化研究院;南京南瑞集團公司