專利名稱：雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，尤其是一種雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越 控制電路。
背景技術(shù)：
近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電在全球得到了迅速發(fā)展，隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響越來(lái)越大。當(dāng)電網(wǎng)電壓降低一定值時(shí)，若大量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組切斷 電網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)潮流的大幅變化甚至可能引起大面積的停電，因而傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自 動(dòng)脫網(wǎng)的方法已經(jīng)不再適合新的電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則。為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓瞬間跌落 時(shí)仍能保持并網(wǎng)，各國(guó)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障運(yùn)行指標(biāo)制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，雖然不同國(guó)家 制定的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，但基本都規(guī)定了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障期間不能隨意脫離電網(wǎng)， 而且還要向電網(wǎng)發(fā)送一定的無(wú)功功率以幫助電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行。典型的風(fēng)電場(chǎng)的低電壓運(yùn) 行特性曲線如圖5所示，這就要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具備低電壓穿越功能(LVRT)，即當(dāng)電網(wǎng)故 障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場(chǎng)公共接入點(diǎn)電壓跌落時(shí)，在一定的時(shí)間和電壓跌落范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組仍然能夠不脫離電網(wǎng)，并向電網(wǎng)發(fā)出一定的無(wú)功功率以支撐電網(wǎng)電壓，保持不間斷并 網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備的保護(hù)并維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。對(duì)雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，雙饋發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)直接相連接，這種特 殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使變頻器僅能對(duì)發(fā)電機(jī)實(shí)施部分的控制，并且發(fā)電機(jī)定子電壓方程又具有欠 阻尼特性，這樣在電網(wǎng)電壓瞬間跌落和恢復(fù)的過(guò)程中，必將在雙饋電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生較大的電 磁過(guò)渡過(guò)程，定子磁鏈不能迅速跟隨定子端電壓突變，從而會(huì)產(chǎn)生較大的暫態(tài)震蕩衰減分 量和直流分量，由于積分量的減小，定子磁鏈轉(zhuǎn)速幾乎不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn) 生較大的滑差，這樣便會(huì)引起轉(zhuǎn)子繞組的過(guò)壓、過(guò)流，同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)電流的迅速增加會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn) 子逆變器直流母線電壓升高，發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)功功率會(huì)產(chǎn)生振蕩。由于雙饋發(fā)電機(jī)組中變頻器的功率器件耐壓和過(guò)流能力有限，很難承受雙饋電機(jī) 在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的嚴(yán)重過(guò)渡過(guò)程。為了保護(hù)變頻器，同時(shí)滿足電力系統(tǒng)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)低 電壓穿越的要求，目前主要采用主動(dòng)式或有源撬棒保護(hù)電路(crowbar)，其基本電路結(jié)構(gòu)如 圖6所示，其在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上配置IGBT，GTO等可關(guān)斷器件控制的轉(zhuǎn)子短路保護(hù)電路，當(dāng)轉(zhuǎn) 子電流超過(guò)一定設(shè)定值時(shí)，撬棒保護(hù)電路投入工作，轉(zhuǎn)子逆變器退出運(yùn)行，為轉(zhuǎn)子側(cè)大電流 提供旁路，達(dá)到限制電流，保護(hù)變頻器的目的，這種保護(hù)電路基本可以實(shí)現(xiàn)雙饋發(fā)電機(jī)組的 LVRT運(yùn)行，但其存在以下問(wèn)題1.由于發(fā)電機(jī)定子仍與電網(wǎng)連接，一旦撬棒保護(hù)電路動(dòng)作， 雙饋發(fā)電機(jī)成為普通異步電動(dòng)機(jī)自由旋轉(zhuǎn)，將從電網(wǎng)吸收無(wú)功勵(lì)磁功率，不利于電網(wǎng)電壓 的恢復(fù)，根據(jù)發(fā)電機(jī)的無(wú)功_電壓特性，當(dāng)機(jī)端電壓下降超過(guò)一定范圍，發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收 的無(wú)功功率隨電壓降低而急劇增大，由于系統(tǒng)無(wú)功電源的無(wú)功特性隨電壓降低而減小，則 會(huì)出現(xiàn)因電網(wǎng)無(wú)功不足而使電網(wǎng)電壓進(jìn)一步下降，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致電壓崩潰；2.電網(wǎng)恢 復(fù)時(shí)的振蕩過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)更大的轉(zhuǎn)子電流，使撬棒保護(hù)電路重新工作，又從電網(wǎng)吸收大 量的無(wú)功功率而導(dǎo)致電網(wǎng)振蕩過(guò)程加劇，不利于電網(wǎng)的恢復(fù)，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)的進(jìn)一步惡化而造成停電；3.由于電網(wǎng)不同跌落情況下轉(zhuǎn)子過(guò)流程度差異很大，則撬棒保護(hù)電路中很難 選擇既能防止直流側(cè)過(guò)壓、又能有效抑制轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)電流的限流電阻。為了防止在電網(wǎng)電壓 跌落時(shí)和crowbar動(dòng)作期間能量在直流側(cè)積累造成直流側(cè)電壓升高而損壞直流側(cè)電容，可 以在在直流母線側(cè)安裝如圖7所示的過(guò)壓泄放電路，用來(lái)保持電壓的穩(wěn)定。綜上所述，雙饋 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越控制電路普遍存在控制方式復(fù)雜、可靠性差、成本高 等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 低電壓穿越控制電路，該低電壓穿越控制電路能夠保證雙饋發(fā)電機(jī)組低電壓穿越功能的實(shí) 現(xiàn)及電網(wǎng)安全穩(wěn)定，同時(shí)能夠迅速向電網(wǎng)發(fā)送無(wú)功功率，具有控制方式簡(jiǎn)單、可靠，成本低 廉的特點(diǎn)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越控制電路，包括電網(wǎng)、雙饋發(fā)電機(jī) 和雙饋?zhàn)冾l器，在電網(wǎng)和雙饋發(fā)電機(jī)的定子之間串聯(lián)第一三相交流開關(guān)，在雙饋發(fā)電機(jī)的 轉(zhuǎn)子和雙饋?zhàn)冾l器的轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器之間串聯(lián)第二三相交流開關(guān)，在雙饋?zhàn)冾l器的轉(zhuǎn)子側(cè)逆 變器和雙饋?zhàn)冾l器的網(wǎng)側(cè)逆變器之間串聯(lián)第三三相交流開關(guān)。而且，所述的第一、第二及第三三相交流開關(guān)為電流雙向電路結(jié)構(gòu)。而且，所述的第一、第二及第三三相交流開關(guān)采用的是電力電子開關(guān)器件。而且，所述的電力電子開關(guān)器件為IGBT或GTO電力電子開關(guān)器件。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是1.本低電壓穿越控制電路在原有雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)上增加了三 組三相交流開關(guān)，上述三相交流開關(guān)分別接在電網(wǎng)和雙饋發(fā)電機(jī)的定子之間，雙饋發(fā)電機(jī) 的轉(zhuǎn)子和雙饋?zhàn)冾l器的轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器之間，轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器和網(wǎng)側(cè)逆變器之間，通過(guò)三組三 相交流開關(guān)的組合動(dòng)作，控制電網(wǎng)電壓跌落過(guò)程中的雙饋發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)，并且能夠 向電網(wǎng)發(fā)送無(wú)功功率以支撐電網(wǎng)電壓，電網(wǎng)電壓正常后發(fā)電機(jī)組能快速自動(dòng)恢復(fù)到正常的 并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)。本控制電路不需要安裝撬棒保護(hù)電路和直流母線側(cè)的過(guò)壓泄放電路，避免 了消耗電網(wǎng)的無(wú)功資源以及發(fā)電機(jī)吸收電網(wǎng)無(wú)功功率導(dǎo)致電網(wǎng)電壓振蕩加劇的過(guò)程，并且 在電網(wǎng)故障和恢復(fù)過(guò)程中，將轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器切換到電網(wǎng)側(cè)，與網(wǎng)側(cè)逆變器并聯(lián)后向電網(wǎng)輸 送無(wú)功功率，本控制電路與單獨(dú)的采用網(wǎng)側(cè)逆變器相比，可以向電網(wǎng)輸送的2倍以上的無(wú) 功功率，能夠給電網(wǎng)電壓以更大的支撐，幫助電網(wǎng)電壓的建立和恢復(fù)。2.本低電壓穿越控制電路采用的三相交流開關(guān)由電力電子開關(guān)器件構(gòu)成，其開 關(guān)動(dòng)作速度快，能夠在電網(wǎng)發(fā)生故障的時(shí)刻迅速響應(yīng)，使發(fā)電機(jī)定子立即從電網(wǎng)中斷開，因 此，不會(huì)產(chǎn)生發(fā)電機(jī)的電磁振蕩過(guò)程，在開關(guān)動(dòng)作過(guò)程中也不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，同時(shí)，由于 減少了撬棒保護(hù)電路和直流母線側(cè)的過(guò)壓泄放電路，降低了控制電路的成本。3.本發(fā)明具有設(shè)計(jì)合理、控制電路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，保證了雙饋發(fā)電機(jī) 組低電壓穿越功能的實(shí)現(xiàn)及電網(wǎng)安全穩(wěn)定，降低了低電壓穿越控制電路的成本，可廣泛應(yīng) 用于在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。


圖1本發(fā)明實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的控制電路原理圖；圖2是第一種三相交流開關(guān)的其中一相電路圖；圖3是第二種三相交流開關(guān)的其中一相電路圖；圖4是雙饋發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越的工作流程圖；圖5是現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)的低電壓運(yùn)行特性曲線；圖6是現(xiàn)有的低電壓穿越方案中兩種主動(dòng)式撬棒保護(hù)電路電路圖；圖7是現(xiàn)有的低電壓穿越方案中采用的直流母線側(cè)的過(guò)壓泄放電路圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述。如圖1所示，雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由雙饋發(fā)電機(jī)1、雙饋?zhàn)冾l器的轉(zhuǎn)子 側(cè)逆變器5、雙饋?zhàn)冾l器的網(wǎng)側(cè)逆變器6，雙饋?zhàn)冾l器的直流母線電容組7，輪轂內(nèi)的變漿控 制裝置8等部件組成并與電網(wǎng)相連接。一種雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越控制 電路連接在雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)雙饋發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越功能，該 控制電路的具體連接關(guān)系為在電網(wǎng)和雙饋發(fā)電機(jī)的定子之間串聯(lián)第一三相交流開關(guān)2， 在雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和雙饋?zhàn)冾l器的轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器之間串聯(lián)第二三相交流開關(guān)3，在雙饋 變頻器的轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器和雙饋?zhàn)冾l器的網(wǎng)側(cè)逆變器之間串聯(lián)第三三相交流開關(guān)4。三相交 流開關(guān)采用電流雙向電路結(jié)構(gòu)，其中的每相結(jié)構(gòu)可以采用兩個(gè)電力電子開關(guān)器件反向并聯(lián) 或者串聯(lián)，如圖2、圖3所示，上述交流開關(guān)線路中的電流可以由a流向b，也可以由b流向 a，實(shí)現(xiàn)了電流的雙向可控。三相交流開關(guān)采用的是電力電子開關(guān)器件，電力電子開關(guān)器件 可以選擇GTO或IGBT等可控的電力電子器件，其具有開關(guān)動(dòng)作迅速的特點(diǎn)，如采用GTO器 件時(shí)，其可靠導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間小于2ms ；而IGBT的開關(guān)速度更快，這樣在開關(guān)動(dòng)作時(shí)間內(nèi)， 基本上不會(huì)產(chǎn)生電機(jī)的電磁振蕩過(guò)程。由于雙饋?zhàn)冾l器采用的電力電子器件在IOms內(nèi)允 許通過(guò)的電流也可以達(dá)到額定電流的10倍以上，因此完全可以省掉轉(zhuǎn)子側(cè)的撬棒保護(hù)電 路，另外，由于轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)斷開連接，轉(zhuǎn)子不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流通過(guò)轉(zhuǎn)子 側(cè)逆變器向直流母線電壓充電，直流母線處也就不需要增加額外的吸收電路。如圖4所示給出了雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越的工作流程圖。首 先，雙饋發(fā)電機(jī)組在工作過(guò)程中監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓，一旦發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流或者直 流母線電壓超過(guò)設(shè)定的上限值，立即啟動(dòng)低電壓穿越功能，觸發(fā)第一三相交流開關(guān)斷開，發(fā) 電機(jī)定子迅速?gòu)碾娋W(wǎng)脫開，使發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)故障期間不會(huì)吸收電網(wǎng)的無(wú)功功率。接著斷開 第二三相交流開關(guān)，同時(shí)合上第三三相交流開關(guān)，雙饋?zhàn)冾l器的轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器從轉(zhuǎn)子側(cè)斷 開，與雙饋?zhàn)冾l器的網(wǎng)側(cè)逆變器并聯(lián)連接到電網(wǎng)上，即雙饋?zhàn)冾l器的轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器從A處 連接到B處，與雙饋?zhàn)冾l器的網(wǎng)側(cè)逆變器一起最大限度地向電網(wǎng)發(fā)無(wú)功功率。其次，在這個(gè) 過(guò)程中要一直檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，如果轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)定閾值，則立即起動(dòng)緊急變漿距角控制系 統(tǒng)，以限制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的繼續(xù)上升，避免機(jī)組超速。同時(shí)需要一直檢測(cè)電網(wǎng)電壓是否恢復(fù)， 若恢復(fù)，迅速斷開第三三相交流開關(guān)，合上第二三相交流開關(guān)，雙饋?zhàn)冾l器的轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器 重新連接到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)，通過(guò)給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，使發(fā)電機(jī)定子和電網(wǎng)電壓達(dá)到同步，合上第 一三相交流開關(guān)，雙饋?zhàn)冾l器完成并網(wǎng)發(fā)電，雙饋發(fā)電機(jī)組恢復(fù)正常的有功功率和無(wú)功功率的控制，緊急變漿機(jī)構(gòu)也逐漸將漿距角控制到期望的位置，雙饋發(fā)電機(jī)組恢復(fù)工作狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，該方案能夠控制雙饋發(fā)電機(jī)組發(fā)出無(wú)功功率支持電網(wǎng)電壓， 能夠改善基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。槳距角控制能有效降低變 速雙饋發(fā)電機(jī)組機(jī)械轉(zhuǎn)矩，避免出現(xiàn)雙饋發(fā)電機(jī)組超速及電壓失穩(wěn)。該方案確保了雙饋發(fā) 電機(jī)組低電壓穿越功能的實(shí)現(xiàn)及電網(wǎng)安全穩(wěn)定。需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說(shuō)明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明并 不限于具體實(shí)施方式
中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出 的其他實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
一種雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越控制電路，包括電網(wǎng)、雙饋發(fā)電機(jī)和雙饋?zhàn)冾l器，其特征在于在電網(wǎng)和雙饋發(fā)電機(jī)的定子之間串聯(lián)第一三相交流開關(guān)，在雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和雙饋?zhàn)冾l器的轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器之間串聯(lián)第二三相交流開關(guān)，在雙饋?zhàn)冾l器的轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器和雙饋?zhàn)冾l器的網(wǎng)側(cè)逆變器之間串聯(lián)第三三相交流開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越控制電路，其特征 在于所述的第一、第二及第三三相交流開關(guān)為電流雙向電路結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越控制電路，其 特征在于所述的第一、第二及第三三相交流開關(guān)采用的是電力電子開關(guān)器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越控制電路，其特征 在于所述的電力電子開關(guān)器件為IGBT或GTO電力電子開關(guān)器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越控制電路，包括電網(wǎng)、雙饋發(fā)電機(jī)和雙饋?zhàn)冾l器，其主要技術(shù)特點(diǎn)是在電網(wǎng)和雙饋發(fā)電機(jī)的定子之間串聯(lián)第一三相交流開關(guān)，在雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和雙饋?zhàn)冾l器的轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器之間串聯(lián)第二三相交流開關(guān)，在雙饋?zhàn)冾l器的轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器和雙饋?zhàn)冾l器的網(wǎng)側(cè)逆變器之間串聯(lián)第三三相交流開關(guān)。本發(fā)明具有設(shè)計(jì)合理、控制電路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，保證了雙饋發(fā)電機(jī)組低電壓穿越功能的實(shí)現(xiàn)及電網(wǎng)安全穩(wěn)定，降低了低電壓穿越控制電路的成本，可廣泛應(yīng)用于在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H02J3/38GK101895126SQ20091006894
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者侯立軍, 周玲玲, 孟永慶, 張新強(qiáng) 申請(qǐng)人:天津瑞能電氣有限公司