專利名稱：低電壓穿越智能功率控制單元及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低電壓穿越智能功率控制單元及其應(yīng)用，尤其是針對(duì)不具有低電 壓穿越功能的各類風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的低電壓穿越智能功率控制單元。即適用于改造現(xiàn)有的 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，也可適用于改進(jìn)含有變頻器的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)容量不斷增大，在發(fā)電容量中所占的比例也 不斷提高。當(dāng)電力系統(tǒng)中風(fēng)電裝機(jī)容量比例較大時(shí)，電力系統(tǒng)故障導(dǎo)致電壓跌落后，風(fēng)電 場(chǎng)切除會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。有研究表明，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有低電壓穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力時(shí)，能提高整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此世界上風(fēng)電裝 機(jī)比例較大的國家，如丹麥、德國、美國等頒布的風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)定中，都要求風(fēng)電機(jī)組都具備 LVRT能力，保證電力系統(tǒng)發(fā)生故障后風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。盡管各國對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的要求各不相同，但都包含如下幾個(gè)方面的 內(nèi)容，以我國頒布的風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定O1/GDW392-2009)為例，在風(fēng)電場(chǎng)接入 電力系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)定在明確要求a)風(fēng)電場(chǎng)必須具有在電壓跌至20%額定電壓時(shí)能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行625ms的低電 壓穿越能力；b)風(fēng)電場(chǎng)電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)必須保 持并網(wǎng)運(yùn)行；c)風(fēng)電場(chǎng)升壓變高壓側(cè)電壓不低于額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)必須不間斷并網(wǎng) 運(yùn)行。目前我國的風(fēng)電機(jī)組主要的類型有以下四種恒速恒頻異步發(fā)電機(jī)組、有限變速 異步發(fā)電機(jī)組、變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)組和變速恒頻直驅(qū)發(fā)電機(jī)組。其中恒速恒頻異步發(fā)電 機(jī)組和有限變速異步發(fā)電機(jī)組本身不具備LVRT能力；變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)組目前可以通 過在轉(zhuǎn)子側(cè)加入Crowbar來使其具備LVRT能力，不僅需要對(duì)主控制器和變槳控制器等設(shè)備 做較大改動(dòng)，而且控制比較復(fù)雜，在穿越過程中還需要從電網(wǎng)吸收無功功率；變速恒頻直驅(qū) 發(fā)電機(jī)組由于系統(tǒng)中采用了全功率變頻器，實(shí)現(xiàn)LVRT相對(duì)比較簡(jiǎn)單。目前我國風(fēng)電場(chǎng)中安裝的絕大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組都是恒速恒頻異步發(fā)電機(jī)組或者變 速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)組，而這些機(jī)組大多數(shù)都沒有低電壓穿越能力。因此對(duì)這些機(jī)組進(jìn)行改 造，使其具備低電壓穿越能力對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行中普遍存在的低電壓穿越能力 差，尤其是恒速恒頻異步發(fā)電機(jī)組或者變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)組低電壓穿越能力差的實(shí)際問 題，提供一種低電壓穿越智能功率控制單元及其應(yīng)用。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種低電壓穿越智能功率控制單元(IntelligentPower Control Unit for Low Voltage Ride Through，簡(jiǎn)稱 IPCU，下同)，其特征在于a) IP⑶設(shè)有A端口、B端口和C端口，控制單元中還設(shè)有穿越瞬間穩(wěn)定定子電壓及 提供無功功率的內(nèi)置輔助變頻器和吸收有功功率的可控有功負(fù)載；b)所述A端口與所述B端口之間設(shè)有高速開關(guān)；c)所述A端口與所述C端口之間設(shè)有內(nèi)置輔助變頻器，其中，內(nèi)置輔助變頻器的交 流母線與所述A端口連接，直流側(cè)與所述C端口連接；d)可控有功負(fù)載與內(nèi)置輔助變頻器的直流輸出端連接，使內(nèi)置輔助變頻器與可控 有功負(fù)載依次串接在A端口與C端口之間；或自A端口通過三相橋式整流與可控有功負(fù)載 連接，使內(nèi)置輔助變頻器支路與可控有功負(fù)載支路并聯(lián)。在本發(fā)明中所述的可控有功負(fù)載由制動(dòng)開關(guān)和制動(dòng)電阻組成，所述的制動(dòng)開關(guān) 為絕緣門極雙極性晶體管IGBT。在本發(fā)明中所述三相橋式整流電路交流側(cè)設(shè)有LC濾波電路。在本發(fā)明中所述的高速開關(guān)為門極可關(guān)斷晶閘管GT0，或者配有關(guān)斷電路的晶閘管。一種上述IP⑶的應(yīng)用，其特征在于所述的A端口與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定子繞組連接， 所述的B端口與電網(wǎng)連接，所述的C端口與外接輔助變頻器的直流母線連接。在IPCU的應(yīng)用中，所述的外接輔助變頻器為連接電網(wǎng)的輔助變頻器，或雙饋風(fēng)力 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器，或?qū)⑦B接電網(wǎng)的輔助變頻器和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的直流 母線對(duì)接后的組合。在IP⑶的應(yīng)用中所述C端口和外接輔助變頻器直流母線之間設(shè)有電容。在IP⑶的應(yīng)用中并網(wǎng)開關(guān)設(shè)在A端口側(cè)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定子繞組通過并網(wǎng)開關(guān) 與A端口連接。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于IP⑶適用于各種類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。采用IP⑶之后，風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)將具有以下優(yōu)點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將具有完美的低電壓穿越能力，包含零電壓跌落和電網(wǎng)跳閘等在內(nèi) 的故障均能可靠穿越；對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行無影響，主控制器和變槳控制器不需要做任何的改動(dòng)，應(yīng)用非常簡(jiǎn)單；故障結(jié)束后，風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行的速度快，故障后，風(fēng)機(jī)能夠在^之內(nèi)恢復(fù)到之 前的工作狀態(tài)，滿足電網(wǎng)對(duì)低電壓穿越的要求；對(duì)風(fēng)機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)無影響，大大避免電網(wǎng)故障對(duì)軸系產(chǎn)生的扭曲、振蕩等影 響，提高風(fēng)機(jī)的使用壽命；故障期間可以給電網(wǎng)提供有功和無功支持(可選功能)；成本低、可靠性高。IP⑶選用的元件價(jià)格比較低，因此采用IP⑶改造風(fēng)機(jī)的成本 也很低，同時(shí)雙向晶閘管等元器件也能夠滿足并網(wǎng)風(fēng)機(jī)高可靠性的要求。采用了 IP⑶后，由于在故障期間將電網(wǎng)和風(fēng)機(jī)隔離開來，避免因電網(wǎng)電壓突變?cè)?電機(jī)的定轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的一系列復(fù)雜的電磁和機(jī)電暫態(tài)過程，在保證可靠穿越的前提下，不 僅避免了傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，而且不需要修改主控制器和變槳控制器程序，大大簡(jiǎn)化了整個(gè) 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了低電壓穿越過程的可靠性。


圖1是本發(fā)明在涉及的一種IP⑶實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明在涉及的另一種IPCU實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是IP⑶的一種應(yīng)用方式；圖4是IP⑶與輔助網(wǎng)側(cè)變頻器匹配的應(yīng)用方式；圖5是IPCU與雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器匹配的應(yīng)用方式；圖6是IPCU、網(wǎng)側(cè)變頻器和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器匹配的應(yīng)用方 式。
具體實(shí)施例方式附圖非限制性地公開了本發(fā)明實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)和其幾種應(yīng)用，下面結(jié)合附圖對(duì) 本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。由圖1可見，IP⑶設(shè)有A端口、B端口和C端口，控制單元中還設(shè)有穿越瞬間穩(wěn)定 定子電壓及提供無功功率的內(nèi)置輔助變頻器AI和吸收有功功率的可控有功負(fù)載；所述A端 口與所述B端口之間設(shè)有高速開關(guān)GK ；所述A端口與所述C端口之間設(shè)有內(nèi)置輔助變頻器 AI，其中，內(nèi)置輔助變頻器AI的交流母線與所述A端口連接，直流側(cè)與所述C端口連接；在本實(shí)施例中，可控有功負(fù)載與內(nèi)置輔助變頻器AI的直流輸出端連接，使內(nèi)置輔 助變頻器AI與可控有功負(fù)載依次串接在A端口與C端口之間，所述的可控有功負(fù)載由制動(dòng) 開關(guān)Tk和制動(dòng)電阻觀組成。具體實(shí)施時(shí)，所述的高速開關(guān)GK為門極可關(guān)斷晶閘管GTO或者配有關(guān)斷電路的晶 閘管，制動(dòng)開關(guān)I選擇IGBT。由圖2可見，IP⑶的另一種實(shí)施方式與圖1公開的實(shí)施方式存在的唯一差別在于 自A端口通過三相橋式整流RF與可控有功負(fù)載連接，使穩(wěn)定定子電壓及提供無功功率的內(nèi) 置輔助變頻器AI支路與可控有功負(fù)載支路并聯(lián)。具體實(shí)施時(shí)，由于整流橋在工作的過程中會(huì)產(chǎn)生諧波電流，這些諧波會(huì)影響內(nèi)置 輔助變頻器輸出的電壓質(zhì)量，因此，可以在三相橋式整流電路RF交流側(cè)設(shè)有LC濾波電路 FL。在圖1和圖2所述的IP⑶中，高速開關(guān)GK(門極可關(guān)斷晶閘管GTO或者配有關(guān)斷 電路的晶閘管)的選擇應(yīng)該滿足關(guān)斷時(shí)間在Ims之內(nèi)，并與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電流匹配；制 動(dòng)開關(guān)Tk的選擇應(yīng)該滿足制動(dòng)電路允許的最大電壓和電流的要求；制動(dòng)電阻觀的選擇應(yīng) 該滿足釋放能量大于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出能量，內(nèi)置輔助變頻器AI的功率等級(jí)應(yīng)該與風(fēng)力 發(fā)電機(jī)匹配。圖3是IP⑶在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的一種應(yīng)用，所述的IP⑶即可以選擇圖1所示的實(shí) 施例，也可以采用實(shí)施例2所示的實(shí)施例，為了便于表述，僅以圖1所示實(shí)施例為例予以說明。在圖3中，IP⑶的A端口與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定子繞組連接，B端口與電網(wǎng)連接。使用中，當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，IP⑶中的門極可關(guān)斷晶閘管GTO或者配有關(guān)斷電路 的晶閘管導(dǎo)通，制動(dòng)開關(guān)IGBT截止，由于電網(wǎng)中的奇次諧波比較少，濾波器基本不起作用，IPCU整體等效為閉合的交流開關(guān)。內(nèi)置輔助變頻器工作在準(zhǔn)備模式，即控制其直流母線電 壓保持恒定、輸出的無功功率等于0。此時(shí)內(nèi)置輔助變頻器基本不消耗有功和無功功率，對(duì) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常工作沒有影響。電網(wǎng)電壓跌落的深度對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行有很大影響，當(dāng)?shù)渖疃炔淮髸r(shí)，電網(wǎng) 電壓跌落對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的影響比較小，此時(shí)靠風(fēng)機(jī)自身的能力就可以穿越過去。而深度很大時(shí)，可以根據(jù)風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)設(shè)定電壓跌落的容許范圍，該容許范圍一般 為電網(wǎng)額定電壓的90%。當(dāng)超過容許范圍時(shí)，IPCU強(qiáng)制關(guān)斷門極可關(guān)斷晶閘管GTO或者配 有關(guān)斷電路的晶閘管，關(guān)斷過程可以在Ims左右完成。門極可關(guān)斷晶閘管GTO或晶閘管截 止后，制動(dòng)開關(guān)IGBT導(dǎo)通，由制動(dòng)電阻提供了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率釋放通道，同時(shí)內(nèi)置 輔助逆變器穩(wěn)定了電機(jī)定子電壓并提供了風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行所需的無功功率，使風(fēng)力發(fā)電機(jī) 的能夠穩(wěn)定運(yùn)行。如果電網(wǎng)電壓能夠在低電壓穿越要求時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，門極可關(guān)斷晶閘管GTO或 晶閘管重新閉合，同時(shí)制動(dòng)開關(guān)IGBT截止，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)，恢復(fù)正常工作；如果 電網(wǎng)電壓不能夠在低電壓穿越要求的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，IPCU也將停止工作，使得風(fēng)力發(fā)電 機(jī)脫網(wǎng)并停機(jī)。圖4所示的應(yīng)用方式與圖3的區(qū)別在于，IPCU的C端口與外接輔助變頻器的直流 母線連接，在本實(shí)施例中，外接輔助變頻器為網(wǎng)側(cè)輔助變頻器，采用這種應(yīng)用方式的優(yōu)勢(shì)在 于穿越過程中，網(wǎng)側(cè)輔助變頻器可以和制動(dòng)電阻共同提供了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率釋放 通道，同時(shí)，網(wǎng)側(cè)輔助變頻器也可以在故障穿越期間為電網(wǎng)提供有功和無功功率支持。圖5所示的應(yīng)用方式與圖4的區(qū)別在于，外接輔助變頻器為風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)雙 饋?zhàn)冾l器，采用這種應(yīng)用方式的優(yōu)勢(shì)在于由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身就配有變頻器，這樣就 可以充分利用已有的部件，減少改造成本。在穿越過程中，雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器仍然保 持之前的控制策略，內(nèi)置輔助變頻器保持定子電壓穩(wěn)定并提供雙饋電機(jī)運(yùn)行所需的無功功 率。圖6所示的應(yīng)用方式實(shí)際上是圖4和圖5兩種應(yīng)用方式的結(jié)合，其結(jié)合點(diǎn)在于外 接輔助變頻器是將網(wǎng)側(cè)輔助變頻器和轉(zhuǎn)子側(cè)雙饋?zhàn)冾l器的直流母線對(duì)接后，在與IPCU的C 端口連接。在這種實(shí)施方式中，雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器仍然保持之前的控制策略，制動(dòng)電阻 和網(wǎng)側(cè)輔助變頻器共同提供了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率釋放通道，內(nèi)置輔助變頻器保持定子 電壓穩(wěn)定并提供雙饋電機(jī)運(yùn)行所需的無功功率。同時(shí)，網(wǎng)側(cè)輔助變頻器也可以在故障穿越 期間為電網(wǎng)提供有功和無功功率支持。
權(quán)利要求
1.一種低電壓穿越智能功率控制單元，其特征在于a)低電壓穿越智能功率控制單元設(shè)有A端口、B端口和C端口，控制單元中還設(shè)有穿越 瞬間穩(wěn)定定子電壓及提供無功功率的內(nèi)置輔助變頻器和吸收有功功率的可控有功負(fù)載；b)所述A端口與所述B端口之間設(shè)有高速開關(guān)；c)所述A端口與所述C端口之間設(shè)有內(nèi)置輔助變頻器，其中，內(nèi)置輔助變頻器的交流母 線與所述A端口連接，直流側(cè)與所述C端口連接；d)可控有功負(fù)載與內(nèi)置輔助變頻器的直流輸出端連接，使內(nèi)置輔助變頻器與可控有功 負(fù)載依次串接在A端口與C端口之間；或自A端口通過三相橋式整流與可控有功負(fù)載連接， 使內(nèi)置輔助變頻器支路與可控有功負(fù)載支路并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電壓穿越智能功率控制單元，其特征在于所述的可控有 功負(fù)載由制動(dòng)開關(guān)和制動(dòng)電阻組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低電壓穿越智能功率控制單元，其特征在于所述的制動(dòng)開 關(guān)為絕緣門極雙極性晶體管IGBT。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電壓穿越智能功率控制單元，其特征在于所述三相橋式 整流電路交流側(cè)設(shè)有LC旁路濾波電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4所述的低電壓穿越智能功率控制單元，其特征在于所述的高 速開關(guān)為門極可關(guān)斷晶閘管GT0，或者配有反向關(guān)斷電路的晶閘管。
6.一種如權(quán)利要求1 4之一所述的低電壓穿越智能功率控制單元的應(yīng)用，其特征在 于所述的A端口與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定子繞組連接，所述的B端口與電網(wǎng)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低電壓穿越智能功率控制單元的應(yīng)用，其特征在于所述的C 端口與外接輔助變頻器的直流母線連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低電壓穿越智能功率控制單元的應(yīng)用，其特征在于所述的 外接輔助變頻器為連接電網(wǎng)的輔助變頻器，或雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)雙饋?zhàn)冾l器，或?qū)⑦B 接電網(wǎng)的輔助變頻器和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)雙饋?zhàn)冾l器的直流母線對(duì)接后的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低電壓穿越智能功率控制單元的應(yīng)用，其特征在于所述C 端口的外接輔助變頻器直流母線之間設(shè)有電容。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的低電壓穿越智能功率控制單元的應(yīng)用，其特征在于風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組定子繞組通過并網(wǎng)開關(guān)與A端口連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及的低電壓穿越智能功率控制單元IPCU設(shè)有A端口、B端口和C端口，以及穿越瞬間穩(wěn)定定子電壓及提供無功功率的內(nèi)置輔助變頻器和吸收有功功率的可控有功負(fù)載；A、B端口之間設(shè)有高速開關(guān)；A、C端口之間設(shè)有內(nèi)置輔助變頻器；內(nèi)置輔助變頻器與可控有功負(fù)載依次串接在A、C端口之間或自A端口通過三相橋式整流與可控有功負(fù)載連接，使內(nèi)置輔助變頻器支路與可控有功負(fù)載支路并聯(lián)。應(yīng)用時(shí)，A端口與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定子繞組連接，B端口與電網(wǎng)連接，C端口與外接輔助變頻器的直流母線連接。
文檔編號(hào)H02J3/38GK102055207SQ201010590880
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者廖恩榮, 李志國, 李更生, 王中, 辛志遠(yuǎn), 黃曉輝 申請(qǐng)人:南京颶能電控自動(dòng)化設(shè)備制造有限公司