專利名稱：雙饋型風電變流器低電壓穿越拓撲結構及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于風力發(fā)電領域，尤其是一種雙饋型風力發(fā)電機低電壓穿越的變流器拓 撲結構及其控制方法。
背景技術：
雙饋型風力發(fā)電機是目前兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機的主流機型，隨著風電電網(wǎng) 穿透率的提高，風力發(fā)電機的低電壓穿越(LVRT)功能是當前風力發(fā)電機的必備功能。如德 國E. ON Netz電網(wǎng)公司在2006年頒布的并網(wǎng)導則(Grid code for high and extra high voltage)，國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準O1/GDW392-2009)等都對風力發(fā)電機的LVRT功能提出了 具體要求。因雙饋型風力發(fā)電機中雙饋電機的特殊驅動拓撲結構，使其背靠背驅動變流器 難以滿足LVRT時的電流容量需求，這也使得LVRT問題成為雙饋型風力發(fā)電機的技術瓶頸 問題。LVRT所帶來的挑戰(zhàn)性及其解決的迫切性，使得雙饋型風電變流器的LVRT問題 成為當前研究的熱點問題。附加硬件的LVRT變流器拓撲變化主要有轉子回路附件硬件 和定子回路附加硬件兩類轉子回路附加硬件主要有配置撬棒(Crowbar)電路方案(蔣 雪冬，趙舫.應對電網(wǎng)電壓驟降的雙饋感應風力發(fā)電機Crowbar控制策略[J]電網(wǎng)技術， 2008,32(12) :84-89;周維來，孫敬華，張哲等.一種雙饋風電變流器Crowbar保護裝置 [P], 200910072960)，以及2009年3月發(fā)表在電力系統(tǒng)會議與展覽上的串聯(lián)阻抗網(wǎng)絡方 案(ffenzhong Gao, Ge Wang, Jiaxin Ning Development of low voltage ride-through control strategy for wind power generation using real time digital simulator[C] Proceedings ofIEEEPSCE, Seattle, USA, Mar. 15-18，2009 1-6)等；而定子回路附加 硬件主要有2005年11月發(fā)表在歐洲電力電子與應用會議上的串聯(lián)電力電子開關方案 (Andreas Dittrich， Alexander StoevComparison of fault ride-through strategies for wind turbines with DFIM generators[C]Proceedings ofEuropeanConference on Power Electronics and Applications， Dresden， Germany, Nov 11-14，2005 :1-8.),發(fā) 表在電氣與電子工程師協(xié)會工業(yè)應用期刊第45卷第5期上的串聯(lián)變流器方案(Patrick S.Flannery, and Giri Venkataramanan. Unbalanced voltage sag ride-through of a doubly fed induction generator wind turbine with series grid-side converter[J]. IEEE Transactionson Industry Applications，2009，45 (5) :1879-1887)以及發(fā)表在電氣 與電子工程師協(xié)會能量轉換期刊第25卷第4期上的增設無源阻抗網(wǎng)絡方案(Ximgwu Ym， Giri Venkataramanan, Patrick S. Flannery, Yang Wang, et al. Voltage-sag tolerance of DFIG wind turbine with a series grid side passive-impedance network[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion,2010,25(4) :1048-1056.)等。配置Crowbar電路的轉子回路附加硬件解決方案是當前研究較多的一種LVRT拓 撲方案。其中，被動式撬棒(Passive Crowbar)是較早用于風電變流器在電網(wǎng)故障時自我 保護的硬件設備，但這種自我保護方式無法實現(xiàn)LVRT。隨著風電并網(wǎng)要求的提高，使得定子脫網(wǎng)不能接受，采用IGBT等全控器件構成的主動式撬棒(Active Crowbar)成為近年研 究LVRT的技術方案之一。但撬棒的高耐沖擊電流需求使得IGBT等全控器件的設計困難、 成本較高，而且撬棒動作期間，因DFIG處于不控狀態(tài)而引發(fā)的無功功率問題、電磁轉矩沖 擊問題等使其難以滿足日趨苛刻的風電并網(wǎng)導則。如德國電網(wǎng)公司E. ON Netz規(guī)定在電網(wǎng) 電壓變化超過士 10%時，風電機組必須提供電壓控制，并要求電壓每跌落風電機組的 無功電流要增加2%，且必要時應能提供100%額定電流的無功功率輸出。為克服配置撬棒電路方案存在的不足，近年來其它更為復雜的附加硬件方案的研 究日益活躍。如轉子回路串電阻或阻感網(wǎng)絡的轉子回路附加硬件方案，力圖在電網(wǎng)故障時 限制轉子電流進而抑制撬棒動作，但附設硬件的快速投入控制問題、參數(shù)設計問題等限制 了其應用；定子回路附加串聯(lián)電力電子開關的定子回路附加硬件方案，力圖在電網(wǎng)故障時 短暫脫網(wǎng)以克服無功功率吸收和電磁轉矩沖擊問題，但快速電力電子開關的設計問題及其 對穩(wěn)態(tài)運行效率的影響同樣限制了其應用；串聯(lián)變流器或附加無源阻抗網(wǎng)絡的定子回路附 加硬件方案，理論上具有較好的LVRT潛力，但其所需附加硬件過多、成本較高、設計較為困 難?？v觀這些附加硬件的解決方案，雖然能克服撬棒電路存在的不足，但所附加的硬件越來 越復雜，且成本影響越來越大。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足，提供一種成本低、結構簡單、可靠性 高的雙饋型風電變流器低電壓穿越的拓撲結構及其控制方法，以期提高雙饋型風電變流器 的低電壓穿越性能。本發(fā)明解決技術問題采用如下技術方案本發(fā)明雙饋型風電變流器低電壓穿越的拓撲結構，是采用由轉子側變流器、中間 直流環(huán)節(jié)，以及用于穩(wěn)定中間直流環(huán)節(jié)電壓的網(wǎng)側變流器構成的電壓源背靠背變流器結 構，其結構特點是在所述轉子側變流器中設置一三角形結構，所述三角形結構中每個支路 是由雙向可控硅SCR和電阻串聯(lián)連接，所述三角形結構中的三個頂點分別與轉子側變流器 的三個交流輸出點相連接。本發(fā)明雙饋型風電變流器低電壓穿越的拓撲結構的特點也在于所述三角形結構中電阻的阻值為零或不為零。所述三角形結構包括具有等效電氣性能的其它電路結構。本發(fā)明雙饋型風電變流器低電壓穿越拓撲結構控制方法的特點是具有如下兩種 工作模式主動式撬棒模式觸發(fā)三角形結構中三條支路雙向可控硅導通，從而將雙饋電機 轉子繞組通過三角形結構構成回路，以旁路雙饋電機轉子的暫態(tài)電流，待暫態(tài)電流衰減后， 通過轉子側變流器M中相應橋臂上的開關管動作，禁止已觸發(fā)導通的雙向可控硅，進而以 半控器件雙向可控硅實現(xiàn)了常規(guī)以全控器件才能實現(xiàn)的主動式撬棒電路功能；協(xié)同動作模式任何時刻僅有三角形結構中的一條支路的可控硅處于導通狀態(tài)， 且導通支路為連接于雙饋電機轉子三相繞組中最大電流對應相與最小電流對應相之間的 支路，而其它支路的可控硅皆處于禁止狀態(tài)，隨著雙饋電機轉子三相電流大小關系的變化， 通過控制轉子側變流器M中相應開關管的動作關斷當前處于導通狀態(tài)的可控硅，同時觸發(fā)導通與當前雙饋電機轉子繞組中最大電流相與最小電流相相對應支路的可控硅。本發(fā)明通過在雙饋電機轉子側變流器附加由可控硅構成的三角形結構，一方面可 利用轉子側變流器開關動作對三角形結構可控硅的強迫換流實施低成本、高可靠的主動式 撬棒功能，另一方面可通過三角形結構中可控硅與轉子側變流器橋臂開關的協(xié)同動作起到 等效增加轉子側變流器電流控制能力的功能。與已有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn) 在1、本發(fā)明采用低成本、高可靠性的半控型電力電子器件可控硅SCR實現(xiàn)了主動式 撬棒(Active Crowbar)的功能；2、本發(fā)明通過三角型結構中的可控硅與雙饋電機轉子側變流器橋臂協(xié)同動作，能 夠等效增加轉子側變流器的電流承載力，從而改善低電壓穿越性能；3、本發(fā)明拓撲結構成本低、可靠性高、結構簡單，可廣泛應用于雙饋型風力發(fā)電機 的低電壓穿越中。
圖1為本發(fā)明結構示意圖；圖2為本發(fā)明中雙饋電機轉子三相電流波形示意圖。
具體實施例方式參見圖1，本實施例中雙饋型風電變流器低電壓穿越的拓撲結構是采用由轉子側 變流器M、中間直流環(huán)節(jié)，以及用于穩(wěn)定中間直流環(huán)節(jié)電壓的網(wǎng)側變流器N構成的電壓源背 靠背變流器結構，在轉子側變流器M中設置一三角形結構，三角形結構中每個支路是由雙 向可控硅SCR和電阻串聯(lián)連接，三角形結構中的三個頂點分別與轉子側變流器M的三個交 流輸出點相連接。具體實施中，三角形結構中電阻的阻值為零或不為零，三角形結構也包括具有等 效電氣性能的其它電路結構。本實施例中的雙饋型風電變流器低電壓穿越拓撲結構的控制方法具有如下兩種 工作模式主動式撬棒模式觸發(fā)三角形結構中三條支路雙向可控硅導通，從而將雙饋電機 轉子繞組通過三角形結構構成回路，以旁路雙饋電機轉子的暫態(tài)電流，待暫態(tài)電流衰減后， 通過轉子側變流器M中相應橋臂上的開關管動作，禁止已觸發(fā)導通的雙向可控硅，進而以 半控器件雙向可控硅實現(xiàn)了常規(guī)以全控器件才能實現(xiàn)的主動式撬棒電路功能。例如需要禁止圖1中連接A相與B相間的三角形結構支路，且當前該支路中的電 流方向為圖1中F所示的方向，依據(jù)可控硅的關斷機理，通過開通轉子側變流器M中的開關 S3和S4便可強迫該支路中可控硅SCRl關斷，而若此時電流方向為圖1中F相反的方向，則 通過開通轉子側變流器M中的開關Sl和S6便可強迫該支路中可控硅SCRl關斷。協(xié)同動作模式任何時刻僅有三角形結構中的一條支路的可控硅處于導通狀態(tài)， 且導通支路為連接于雙饋電機轉子三相繞組中最大電流對應相與最小電流對應相之間的 支路，而其它支路的可控硅皆處于禁止狀態(tài)，隨著雙饋電機轉子三相電流大小關系的變化， 通過控制轉子側變流器M中相應開關管的動作關斷當前處于導通狀態(tài)的可控硅，同時觸發(fā)導通與當前雙饋電機轉子繞組中最大電流相與最小電流相相對應支路的可控硅。
以圖2中tl至t3時間段舉例說明在tl至t2時間段內(nèi)B相電流iB最大，而C 相電流iC最小，此時觸發(fā)連接于B相和C相間的可控硅SCR2導通，而可控硅SCRl和SCR3 則保持禁止狀態(tài)，到t2時刻，A相電流iA成為最小電流，此時通過開通轉子側變流器M中 的橋臂開關S5和S6將B相與C相間已觸發(fā)導通的可控硅SCR2關斷，并給B相與A相間的 可控硅SCRl以有效觸發(fā)信號使其導通，在t3時刻通過轉子變流器M中的橋臂開關Sl和S6 的開通使其關斷。
權利要求
1.一種雙饋型風電變流器低電壓穿越的拓撲結構，采用由轉子側變流器(M)、中間直 流環(huán)節(jié)，以及用于穩(wěn)定中間直流環(huán)節(jié)電壓的網(wǎng)側變流器(N)構成的電壓源背靠背變流器結 構，其特征是在所述轉子側變流器(M)中設置一三角形結構，所述三角形結構中每個支路 是由雙向可控硅SCR和電阻串聯(lián)連接，所述三角形結構中的三個頂點分別與轉子側變流器 (M)的三個交流輸出點相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙饋型風電變流器低電壓穿越的拓撲結構，其特征是所述三 角形結構中電阻的阻值為零或不為零。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的雙饋型風電變流器低電壓穿越的拓撲結構，其特征是所 述三角形結構包括具有等效電氣性能的其它電路結構。
4.一種權利要求1所述雙饋型風電變流器低電壓穿越拓撲結構的控制方法，其特征具 有如下兩種工作模式主動式撬棒模式觸發(fā)三角形結構中三條支路雙向可控硅導通，從而將雙饋電機轉子 繞組通過三角形結構構成回路，以旁路雙饋電機轉子的暫態(tài)電流，待暫態(tài)電流衰減后，通過 轉子側變流器M中相應橋臂上的開關管動作，禁止已觸發(fā)導通的雙向可控硅，進而以半控 器件雙向可控硅實現(xiàn)了常規(guī)以全控器件才能實現(xiàn)的主動式撬棒電路功能；協(xié)同動作模式任何時刻僅有三角形結構中的一條支路的可控硅處于導通狀態(tài)，且導 通支路為連接于雙饋電機轉子三相繞組中最大電流對應相與最小電流對應相之間的支路， 而其它支路的可控硅皆處于禁止狀態(tài)，隨著雙饋電機轉子三相電流大小關系的變化，通過 控制轉子側變流器M中相應開關管的動作關斷當前處于導通狀態(tài)的可控硅，同時觸發(fā)導通 與當前雙饋電機轉子繞組中最大電流相與最小電流相相對應支路的可控硅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于雙饋型風力發(fā)電機低電壓穿越的變流器拓撲結構及其控制方法，低電壓穿越變流器拓撲結構主要由雙向可控硅構成的三角形結構和電壓源型背靠背變流器構成；其特征是三個雙向可控硅和電阻依次連接構成三角形結構，且三角形結構的三個頂點分別與雙饋電機轉子側變流器的三個交流輸出點相連接。本發(fā)明針對雙饋型風力發(fā)電機低電壓穿越時對轉子側變流器的容量需求，采用在雙饋電機轉子側變流器中增加由雙向可控硅構成的三角形結構，通過三角形結構中的可控硅與雙饋電機轉子側變流器橋臂開關的配合控制，形成主動式撬棒和協(xié)同控制兩種工作模式，增加對雙饋電機轉子電流的處理能力，進而通過低成本、高可靠性的變流器結構變化，較好地實現(xiàn)了雙饋型風力發(fā)電機的低電壓穿越功能。
文檔編號H02J3/38GK102136737SQ201110102578
公開日2011年7月27日 申請日期2011年4月22日 優(yōu)先權日2011年4月22日
發(fā)明者張興, 楊淑英, 謝震 申請人:合肥工業(yè)大學