專利名稱：串聯(lián)型風力發(fā)電機組低電壓穿越控制裝置的制作方法
技術領域：
串聯(lián)型風力發(fā)電機組低電壓穿越控制裝置技術領域[0001]本實用新型涉及風力發(fā)電機組低電壓穿越控制技術，屬于新能源發(fā)電技術領 域。
背景技術：
[0002]在未來的一段時間內，隨著世界及中國經濟的發(fā)展，能源的消耗將急劇增加， 然而由于我國資源的相對匱乏以及不可再生資源的消耗對于環(huán)境的破壞，使得我國將在 未來一段時間內長期面臨著環(huán)境和資源的雙重壓力，發(fā)展包括風力發(fā)電在內的可再生能 源是中國能源困境的最終解決辦法。針對中國發(fā)展風電的實際情況，風電場與電網(wǎng)的協(xié) 調規(guī)劃和建設是當前最關鍵的問題。由于風能是一種不能人為控制且極不穩(wěn)定的能源， 時斷時續(xù)，如何將風能開發(fā)出來并入電網(wǎng)，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定地運行，這是一個急需解 決的問題。因此，隨著電網(wǎng)中風電所占比重的不斷增加，世界各國在提高電網(wǎng)風電承受 能力的同時，對并網(wǎng)風電機組提出了比以往更高的技術要求，如低電壓穿越(LVRT)能 力、有功和無功功率控制能力等。其中，風電機組的低電壓穿越能力是風電機組設計制 造技術的最大挑戰(zhàn)。風力發(fā)電機的低電壓穿越能力，是指在電網(wǎng)故障期間風電機組端 電壓降低到一定值的情況下，風電機組在一定時間范圍內能夠保持并網(wǎng)不間斷運行的能 力。目前風電發(fā)展領先的一些國家，已經相繼制定了新的風電并網(wǎng)導則，定量給出了風 電機組脫網(wǎng)的條件。[0003]對于不同類型風電機組，其LVRT功能的實現(xiàn)方法也有所不同。目前用來提高 LVRT能力的措施主要有槳距角控制、轉子加速控制、定子Crowbar控制、轉子Crowbar 控制和動態(tài)無功補償?shù)?。但是，雙饋異步電機(DFIG)轉子接入Crowbar裝置后作為鼠籠 異步電機運行，成為一個消耗感性無功的負載，不僅不能對電網(wǎng)電壓起支持作用，反而 阻礙故障切除后電網(wǎng)電壓的恢復，另外DFIG不同運行狀態(tài)間的切換，需要較為復雜的控 制邏輯，否則會引起較大的振蕩過程，影響傳動軸、齒輪箱和軸承等機械部件的安全運 行和降低使用壽命。當電網(wǎng)中加裝了先進的動態(tài)無功補償裝置6VC、STATCOM、DVR 等)，使LVRT性能較差的恒速異步機組也具備了一定的LVRT能力，但動態(tài)無功補償裝 置的經濟性較差。[0004]中國的風電并網(wǎng)導則呼之欲出，研制具有LVRT功能的風電機組已經成為國內風 電整機廠家迫在眉急的任務，因此，開發(fā)一種適用機型廣泛的低電壓穿越控制裝置，既 可以用于新機組，又可以用于已投運機組的低電壓穿越功能改造，可提高含風電場電網(wǎng) 的穩(wěn)定性，使風電的成本和環(huán)保優(yōu)勢得到切實的體現(xiàn)，這無疑將極大推動風力發(fā)電這種 可再生能源的開發(fā)利用規(guī)模，帶動國內相關風力發(fā)電設備造業(yè)的發(fā)展，對國民經濟的健 康快速發(fā)展起著重要作用。發(fā)明內容[0005]技術問題本實用新型的目的在于提供一種適用機型廣泛的串聯(lián)型風力發(fā)電機組低電壓穿越控制裝置，使其既可以用于新機組，又可以用于已投運機組的低電壓穿越 功能改造，在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障的情況下，系統(tǒng)可快速輸出平衡電壓以補償電網(wǎng)電壓 的跌落，使發(fā)電機端口觀察到的電壓基本穩(wěn)定，從而使得風力發(fā)電機組具有低電壓穿越 的能力，根據(jù)需要系統(tǒng)還可向電網(wǎng)提供一定的無功功率，并且避免工作模式切換過程中 可能產生的振蕩過程，保證發(fā)電機組機械部件的安全可靠運行，延長使用壽命。[0006]技術方案本實用新型的一種串聯(lián)型風力發(fā)電機組低電壓穿越控制裝置包括耦 合變壓器、PWM變換器、儲能電容、卸荷電路和控制器，其中耦合變壓器的原邊接在 發(fā)電機和升壓變壓器回路中，耦合變壓器的副邊與PWM變換器連接，PWM變換器直流 側接儲能電容和卸荷電路，控制器的控制端分別接PWM變換器、卸荷電路；該低電壓 穿越控制裝置串接于發(fā)電機與升壓變壓器的低壓端之間。[0007]所述卸荷電路包括功率器件和電阻，控制器中的卸荷電路控制的輸出端接功 率器件的控制端，功率器件與電阻串聯(lián)連接后，其電阻的另一端和功率器件的另一端分 別接PWM變換器。[0008]所述功率器件的具體形態(tài)為晶閘管或絕緣柵雙極型晶體管。[0009]風力發(fā)電低電壓穿越控制裝置的控制方法為通過控制器連續(xù)量測升壓變壓器 低壓側的實時電壓并與正常情況電壓值的模和相角進行比較，若偏差達到電網(wǎng)發(fā)生了低 電壓故障的程度，控制器將調節(jié)低電壓穿越控制裝置的PWM變換器來補償電網(wǎng)上的電壓 跌落，將發(fā)電機端電壓維持在一定的水平，從而實現(xiàn)低電壓穿越；控制器同時監(jiān)測直流 側儲能電容兩端的直流電壓與設定值進行比較，若直流電壓升高并超過限值，控制器觸 發(fā)卸荷電路的功率器件以調節(jié)直流電壓降低至安全的范圍內。[0010]有益效果本實用新型的優(yōu)點在于串聯(lián)接入于風力發(fā)電機定子和變壓器之間 的風電機組低電壓穿越控制裝置，通過連續(xù)量測固定點的實時電壓比較正常情況電[0011]壓值的模和相角來進行操作，一旦在網(wǎng)絡上發(fā)生故障，系統(tǒng)將操作補償裝置來 補償網(wǎng)絡上的電壓損失，從而將電壓維持在一定的水平。這種裝置能夠在故障情況下吸 收網(wǎng)絡中額外的有功從而使發(fā)電機不脫網(wǎng)運行，也可以根據(jù)用戶配置，輸出需要的無功 功率，以保證在故障發(fā)生期間風力發(fā)電機不需要脫網(wǎng)，使得風力發(fā)電機組具有低電壓穿 越的能力，并且避免工作模式切換過程中可能產生的振蕩過程，保證發(fā)電機組機械部件 的安全可靠運行，延長使用壽命。PWM變換器控制中應用了矢量控制技術，在電網(wǎng)上 發(fā)生擾動的時候，無論電網(wǎng)平衡與不平衡，都可以控制輸出電壓，從而支撐發(fā)電機，保 證發(fā)電機正常并網(wǎng)。由于低電壓穿越控制裝置串接在發(fā)電機定子和升壓變壓器低壓側之 間，這種裝置既可以固定在安裝塔筒里面，或者在塔筒里面安裝額外的固定平臺，也可 以安裝在塔筒外面或者變壓器房，因此使用相當方便。低電壓穿越控制裝置不改變原風 力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的原理和結構，因此可以適用于不同類型的機組，主要包括定速鼠 籠異步發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機、Opti-Slip異步發(fā)電機等，具有適應性廣、沖擊載荷小 等優(yōu)點，該裝置既可以成為風電機組的一個獨立的低電壓穿越功能模塊，又可以用于已 在電網(wǎng)內并網(wǎng)運行的老機組低電壓穿越功能的改造。
[0012]圖1為具有低電壓穿越控制裝置的風力發(fā)電系統(tǒng)圖；[0013]圖2為低電壓穿越控制裝置結構圖；[0014]圖3為低電壓穿越控制裝置控制原理圖。[0015]圖中有耦合變壓器1、PWM變換器2、儲能電容3、卸荷電路4、功率器件 41、電阻元件42、控制器5、卸荷電路控制51、PWM變換器控制52、發(fā)電機6、升壓變 壓器7、電壓互感器8、電流互感器9。
具體實施方式
[0016]串聯(lián)型低電壓穿越控制裝置，包括耦合變壓器、PWM變換器、儲能電容、卸荷 電路和控制器，低電壓穿越控制裝置串接于發(fā)電機與升壓變壓器的低壓端之間，在系統(tǒng) 中耦合變壓器的原邊接在發(fā)電機和升壓變壓器回路中，耦合變壓器的副邊和PWM變 換器連接，PWM變換器直流側和儲能電容連接，儲能電容和卸荷電路連接；卸荷電路包 括功率器件和電阻元件，功率器件和電阻元件串聯(lián)連接。[0017]在本實用新型中所述的風力發(fā)電低電壓穿越控制裝置通過控制器連續(xù)量測升 壓變壓器低壓側的實時電壓并和正常情況電壓值的模和相角進行比較，若偏差達到一定 程度即電網(wǎng)發(fā)生了低電壓故障，控制器將調節(jié)低電壓穿越控制裝置的PWM變換器來補償 電網(wǎng)上的電壓跌落，將發(fā)電機端電壓維持在一定的水平，從而實現(xiàn)低電壓穿越；控制器 同時監(jiān)測直流側儲能電容兩端的直流電壓與設定值進行比較，若直流電壓升高并超過限 值，控制器觸發(fā)卸荷電路的功率器件以調節(jié)直流電壓降低至安全的范圍內。[0018]在本實用新型中所述的控制器包括卸荷電路控制和PWM變換器控制。[0019]直流側儲能電容兩端直流電壓實測值Ud。和直流電壓設定值Ud?！猺ef經過比較環(huán)節(jié) 得到偏差信號AUd。，偏差信號經過比例積分(PI)調節(jié)器后送入比較器，生成控制功率器 件的導通占空比，控制功率器件的導通和關斷，從而調節(jié)直流電壓值接近設定值。[0020]功率變換器控制采用矢量控制技術，電網(wǎng)與升壓變壓器高壓端連接，升壓變壓 器低壓端與低電壓穿越控制裝置的耦合變壓器連接，三相電網(wǎng)電壓在升壓變壓器低壓端 檢出后首先進行abc/dq坐標變換，分別得到三相電壓的直軸01軸)分量Ud和交軸(q軸) 分量Uq，對Ud和uq進行正負序計算，可得到d軸分量的正序分量和負序分量，該實測的 d軸正負序分量和給定的d軸正負序分量送入電壓比較環(huán)節(jié)進行比較，其中d軸負序分量 給定值為0，分別將d軸正序分量和負序分量的偏差信號送入PI調節(jié)器并生成d軸正序參考電壓:《f和d軸負序參考電壓負序參考電壓乘以因子后和正序參考電壓 /·*ud Ud Ud相加后得到d軸參考電壓 < ；給定的無功功率值通過比例環(huán)節(jié)得到所需的交軸參考電流^，將測量到的PWM變換器三相交流電流進行abc/dq坐標變換得到d軸電流分量id和q軸電流分量iq，把實測q軸電流分量iq和交軸參考電流^送入比較環(huán)節(jié)并將偏差信號送入PI調節(jié)器，得到q軸參考電壓< ；d軸參考電壓《丨和q軸參考電壓<一起送入SVPWM調制器，即可產生PWM變換器運行所需的PWM調制波。[0021]附圖非限制性地公開了本實用新型實施例的具體結構，
以下結合附圖對本實用 新型作進一步說明。[0022]由圖1可見，含低電壓穿越控制裝置的風力發(fā)電系統(tǒng)，其連接方式是低電壓 穿越控制裝置串接于發(fā)電機定子繞組輸出端與升壓變壓器的低壓端之間。[0023]由圖2可見，低電壓穿越控制裝置包括耦合變壓器、PWM變換器、儲能電 容、卸荷電路和控制器，其具體的連接方式是耦合變壓器的原邊接在發(fā)電機和升壓變 壓器回路中，耦合變壓器的副邊和PWM變換器連接，PWM變換器直流側和儲能電容 連接，儲能電容和卸荷電路連接。低電壓穿越控制裝置的控制器包括卸荷電路控制和 PWM變換器控制，卸荷電路控制與卸荷電路連接，PWM變換器控制與PWM變換器連 接。[0024]由圖3可見，卸荷電路包括功率器件和電阻元件，其具體的連接方式是功 率器件和電阻元件串聯(lián)連接。功率器件和電阻元件參數(shù)要根據(jù)發(fā)電機類型、容量大小、 并網(wǎng)導則規(guī)定和電壓等級適當選取。[0025]工作時，測量直流側儲能電容兩端直流電壓Ud。并與直流電壓設定值Ud。—ref在比 較環(huán)節(jié)比較，得到偏差信號AUd。，該偏差信號經過PI調節(jié)器后送入比較器，生成控制功 率器件的導通占空比，控制功率器件的導通和關斷，從而調節(jié)直流電壓值接近設定值。[0026]功率變換器控制采用矢量控制技術，電網(wǎng)與升壓變壓器高壓端連接，升壓變壓 器低壓端與低電壓穿越控制裝置的耦合變壓器連接，三相電網(wǎng)電壓在升壓變壓器低壓端 檢出后首先進行abc/dq坐標變換，分別得到三相電壓的直軸01軸)分量Ud和交軸(q軸) 分量Uq，對Ud和uq進行正負序計算，可得到d軸分量的正序分量和負序分量，該實測的 d軸正負序分量和給定的d軸正負序分量送入電壓比較環(huán)節(jié)進行比較，其中d軸負序分量 給定值為0，分別將d軸正序分量和負序分量的偏差信號送入PI調節(jié)器并生成d軸正序參 考電壓《廠和d軸負序參考電壓《廠，負序參考電壓《f乘以因子e,'后和正序參考電壓《f 相加后得到d軸參考電壓< ；給定的無功功率值通過比例環(huán)節(jié)得到所需的交軸參考電流<， 將測量到的PWM變換器三相交流電流進行abc/dq坐標變換得到d軸電流分量id和q軸 電流分量iq，把實測q軸電流分量iq和交軸參考電流^送入比較環(huán)節(jié)并將偏差信號送入PI 調節(jié)器，得到q軸參考電壓《； ； d軸參考電壓<和q軸參考電壓<一起送入SVPWM調制 器，即可產生PWM變換器運行所需的PWM調制波。
權利要求1.一種串聯(lián)型風力發(fā)電機組低電壓穿越控制裝置，其特征在于該低電壓穿越控制裝 置包括耦合變壓器(1)、PWM變換器(2)、儲能電容(3)、卸荷電路(4)和控制器(5)， 其中耦合變壓器的原邊接在發(fā)電機(6)和升壓變壓器(7)回路中，耦合變壓器(1)的副 邊與PWM變換器⑵連接，PWM變換器⑵直流側接儲能電容(3)和卸荷電路⑷， 控制器(5)的控制端分別接PWM變換器(2)、卸荷電路(4)；該低電壓穿越控制裝置串 接于發(fā)電機(6)與升壓變壓器(7)的低壓端之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的串聯(lián)型風力發(fā)電機組低電壓穿越控制裝置，其特征在于所述 卸荷電路(4)包括功率器件(41)和電阻(42)，控制器(5)中的卸荷電路控制(51)的 輸出端接功率器件(41)的控制端，功率器件(41)與電阻(42)串聯(lián)連接后，其電阻(42) 的另一端和功率器件(41)的另一端分別接PWM變換器(2)。
3.根據(jù)權利要求1所述的串聯(lián)型風力發(fā)電機組低電壓穿越控制裝置，其特征在于所述 功率器件(41)的具體形態(tài)為晶閘管。
4.根據(jù)權利要求1所述的串聯(lián)型風力發(fā)電機組低電壓穿越控制裝置，其特征在于所述 晶閘管為絕緣柵雙極型晶體管。
專利摘要本實用新型的一種適用機型廣泛的串聯(lián)型風力發(fā)電機組低電壓穿越控制裝置及控制方法，使其既可以用于新機組，又可以用于已投運機組的低電壓穿越功能改造，在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障的情況下，系統(tǒng)可快速輸出平衡電壓以補償電網(wǎng)電壓的跌落，使發(fā)電機端口觀察到的電壓基本穩(wěn)定，從而使得風力發(fā)電機組具有低電壓穿越的能力，根據(jù)需要系統(tǒng)還可向電網(wǎng)提供一定的無功功率，并且避免工作模式切換過程中可能產生的振蕩過程，保證發(fā)電機組機械部件的安全可靠運行，延長使用壽命。
文檔編號H02J3/38GK201805236SQ20102019253
公開日2011年4月20日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權日2010年5月17日
發(fā)明者劉永生, 張建忠, 程明, 許偉健 申請人:東南大學