一種風電場低電壓穿越裝置及其控制方法
2023-12-04 15:35:01 1
專利名稱：一種風電場低電壓穿越裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及風力發電技術領域，具體涉及一種風電場低電壓穿越裝置及其控制方法。
背景技術：
現有的風電場低電壓穿越技術研究主要集中在1、提高風電機組的低電壓穿越能力以及在穿越期間的無功支撐能力(改善系統穩定性)；2、採用包括靜止無功補償器(SVC)、靜止同步補償器(STATC0M)等在內的快速動態無功補償裝置，在電網電壓跌落期間幫助風電機組恢復機端電壓，在電壓故障恢復後抑制過電壓，以達到提高風電場的故障穿越能力；3、通過增加包括並聯電阻、串聯電阻等有功消耗設備對有功功率進行調節，吸收過剩有功功率而不消耗無功功率，以提高風電場的低電壓穿越能力。目前，針對現有風電機組，要提高風電機組的低電壓穿越能力，必須對其進行技術改造。例如，針對雙饋式風電機組需在其變流器中增加交流側主動式Crowbar及直流側Chopper (或稱DBR動態剎車電阻);對於直驅式風電機組，需在其變流器中增加直流側大功率Chopper ;對於異步型風電機組(定槳距或變槳距型)，需增加大容量快速無功補償裝置。由於近年來風電的飛速發展，風電機組的整機廠商、變流器供應商眾多，技術水平參差不齊，在短期內改造的實施難度巨大，特別是以異步型風電機組構成的風電場技術改造工作更是非常艱巨。因此，從風電場的整體出發進行技術改造是實現風電場低電壓穿越最便捷有效的途徑。採用SVC、STATC0M等快速動態無功補償裝置雖然有助於提高風電場的低電壓穿越能力，然而在實際應用中所需的容量巨大，經濟性較差，同時也無法徹底解決風電場的低電壓穿越問題。目前，有學者研究在異步型風電機組出口串聯電阻的解決方案，在未發生電壓跌落時，通過旁路開關短接電阻，在電網故障時刻，旁路開關斷開，將串聯電阻串入異步型風電機組與電網接入點之間。一方面電阻有一定的限流能力，更為重要的是它可以增大機組送出的線路電阻，一定程度上減少機組電磁功率的衰減，延緩轉速的上升，同時在電網故障清除後有助於機端電壓和電網連接點的電壓恢復過程。這種方法的問題在於，串聯電阻的旁路開關只能選擇機械開關(如中高壓斷路器)或可控電力電子開關(如雙向可控矽高壓閥串)。由於機械開關的動作速度較慢(不考慮檢測與控制的時間，也需約40毫秒至100毫秒左右)，而電網發生電壓故障時刻，異步型風電機組的無功電流瞬時即可達到機組額定的十倍以上，對斷路器的安全分斷帶來極大的困難。而採用可控電力電子開關的經濟性和安全性又較差(雙向可控矽高壓閥串也需分斷數倍額定電流)。基於上述原因，這種方法在實際中未見應用
發明內容
針對現有技術的不足，本發明提供一種風電場低電壓穿越裝置及其控制方法，解決了以下三個問題1、電網故障瞬時風電機組的無功電流(瞬時可超過十倍)限制以及風電場內短路時的故障電流限制；2、電壓跌落期間風電場內快速無功補償以及風電機組電磁功率維持(避免轉速快速上升)；3、電網故障清除後的發電機機端電壓快速恢復(恢復電磁功率)。本發明提供的一種風電場低電壓穿越裝置，包括風電場、電抗器、二極體、可調電壓源、斷路開關和電網系統；其改進之處在於，所述可調電壓源與所述電抗器串聯後與所述二極體並聯，構成一組故障電流限制電路；兩組所述故障電流限制電路串聯後，一端與所述風電場連接，另一端通過所述斷路開關與所述電網系統連接。
其中，所述低電壓穿越裝置包括並聯的機械旁路開關和串聯電阻；所述並聯的機械旁路開關和串聯電阻串聯在所述故障電流限制電路與所述斷路開關之間。其中，所述電抗器為限流電抗器，所述限流電抗器包括中壓空心限流電抗器。其中，所述串聯電阻包括鐵合金電阻或鑄鐵電阻。其中，所述可調電壓源為低壓可調直流源；所述低壓可調直流源包括低壓大電流可控矽整流器。本發明基於另一目的提供的一種風電場低電壓穿越裝置的控制方法，其改進之處在於，當電網系統出現故障時，閉合斷路開關，斷開機械旁路開關，限流電抗串聯在風電場與系統連接點之間，在電流衝擊時限制故障電流，斷開機械旁路開關，串聯電阻接入迴路，減少機組電磁功率的衰減和風電機組機端電壓和電網連接點電壓恢復，從而實現風電場的低電壓穿越。與現有技術比，本發明的有益效果為本發明成本低，易於實現。對於通過單個風電機組的低電壓穿越技術改造方案，每臺機組的改造費用約30萬以上；以安裝66臺750KW異步型風機的49. 5麗典型風電場為例，需增加約2000萬的改造費用，改造難度及工程量巨大。採用大容量快速STATC0M的技術改造方案，對於安裝66臺750KW異步型風機的49. 5MW典型風電場來說，動態補償容量至少需達到風場容量的二分之一以上，至少需增加1500萬改造投資，且無法完全達到低電壓穿越要求，系統的可靠性也較低。採用本發明提出的裝置與方法，技術風險較低，裝置所需的所有部件技術成熟，供應渠道多，且成本相對低廉。同時，對一個風電場進行整體改造，實施難度較機組分別改造更低。本發明對單元機組的控制特性要求低。由於發生故障時刻串聯電阻的投入，幫助風電機組抑制其電磁功率的下降，從而對機組變槳控制等機組控制技術的要求大大降低，避免其轉速過高而脫網。本發明在實現低電壓穿越功能的同時，增加的短路電流限制能力。本發明串聯限流電抗器的無延時投入，可避免因風電場內部短路引發的風電大面積脫網事故的發生。本發明電力電子閥串採用成本低、通流能力大、短時過載能力強的二極體組串，降低系統成本。
圖I為本發明提供的故障電流限制技術示意圖。圖2為本發明提供的故障電流限制與風電場低電壓穿越結合的技術方案示意圖。圖3為本發明提供的故障限流與低電壓穿越裝置單線圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。本實施例實現的故障電流限制技術其圖如圖I所示。可調電壓源與電抗器串聯後與二極體並聯，構成一組故障電流限制電路；兩組所述故障電流限制電路串聯後，一端與風 電場連接，另一端通過斷路開關K與電網系統連接。通過可調直流電源，使電抗器中的電流維持一〖亙定直流值I1，反向並聯二極體中電流為id，當輸入電流iin〈il時，以上電路對輸入電流iin不起限流作用；而當iin = χ時，id=0，則iin與電抗器電流相等，相當於在發生故障過流時，瞬時將電抗器串聯接入到迴路中，風電場與電網系統之間的連接阻抗增加了 I。本實施例的風電場低電壓穿越裝置，包括風電場、電抗器、二極體、可調電壓源、斷路開關K、電網系統、機械旁路開關Kl和串聯電阻；可調電壓源與電抗器串聯後與二極體並聯，構成一組故障電流限制電路；兩組故障電流限制電路串聯後，一端與風電場連接，另一端通過斷路開關K與電網系統連接。機械旁路開關Kl和串聯電阻並聯後，串聯在故障電流限制電路與斷路開關K之間。本實施例電抗器為限流電抗器，限流電抗器包括中壓空心限流電抗器，通過分裂設計，單個電抗器可滿足一相限流要求。串聯電阻包括鐵合金電阻或鑄鐵電阻。可調電壓源為低壓可調直流源，低壓可調直流源包括低壓大電流可控矽整流器(可根據需要選取三相迴路或兩相迴路)。當電網系統出現故障時，閉合斷路開關K，斷開機械旁路開關K1，限流電抗瞬時串聯在風電場與系統連接點之間，在電流衝擊的第一個周波就將故障電流限制住，通過增大串聯阻抗，避免風電機組過度吸收無功電流，同時觸發串聯電阻的旁路開關(低成本機械開關)斷開，在約兩個周波後，串聯電阻接入迴路，幫助減少機組電磁功率的衰減和風電機組機端電壓和電網連接點電壓恢復，從而實現風電場(或同一集電線路風電機組群)的低電壓穿越。在電網故障清除後，由於無功補償為退出等原因，往往引發隨之而來的高電壓問題，串聯的電抗和電阻上又可以承擔部分電壓降，幫助風電場實現高電壓穿越。風電場的交流短路電流限制迴路通過串聯的兩組所述故障電流限制電路實現。針對風電場35kV集電線路的具體併網容量，選取合適的限流電抗值，通過與升壓站主變的短路電抗配合，將故障電流限制在合理範圍內，從而一方面避免了風電場內部發生短路時對系統的電流衝擊，另一方面也限制了當發生系統電壓故障時因風電場內電壓過度跌落造成的風電機組，特別是異步型風電機組的機端電壓損失。本實施例故障限流與低電壓穿越裝置的硬體單線連接圖如圖3所示，其中，每個二極體閥串中的二極體個數由具體應用確定。限流電抗器長期運行電流為該線路的額定電流I. 2倍，通過限流電抗值的選取，可將短路故障電流或電網發生電壓故障時刻從系統吸收的無功電流限制至一定範圍內(考慮最惡劣工況，即該集電線路短路，按照低電壓穿越曲線進行短時限流設計)。最後應當說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。權利要求
1.一種風電場低電壓穿越裝置，包括風電場、電抗器、二極體、可調電壓源、斷路開關和電網系統；其特徵在於， 所述可調電壓源與所述電抗器串聯後與所述二極體並聯，構成一組故障電流限制電路； 兩組所述故障電流限制電路串聯後，一端與所述風電場連接，另一端通過所述斷路開關與所述電網系統連接。
2.如權利要求I所述的低電壓穿越裝置，其特徵在於，所述低電壓穿越裝置包括並聯的機械旁路開關和串聯電阻；所述並聯的機械旁路開關和串聯電阻串聯在所述故障電流限制電路與所述斷路開關之間。
3.如權利要求I所述的低電壓穿越裝置，其特徵在於，所述電抗器為限流電抗器，所述限流電抗器包括中壓空心限流電抗器。
4.如權利要求I所述的低電壓穿越裝置，其特徵在於，所述串聯電阻包括鐵合金電阻或鑄鐵電阻。
5.如權利要求I所述的低電壓穿越裝置，其特徵在於，所述可調電壓源為低壓可調直流源；所述低壓可調直流源包括低壓大電流可控矽整流器。
6.一種風電場低電壓穿越裝置的控制方法，其特徵在於，當電網系統出現故障時，閉合斷路開關，斷開機械旁路開關，限流電抗串聯在風電場與系統連接點之間，在電流衝擊時限制故障電流，斷開機械旁路開關，串聯電阻接入迴路，減少機組電磁功率的衰減和風電機組機端電壓和電網連接點電壓恢復，從而實現風電場的低電壓穿越。
全文摘要
本發明涉及一種風電場低電壓穿越裝置，包括風電場、電抗器、二極體、可調電壓源、斷路開關和電網系統；可調電壓源與電抗器串聯後與二極體並聯，構成一組故障電流限制電路；兩組所述故障電流限制電路串聯後，一端與所述風電場連接，另一端通過斷路開關與電網系統連接。本發明成本低，易於實現。在實現低電壓穿越功能的同時，增加了短路電流限制能力；本發明串聯限流電抗器的無延時投入，可避免因風電場內部短路引發的風電大面積脫網事故的發生。本發明對單元機組的控制特性要求低，並且本發明電力電子閥串採用成本低、通流能力大、短時過載能力強的二極體組串，降低系統成本。
文檔編號H02H9/02GK102709942SQ20121016257
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年5月23日
發明者丁傑, 呂宏水, 吳福保, 王彤, 苗亞 申請人:中國電力科學研究院