低電壓穿越控制方案的製作方法

2023-12-04 15:42:41

專利名稱：低電壓穿越控制方案的製作方法
技術領域：
本發明關於風力發電技術，尤指一種低電壓穿越控制方案。
背景技術：
當今世界風力發電技術的迅猛發展，裝機容量快速上升，風力發電在電網供電中 所佔比例不斷提高，因此，風力發電機組的併網質量以及運行狀態對電網的穩定性至關重 要。在運行過程中，電網故障可能會導致電壓跌落，這會給風力發電設備帶來一系列暫態過 程，例如出現過電壓、過電流或轉速上升等現象。所以，為保證風力發電設備的安全運行，風 力發電設備的控制裝置會在監測到電網電壓跌落時將風力發電機解列，即使風力發電機斷 開與電網的連接。 但是，在風力發電佔電網供電比例較大的情況下，由於電網電壓跌落故障引起的 大量風力發電機解列會導致電力系統潮流的大幅變化甚至引起大面積停電帶來頻率的穩 定性問題。因而出現了風力發電設備的低電壓穿越(LowVoltage Ride Through, LVRT)技 術，即使風力發電設備在電網電壓跌落時，能在電壓跌落設定值和設定時間內保持併網， 支持電網電壓恢復，直到電網恢復正常。對於目前風力發電機的主流機型雙饋感應發電機 (Double Fed InductionGenerator，DFIG)的運行特性和並脫網特性則顯得尤為重要。現有 的雙饋感應發電機組大都採用晶閘管(SCR)撬棒，當電網電壓跌落時一定限值時晶閘管觸 發保護變頻器，但是不具備低電壓穿越功能。而具有LVRT功能的雙饋感應發電機大都採用 低壓旁路系統在轉子側採用Crowbar主動撬棒技術，常用的有IGBT型Crowbar電路、混合 橋型Crowbar電路、帶有旁路電阻的Crowbar電路。但是這些控制技術存在著需要增加新 的保護裝置從而增加的成本，並且當電網故障時雖然勵磁變流器和轉子繞組得到了保護， 但此時按感應電動機方式運行的機組將從系統中吸收大量的無功功率，這將導致電網電壓 穩定性的進一步惡化。

發明內容
本發明的主要目的在於提供一種用於雙饋感應發電機的低電壓穿越控制方案，利
用該控制方案可以有效保證電網電壓的穩定性。 本發明中的低電壓穿越控制方案包括如下步驟 1)由控制電路監測連接在風力發電機轉子與電網之間的變頻器組的直流母線電 壓和電網電壓； 2)判斷監測到的變頻器組的直流母線電壓高於設計值，由控制電路控制連接在所 述風力發電機轉子上的Crowbar保護電路中的晶閘管閉合進行分流保護；
3)在所述晶閘管閉合後，由所述控制電路控制連接在所述風力發電機定子與電網 之間的定子斷路器斷開所述風力發電機定子與電網的連接； 4)在所述定子斷路器斷開所述電網與所述風力發電機定子之間的連接後，由所述 控制電路進一步控制所述Crowbar保護電路中的分流電路的斷路器先斷開再閉合，所述晶閘管自動斷開，從而恢復所述分流電路的保護功能； 5)保持上述狀態，直到所述控制電路監測到電網電壓恢復，快速使發電機同步控 制斷路器閉合，恢復正常工作。 所述變頻器組包括有串聯在所述風力發電機轉子與電網之間的機側變頻器及網
側變頻器，在第1)步驟中監測的直流母線電壓為所述網側變頻器的直流母線電壓，並在所
述網側變頻器與所述電網之間串聯有在正常工作狀態下為常閉狀態的變頻器網側斷路器。 在第1)步驟中所述控制電路中用於監測直流母線電壓的是電壓監測單元。 在第2)步驟中用於分流保護的是Crowbar保護電路中的分流電路，該分流電路包
括分別與所述晶閘管正極與負極串聯的整流橋與釋放電阻，及用於將整流橋與釋放電阻連
接至所述風力發電機的轉子與所述變頻器組之間的連接點的斷路器。 第3)步驟中所述控制電路中用於控制所述定子斷路器斷開的是定子控制單元。 第4)步驟中所述控制電路用於進一步控制所述斷路器作先斷開後閉合動作的是
撬棍開關控制單元。 本發明中的低電壓穿越控制方案能夠有效提高風力發電機的併網時間、發電量、 有效減少變頻器組的損壞、減少電網恢復瞬間風機無功、有功的抖動、從電網吸收無功以及 對電網提供有力支撐，增強電網的穩定性。


圖1為本發明中低電壓穿越控制方案的電路圖； 圖2為本發明中低電壓穿越控制方案的電路圖，該圖中示出控制電路的框圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明中的具體實施例作進一步詳細說明。
如圖1所示，以1. 5麗的雙饋變速恆頻感應風力發電機組為例，用於變速恆頻感應 風力發電機的低電壓穿越控制方案由如下系統實現，該系統包括有定子斷路器1、變頻器網 側斷路器2、組成變頻器組的機側變頻器3和網側變頻器4、撬棍(Crowbar)保護電路及控 制電路，其中機側變頻器3與網側變頻器4串聯後與風力發電機G的轉子連接，同時經變頻 器網側斷路器2與電網12連接，如圖2所示，利用該變頻器網側斷路器2可以在必要時控 制整個變頻器組脫網。在電網12與風力發電機G的定子之間由定子斷路器1連接。定子 斷路器l與變頻器網側斷路器2在正常工作過程中均處於常閉狀態，分別串聯在風力發電 機G的定子、轉子與電網12之間。 Crowbar保護電路由晶閘管7和分流電路組成，其中分流電路包括有整流橋6、斷 路器5和釋放電阻8。晶閘管7又可以稱為可控矽，具有正極、負極和門極，晶閘管7的正極 和負極分別串聯整流橋6和釋放電阻8，門極與控制電路(也稱控制模塊)9連接，斷路器5 連接至風力發電機G的轉子與變頻器組之間的連接點，該斷路器5在正常工作過程中處於 常閉狀態。分流電路起到旁路分流的作用，從而可以對變頻器組起到旁路分流的作用。
如圖2所示，控制電路9包括有電壓監測單元91、定子控制單元92、撬棍開關控制 單元93(也稱轉子控制單元)和晶閘管控制單元94。其中，電壓監測單元91與電網和變頻 器直流母線相連，用於監測電網的電壓值及變頻器組直流母線的電壓值，當電網電不正常時，變頻器組的直流母線電壓能快速發生變化；晶閘管控制單元94與電壓監測單元91和晶 閘管7的門極分別相連，當電壓監測單元91監測到變頻器組(即網側變頻器4)的直流母 線電壓值超過限值(設計值)，由晶閘管控制單元94控制晶閘管7閉合，使分流電路能夠對 風力發電機變頻器組進行分流保護。定子控制單元92與晶閘管控制單元94、電壓監測單元 91、定子斷路器1分別相連，當晶閘管控制單元94控制晶閘管7閉合之後，由定子控制單元 92控制定子斷路器1斷開。由於撬棍開關控制單元93與定子控制單元92和斷路器5分別 相連接，當定子斷路器1斷開後，由撬棍開關控制單元93進一步控制斷路器5先作斷開再 作閉合的操作。 本發明中低電壓穿越控制系統的具體工作流程如下 當電壓監測單元91監測到變頻器直流母線的電壓高於保護限值，由晶閘管控制 單元94控制晶閘管7閉合，具體可以通過晶閘管7的門極通入正向電壓來觸發，由於此時 斷路器5處於閉合狀態，所以晶閘管7正極有正向電壓，當晶閘管7門極通入正向電壓時晶 閘管7即閉合。 晶閘管7閉合，使得分流電路連入風力發電機G轉子的迴路，對變頻器組進行旁路 分流，從而避免過電流和過電壓對變頻器組的損壞，使風力發電機在電網電壓跌落時不必 脫網，實現了低電壓穿越(LVRT)功能。 當晶閘管控制單元94控制晶閘管7閉合後，由定子控制單元92立即控制定子斷 路器1斷開，定子斷路器1斷開使得風力發電機G的定子與電網斷開連接，從而避免了電網 吸收無功功率。 當定子斷路器1斷開之後，撬棍開關控制單元93控制斷路器5先斷開再閉後的動 作，斷路器5斷開使得晶閘管7由於正極的正電壓瞬間消失而自動斷開，斷路器5閉合後恢 復Crowbar保護電路的保護功能。 一直保持保護定子斷路器1斷開、斷路器5閉合這種狀 態到電網的電壓恢復，由電壓監測單元91監測到電網的電壓值恢復後由變頻器組控制風 力發電機同定子控制單元92控制定子斷路器1閉合恢復正常工作。 經過上述操作之後，低電壓穿越控制系統又恢復到正常的工作狀態，當監測到下 一次電網電壓跌落時再重複上述操作。 綜上所述，本發明中的低電壓穿越控制方案具有以下優點 1 、當由於電網電壓跌落導致變頻器直流母線電壓高於設定門限值以上時，可以觸 發晶閘管閉合，利用分流電路來保護變頻器組，避免變頻器組由於過電壓、過電流而損壞；
2、定子斷路器能夠在進行低電壓保護的同時斷開定子與電網的連接，從而避免從 電網吸收無功功率，並且定子在電網故障時脫網，可以減少電網恢復時由於電網的突變引 發的風力發電機無功、有功的抖動，直至電網的電壓恢復之後才閉合定子與電網的連接，可 以避免恢復的瞬間衝擊； 3、變頻器組在低電壓穿越過程中始終保持併網狀態，即沒有脫離與電網的連接， 因此可以通過轉子向電網提供無功功率，支撐電網電壓恢復； 4、本發明中的低電壓穿越控制方案以簡單優化的電路結構和控制策略實現了對 雙饋感應風力發電機的LVRT控制，能夠提高風力發電機的併網時間，發電量，在電網電壓 跌落時有效減少變頻器組的損壞，且具備良好的LVRT能力，對電網提供有力支撐，增強了 電網的穩定性。
5、本發明中的低電壓穿越控制方案尤其適用於兆瓦(麗)級的雙饋變速恆頻風力發電機組，例如1.5麗、3麗的風力發電機組，但並不限於此，還可以廣泛適用於各種雙饋感應式風力發電設備。
權利要求
一種低電壓穿越控制方案，包括有如下步驟1)由控制電路監測連接在風力發電機轉子與電網之間的變頻器組的直流母線電壓和電網電壓；2)判斷監測到的變頻器組的直流母線電壓高於設計值，由控制電路控制連接在所述風力發電機轉子上的Crowbar保護電路中的晶閘管閉合進行分流保護；3)在所述晶閘管閉合後，由所述控制電路控制連接在所述風力發電機定子與電網之間的定子斷路器斷開所述風力發電機定子與電網的連接；4)在所述定子斷路器斷開所述電網與所述風力發電機定子之間的連接後，由所述控制電路進一步控制所述Crowbar保護電路中的分流電路的斷路器先斷開再閉合，所述晶閘管自動斷開，從而恢復所述分流電路的保護功能；5)保持上述狀態，直到所述控制電路監測到電網電壓恢復，快速使發電機同步控制斷路器閉合，恢復正常工作。
2. 根據權利要求1所述的低電壓穿越控制方案，其特徵在於，所述變頻器組包括有串 聯在所述風力發電機轉子與電網之間的機側變頻器及網側變頻器，在第1)步驟中監測的 直流母線電壓為所述網側變頻器的直流母線電壓，並在所述網側變頻器與所述電網之間串 聯有在正常工作狀態下為常閉狀態的變頻器網側斷路器。
3. 根據權利要求l所述的低電壓穿越控制方案，其特徵在於，在第1)步驟中所述控制 電路中用於監測直流母線電壓的是電壓監測單元。
4. 根據權利要求1所述的低電壓穿越控制方案，其特徵在於，在第2)步驟中用於分流 保護的是Crowbar保護電路中的分流電路，該分流電路包括分別與所述晶閘管正極與負極 串聯的整流橋與釋放電阻，及用於將整流橋與釋放電阻連接至所述風力發電機的轉子與所 述變頻器組之間的連接點的斷路器。
5. 根據權利要求1所述的低電壓穿越控制方案，其特徵在於，第3)步驟中所述控制電 路中用於控制所述定子斷路器斷開的是定子控制單元。
6. 根據權利要求1所述的低電壓穿越控制方案，其特徵在於，第4)步驟中所述控制電 路用於進一步控制所述斷路器作先斷開後閉合動作的是撬棍開關控制單元。
全文摘要
一種低電壓穿越控制方案包括以下步驟1)由控制電路監測連接在風力發電機轉子與電網之間的變頻器組的直流母線電壓和電網電壓；2)判斷監測到的變頻器組的直流母線電壓高於設計值，由控制電路控制連接在風力發電機轉子上的Crowbar保護電路中的晶閘管閉合進行分流保護；3)在晶閘管閉合後，由控制電路控制連接在風力發電機定子與電網之間的定子斷路器斷開風力發電機定子與電網的連接；4)在定子斷路器斷開電網與風力發電機定子之間的連接後，由控制電路進一步控制分流電路的斷路器先斷開再閉合，晶閘管自動斷開，從而恢復分流電路的保護功能；5)保持上述狀態，直到控制電路監測到電網電壓恢復，快速使發電機同步控制斷路器閉合，恢復正常工作。
文檔編號H02P9/10GK101741100SQ201010033770
公開日2010年6月16日 申請日期2010年1月11日 優先權日2010年1月11日
發明者楊松, 蘇麗營, 荊海斌 申請人:華銳風電科技(集團)股份有限公司