一種雙饋型風機併網發電系統的製作方法
2023-12-04 15:48:06 1
一種雙饋型風機併網發電系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種雙饋型風力發電併網系統，包括雙饋發電機、連接在所述雙饋發電機的定子與電網間的併網斷路器以及依次連接在所述雙饋發電機的轉子與所述併網斷路器間的變流器和主接觸器，還包括連接在所述雙饋發電機的定子與所述併網斷路器間的併網開關裝置，其中：所述併網開關裝置包括三個分別接入每一相線路的開關單元，每個開關單元均包括反並聯連接的至少兩個開關管；所述併網系統還包括控制單元，所述控制單元用於在併網開關裝置兩端相對應的任意兩相線電壓之間的差值的絕對值小於一預設值時輸出驅動信號使三個開關單元都處於導通狀態以實現併網。實施本實用新型的有益效果是，併網時衝擊電流小，且具有很好短路電流耐衝擊能力。
【專利說明】—種雙饋型風機併網發電系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及風力發電【技術領域】，更具體地說，涉及一種雙饋型風機併網發電系統。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著我國風力發電事業的迅猛發展，我國風電裝機總量和年新增裝置容量都躍居世界前列，目前市場上的主要風機機型為雙饋型和直驅型兩種，其中雙饋型風機佔據市場的主導份額。隨著雙饋型風機裝機容量的激增，也逐漸暴露出了許多問題，其中併網接觸器作為風機的關鍵部件之一，其使用的可靠性以及併網時如何減小衝擊電流都成為近年來主要研究的焦點問題之一。
[0003]現有的佔據市場的主流的雙饋型風機系統拓撲結構如圖1所示，雙饋發電機3轉子連接變流器6，變流器6通過主接觸器7、併網斷路器5連接電網；雙饋發電機定子經併網接觸器4』，併網斷路器5連接到電網。風機停機時，發電機需與電網斷開，運行時需與電網連通，這就要求併網開關器件頻繁動作。斷路器的使用壽命較短，一般為開關10000次左右，因此不適合作為頻繁動作的開關器件使用。而接觸器的使用壽命較長，一般開關次數超過100000次，所以在雙饋發電機定子與併網斷路器之間增加一個併網接觸器，負責風機正常啟停時，起到發電機與電網之間接通和隔離作用，併網斷路器在正常情況是一直處於閉合狀態的，只有發生短路等嚴重故障時才進行脫扣保護，以增加併網斷路器的壽命。
[0004]該雙饋型風力發電機的併網過程主要分兩步實現:第一步，啟動變流器對雙饋發電機進行勵磁以調整雙饋發電機定子側電壓相位、頻率、幅值與電網電壓相位、頻率、幅值相一致；第二步，閉合併網接觸器連通電網，實現併網過程。在第一步過程中，雙饋發電機定子側電壓相位、頻率、幅值與電網電壓相位、頻率、幅值可以調整到比較接近，但仍舊會有一些誤差，因此在第二步過程中併網接觸器閉合時會造成很大的衝擊電流。因此現有的雙饋風力發電系統中採用併網接觸器實現併網會存在如下缺陷:
[0005]I)併網衝擊電流較大，併網時併網接觸器兩端的電壓差會造成較大的衝擊電流；
[0006]2)接觸器的分斷能力很小且耐電流衝擊能力不大，當雙饋發電機定子側發生短路故障時，由於斷路器分斷速度較慢，大約在幾十毫秒左右，在這段時間內併網接觸器需要承受的短路電流是系統額定電流的十多倍以上。
[0007]現有技術中為了避免上述情況，需選用更大等級的併網接觸器，這無疑增加了成本。
實用新型內容
[0008]本實用新型要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述併網衝擊電流大、可靠性差的缺陷，提供一種雙饋型風力發電系統及其控制方法。
[0009]本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是:構造一種雙饋型風力發電併網系統，包括雙饋發電機、連接在所述雙饋發電機的定子與電網間的併網斷路器以及依次連接在所述雙饋發電機的轉子與所述併網斷路器間的變流器和主接觸器，還包括連接在所述雙饋發電機的定子與所述併網斷路器間的併網開關裝置，其中:所述併網開關裝置包括三個分別接入每一相線路的開關單元，每個開關單元均包括反並聯連接的至少兩個開關管；
[0010]所述併網系統還包括控制單元，所述控制單元用於在併網開關裝置兩端相對應的任意兩相線電壓之間的差值的絕對值小於一預設值時，輸出驅動信號使三個開關單元都處於導通狀態以實現併網。
[0011 ] 在上述雙饋型風力發電併網系統中，所述開關管為晶閘管。
[0012]在上述雙饋型風力發電併網系統中，所述開關管為門極可關斷晶閘管。
[0013]在上述雙饋型風力發電併網系統中，所述控制單元包括一信號檢測模塊，所述信號檢測模塊用於檢測所述併網開關裝置兩端相對應的任意兩相線電壓值。
[0014]在上述雙饋型風力發電併網系統中，所述控制單元還包括一信號比較模塊，所述信號比較模塊用於對所述線電壓值進行比較，並在其差值的絕對值小於所述預設值時輸出第一比較結果。
[0015]在上述雙饋型風力發電併網系統中，所述控制單元還包括一驅動信號模塊，所述驅動信號模塊用於在所述信號比較模塊輸出第一比較結果時輸出驅動信號給所述併網開關裝置。
[0016]實施本實用新型的雙饋型風力發電系統，具有以下有益效果:通過採用併網開關裝置，該併網開關裝置包括三個分別接入每一相線路的開關單元，每個開關單元包括反並聯連接的至少兩個開關管，而開關管採用晶閘管或門極可關斷晶閘管，因此完全可以在併網前當任意一組併網開關裝置兩端相對應的線電壓曲線接近其交叉點時，在該時刻點控制三個開關單元都處於導通狀態使雙饋發電機與電網連通，實現電網和定子電壓的無縫銜接，併網衝擊電流非常小。此外，當風機停機或雙饋發電機定子側發生短路故障時，也可以在很短的時間內關斷開關管，使併網開關裝置處於斷開狀態，隔離短路電流。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中:
[0018]圖1是現有的雙饋型風力發電系統的拓撲結構示意圖；
[0019]圖2是本實用新型雙饋型風力發電系統實施例的拓撲結構示意圖；
[0020]圖3是圖2中併網開關裝置的示意圖；
[0021]圖4是圖2中併網開關裝置的功能擴展示意圖；
[0022]圖5是1.5麗雙饋型風力發電系統併網前電網側AB相線電壓與定子側AB相線電壓同步波形圖；
[0023]圖6是1.5麗雙饋風力發電系統併網時電網側AB相線電壓、定子側AB相線電壓、電網側A相電流波形圖；
[0024]圖7是圖2中併網開關裝置兩端電壓交叉點檢測原理圖；
[0025]圖8是圖7中死區環節曲線圖。
【具體實施方式】
[0026]為了對本實用新型的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本實用新型的【具體實施方式】。
[0027]如圖2所示，為本實用新型雙饋型風力發電系統實施例的拓撲結構示意圖，該雙饋型風力發電系統包括風葉1、齒輪箱2、雙饋發電機3、併網開關裝置4、併網斷路器5、變流器6以及主接觸器7。其中:風葉1、齒輪箱2依次連接，併網開關裝置4和併網斷路器5依次連接在雙饋發電機3的定子和電網之間，變流器6和主接觸器7依次連接在雙饋發電機3轉子和併網開關裝置4與併網斷路器5的連接點之間。變流器6包括機側變流器、網側變流器以及連接在機側變流器和網側變流器之間的儲能電容，其中:機側變流器的交流端與雙饋發電機3的轉子連接，網側變流器的交流端與主接觸器7連接，機側變流器與網側變流器的公共直流端與儲能電容兩端連接。
[0028]特別地，併網開關裝置4包括三個分別接入每一相線路的開關單元，每個開關單元均包括反並聯連接的至少兩個開關管，如圖3所示，即該併網開關裝置4由六個或以上的開關管構成，在本實施例中，優選為晶閘管或門極可關斷晶閘管。該併網開關裝置4用於其兩端相對應的任意兩相線電壓之間的差值的絕對值小於一預設值時處於導通狀態以實現併網。
[0029]參見圖2和圖4，在本實施例中該系統還包括一控制單元61，該控制單元61包括信號檢測模塊611、信號比較模塊612以及驅動信號模塊613。信號檢測模塊611用於檢測併網開關裝置4兩端相對應的任意兩相線電壓，信號比較模塊612用於對信號檢測模塊611測得的併網開關裝置兩端相對應的任意兩相線電壓進行比較，當其差值的絕對值小於一預設值時，輸出第一比較結果；當其差值的絕對值大於或等於該預設值時，輸出第二比較結果。驅動信號模塊613用於在信號比較模塊612輸出第一比較結果時輸出驅動信號給併網開關裝置中的所有開關管，控制併網開關裝置中的三個開關單元均處於導通狀態，實現併網。即當併網開關裝置4兩端的任意兩相線電壓之間的差值較小時實現併網，從而可以極大的減小風力發電系統併網衝擊電流。該控制單元的功能也可由變流器6中用於控制變流器內部電力電子開關器件導通與關斷的變流器控制單元來實現。
[0030]在本實施例中，併網開關裝置4還包括一吸收電路41，吸收電路41用於減小在開關管導通和關斷時所產生的尖峰電壓，可以採用常用的阻容電路來實現(此阻容電路為常用技術，在此不贅述)，保護開關管可靠工作。
[0031]通過在雙饋風力發電機中採用併網開關裝置4，可以很大程度的減小併網衝擊電流，任意取一組併網開關裝置中兩端相對應的線電壓，以併網開關裝置4兩端線電壓分別為雙饋發電機定子AB相線電壓Vsab (圖3中併網開關裝置4與雙饋發電機的定子連接的Al相和BI相所構成的線電壓)和電網AB相線電壓Vgab (圖3中併網開關裝置4與電網連接的A2相和B2相所構成的線電壓)為例，如圖5所示，為併網前的電壓波形(為了圖示更加清晰，加大了兩者的相位差，實際過程相位差會更小)，由於在併網之前需首先啟動變流器對雙饋發電機進行勵磁，雙饋發電機定子電壓相位、頻率、幅值與電網電壓相位、頻率、幅值可以調整到比較接近，但仍舊會有一些誤差，即雙饋發電機定子AB相線電壓Vsab和電網AB相線電壓Vgab會存在一定的相位差和幅值差，所以每個周期其電壓曲線都會存在兩個電壓交叉點，在每個電壓交叉點其電壓差值為零，即在該時刻點進行併網可以實現電網和雙饋發電機定子電壓的無縫銜接。但是在現有技術中通過採用併網接觸器來實現併網，其動作延時往往達到IOOms以上，而且每個開關動作延時往往一致性很差，導致以上方法難以實現，在併網接觸器閉合實現併網時會存在很大的衝擊電流。
[0032]因此通過採用併網開關管裝置4代替現有的併網接觸器，該併網開關裝置4包括三個分別接入每一相線路的開關單元，每個開關單元由兩個或以上開關管反並聯構成，而開關管優選為晶閘管或門極可關斷晶閘管，因此在本實施例中開關管為靜態開關器件，導通速度是微秒級的，完全可以控制在併網時刻接近電壓交叉點，使得併網衝擊電流大大減小，如圖6所示，上半部分的子圖為併網時併網開關裝置兩端的AB相線電壓波形，下半部分的子圖為A相併網衝擊電流波形，結合圖5和圖6，在風機運行需與電網連通時，且併網開關裝置兩端相對應的任意兩相線電壓之間的差值的絕對值小於一預設值時，控制單元輸出驅動信號控制併網開關裝置中的三個開關單元都處於導通狀態，因本實施例中的開關管為晶閘管或門極可關斷晶閘管，其導通速度是微秒級的，完全可以控制在電壓交叉點處實現併網，因此併網衝擊電流非常小。
[0033]特別地，如果併網開關裝置中的開關管採用的是晶閘管，在風機停機時，雙饋發電機需與電網斷開，控制單元61將禁止輸出驅動信號給併網開關裝置，根據晶閘管的特性，在流經其電流過零或反向時器件自動截止，此時晶閘管會自動關斷，其最長的關斷時間為IOms (電網電壓周期的一半)。在雙饋發電機定子電流發生短路故障時，此時控制單元會檢測到電流過大，並報過流故障，同樣禁止輸出驅動信號給併網開關裝置，晶閘管自動關斷，且每一相的短路電流關斷時間最長為10ms，而三相全部關斷的時間為IOms?20ms，比斷路器脫扣時間減小一倍以上，因此可以更快速度的關斷短路電流，從而更好的保護雙饋風力發電系統中的變流器及其他核心部件。
[0034]如果併網開關裝置中的開關管採用的是門極可關斷晶閘管，因門極可關斷晶閘管為全控器件，當雙饋發電機定子電流發生短路故障時，控制單元會檢測到電流過大並報過流故障，此時會輸出一門極關斷信號給併網開關裝置，根據門極可關斷晶閘管的特性，會在幾十微秒內自動關斷，隔離短路電流，因此具有很好的短時間耐電流衝擊能力，從而避免在雙饋發電機定子電流發生短路故障時燒毀。
[0035]如圖7所示，為併網開關裝置4兩端電壓交叉點檢測原理圖，即將通過信號比較模塊612將信號檢測模塊611檢測到的併網開關裝置4電網AB相線電壓Vgab和雙饋發電機定子AB相線電壓Vsab進行比較，得到其差值Λ Vab=Vgab-Vsab,該信號比較模塊612可以由硬體電路實現，也可以由軟體程序實現。當AVab的絕對值大於或等於預設值即設定的閥值Vthd時，此時信號比較模塊612輸出第二比較結果S=l，則表示併網開關裝置兩端電壓差較大，不能併網；當AVab的絕對值小於設定的閥值Vthd時，此時信號比較模塊612輸出第一比較結果S=0，則表示併網開關裝置兩端電壓差很小，即接近圖5所示的併網開關裝置兩端電壓的電壓曲線交叉點，達到併網條件，可以併網，此時控制單元根據該比較結果輸出驅動信號至併網開關裝置，控制併網開關裝置中三個開關單元均處於導通狀態。上述預設值即設定的閥值Vthd可設為系統額定電壓幅值的2%，但不限於此。以1.5麗雙饋風力發電系統為例，假設其額定電壓幅值為975.66V (690V*1.414)，那麼閥值Vthd可設為19.5V(975.66V*2%)0
[0036]圖8為圖7中死區環節曲線圖，Vthd的值可參考上述所描述的進行設定。在-Vthd與+Vthd的區域值之間，輸出S值為0，即表示併網開關裝置兩端電壓差很小，達到併網條件，可以進行併網。[0037]在上述中是以通過檢測併網開關裝置兩端相對應的AB相線電壓進行比較控制為例，同樣的，也可通過檢測併網開關裝置兩端相對應的AC相線電壓或BC相線電壓進行比較控制。
[0038]因此，實施本實用新型雙饋型風力發電系統，通過採用併網開關裝置，該併網開關裝置包括三個分別接入每一相線路的開關單元，每個開關單元均包括反並聯連接的至少兩個開關管，而開關管採用晶閘管或門極可關斷晶閘管，因此完全可以控制在併網前接近電壓曲線交叉點時刻使其併網開關裝置處於導通狀態實現雙饋發電機與電網連通，此時雙饋發電機定子電壓與電網電壓之間的差值較小，因此併網衝擊電流非常小。此外，當雙饋發電機定子電流發生短路故障時，可以在很短的時間內關斷開關管，使併網開關裝置處於斷開狀態，隔離短路電流。
[0039]上面結合附圖對本實用新型的實施例進行了描述，但是本實用新型並不局限於上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本實用新型的保護之內。
【權利要求】
1.一種雙饋型風力發電併網系統，包括雙饋發電機、連接在所述雙饋發電機的定子與電網間的併網斷路器以及依次連接在所述雙饋發電機的轉子與所述併網斷路器間的變流器和主接觸器，其特徵在於，還包括連接在所述雙饋發電機的定子與所述併網斷路器間的併網開關裝置，其中:所述併網開關裝置包括三個分別接入每一相線路的開關單元，每個開關單元均包括反並聯連接的至少兩個開關管； 所述併網系統還包括控制單元，所述控制單元用於在併網開關裝置兩端相對應的任意兩相線電壓之間的差值的絕對值小於一預設值時，輸出驅動信號使三個開關單元都處於導通狀態以實現併網。
2.據權利要求1所述的雙饋型風力發電併網系統，其特徵在於，所述開關管為晶閘管。
3.據權利要求1所述的雙饋型風力發電併網系統，其特徵在於，所述開關管為門極可關斷晶閘管。
4.據權利要求2或3任一所述的雙饋型風力發電併網系統，其特徵在於，所述控制單元包括一信號檢測模塊，所述信號檢測模塊用於檢測所述併網開關裝置兩端相對應的任意兩相線電壓值。
5.據權利要求4所述的雙饋型風力發電併網系統，其特徵在於，所述控制單元還包括一信號比較模塊，所述信號比較模塊用於對所述線電壓值進行比較，並在其差值的絕對值小於所述預設值時輸出第一比較結果。
6.據權利要求5所述的雙饋型風力發電併網系統，其特徵在於，所述控制單元還包括一驅動信號模塊，所述驅動信號模塊用於在所述信號比較模塊輸出第一比較結果時輸出驅動信號給所述併網開關裝置。
【文檔編號】H02J3/38GK203787969SQ201420135627
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年3月24日 優先權日:2014年3月24日
【發明者】王志華, 韓玉, 宋建波 申請人:深圳市長昊機電有限公司