基於dvr的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置的製作方法
2023-12-11 16:01:42 2
專利名稱：基於dvr的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種能夠實現低電壓穿越的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置， 是基於串聯的動態電壓恢復器DVR實現的。
背景技術：
隨著風力發電的迅速發展，風電裝機容量不斷增大，在發電容量中所佔的比例也不斷提高。當電力系統中風電裝機容量比例較大時，電力系統故障導致電壓跌落後，風電場切除會嚴重影響系統運行的穩定性。有研究表明，當風力發電機具有低電壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力時，能提高整個電力系統的穩定性。因此世界上風電裝機比例較大的國家，如丹麥、德國、美國等頒布的風電併網規定中，都要求風電機組都具備 LVRT能力，保證電力系統發生故障後風電機組能夠不間斷併網運行。儘管各國對風電機組低電壓穿越能力的要求各不相同，但都包含如下幾個方面的內容，以我國頒布的風電場接入電力系統技術規定(Q/GDW 392-2009)為例a)風電場必須具有在電壓跌至20%額定電壓時能夠維持併網運行625ms的低電壓穿越能力；b)風電場電壓在發生跌落後3s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場必須保持併網運行；c)風電場升壓變高壓側電壓不低於額定電壓的90%時，風電場必須不間斷併網運行。目前我國的風電機組主要的類型有以下四種恆速恆頻異步發電機組、有限變速異步發電機組、變速恆頻雙饋發電機組和變速恆頻直驅發電機組。其中恆速恆頻異步發電機組和有限變速異步發電機組本身不具備LVRT能力；變速恆頻雙饋發電機組目前可以通過在轉子側加入Crowbar來使其具備LVRT能力，但控制比較複雜，並且穿越過程中需要從電網吸收無功功率；變速恆頻直驅發電機組由於採用了全功率變頻器，實現LVRT比較簡目前我國風電場中安裝的絕大多數風電機組都是恆速恆頻異步發電機組或者變速恆頻雙饋發電機組，而這些機組大多數都沒有低電壓穿越能力。因此對這些機組進行改造，使其具備低電壓穿越能力對於電網的穩定運行有著十分重要的意義。對恆速恆頻異步發電機組等改造最直接的方法是在異步發電機組後面加上一個類似於直驅風力發電機組用的全功率變換器，但這種方法的成本很高，而且全功率變換器的容量要隨著機組容量的變化而變化，通用性不好。除了全功率變換器方案之外還有基於無功補償方案，這種方案並不能保證風力發電機組可靠穿越，僅僅是支持幫助作用。因此需要一種結構簡單、使用方便、可靠性高的改造方案。動態電壓恢復器DVR (dynamic voltage restorers簡稱DVR)是一種保證電網供電質量的新型電力電子設備，具有電壓補償能力，它通過串聯方式對電能質量進行監控，當系統電壓出現短時跌落，可以在廣2毫秒內產生補償電壓，抵消系統電壓所受的幹擾。主要用於補償電網產生的電壓跌落，閃變和諧波等。它可在電源和敏感負載之間插入一個任意幅值和相位的電壓。當電源電壓畸變時，通過改變DVR的電壓，達到穩定敏感負載電壓的目的。目前，將傳統的動態電壓恢復器DVR加入其他的功能模塊用於風力發電機組低電壓穿越支撐裝置中，還未見諸報導和應用。
實用新型內容本實用新型的目的在於針對針對目前風力發電機組併網運行中普遍存在的低電壓穿越能力差，提供一種基於DVR的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置。本實用新型的目的是這樣實現的一種基於DVR的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置，其特徵在於，所述的低電壓穿越支撐裝置由動態電壓恢復器DVR、有功功率釋放電路、 網側無功電流注入逆變器和控制器組成，低電壓穿越支撐裝置位於風力發電機組與併網變壓器之間，低電壓穿越支撐裝置中的動態電壓恢復器DVR設有A埠、B埠和C埠，A 埠與B埠之間每相之間串聯對應的獨立工作單元，每個獨立工作單元均含有一個濾波器和一個H橋逆變器；所述DVR的A埠與風力發電機輸出端併網開關連接，DVR的B埠與電網連接，每相H橋逆變器的交流輸入側經濾波器濾波串聯在對應各相的A埠與B埠之間，輸入濾波器主要用來濾除H橋逆變器的高頻諧波；H橋逆變器的直流輸出側為C埠，C端中設有直流電容；無功電流注入逆變器設有AC埠和DC埠，無功電流注入逆變器的AC埠與動態電壓恢復器DVR的B埠並聯，直流母線支撐電容設在無功電流注入逆變器的DC埠 ；所述的H橋逆變器、無功電流注入逆變器和有功功率釋放電路的工作狀態均由控制器發出的控制信號控制。在本實用新型中，所述的C埠分別為三個H橋逆變器輸出側的獨立埠，或為三個H橋逆變器輸出側並聯後形成的一個公用埠。在本實用新型中，所述的DVR每相H橋逆變器濾波器輸入側分別以串聯的方式連接在風力發電機組輸出端與電網之間，或在風力發電機輸出端和電網之間分別串接一個隔離變壓器，每個濾波器的輸入側分別通過對應的隔離變壓器串接在主迴路中。在本實用新型中，在風力發電機低電壓穿越支撐裝置中還設有與動態電壓恢復器 DVR並聯的快速開關GK，所述的快速開關GK含有三個獨立單元，它們分別與動態電壓恢復器DVR的三個獨立工作單元對應。在本實用新型中，所述的快速開關GK是由功率雙向開關KG與強制關斷電路組成。在本實用新型中，所述的有功功率釋放電路為設在動態電壓恢復器DVR中C埠的直流卸荷單元DBU (DC Brake Unit)，或設在動態電壓恢復器DVR中A埠側的定子 Crowbar電路，所述的定子Crowbar電路設有AC埠和DC埠，定子Crowbar電路的AC埠與動態電壓恢復器DVR的A埠連接。在本實用新型中，所述的負載側的直流卸荷單元DBU為三個獨立的DBUp DBU2, DBU3,它們分別設在對應H橋逆變器單元輸出側的獨立CA、CB、C。埠 ；或為一個公用的DBU， 它設在三個獨立的H橋逆變器單元直流側並聯後的共用C埠。在本實用新型中，所述的設在動態電壓恢復器DVR中A埠側的定子Crowbar電路為含有直流卸荷單元DBU的定子Crowbar電路；或含功率雙向開關KG和交流均衡卸荷電阻的定子Crowbar電路。在本實用新型中，所述的功率雙向開關KG為SCR 或IGBT或其他可控關斷的功率開關器件。在本實用新型中，無功電流注入逆變器DC埠的直流母線電容與動態電壓恢復器DVR中C埠的直流卸荷單元DBU直流母線連接，或無功電流注入逆變器DC埠與定子 Crowbar電路設有的DC埠連接。在本實用新型中，所述的風力發電機組為恆速恆頻異步風力發電機組，或有限變速異步風力發電機組、變速恆頻雙饋發風力發電機組，或變速恆頻直驅風力發電機組。本實用新型的工作原理為當電網電壓跌落時DVR將輸出補償電壓使風力發電機組機端電壓保持穩定不變，同時風力發電機組輸出的有功功率將通過有功功率釋放單元消耗，網側無功電流注入逆變器將向電網輸入一定的無功電流以幫助電網電壓恢復。為了提高電網電壓正常時系統工作效率，也可以在電網正常時使DVR工作在準備模式，同時用快速開關將DVR短接。在電網電壓跌落時快速開關將快速分開，同時DVR將迅速從準備模式切換到電壓補償模式，電網電壓恢復時DVR將退回到準備模式同時快速開關將DVR短接。本實用新型的優點在於由於採用動態電壓恢復器DVR，可以使風力發電機系統具有完美的低電壓穿越能力，包含零電壓跌落、電壓對稱及不對稱、電網電壓恢復時的高電壓等在內的故障均能可靠穿越；電網跌落期間一直與電網保持連接，可以提供無功和有功功率的傳輸通道。本實用新型的優點還在於對風力發電機組的運行無影響，對風力發電機組的機械傳動系統無影響，大大避免電網故障對軸系產生的扭曲、振蕩等影響，提高風機的使用壽命；實施時無需對風力發電機組的主控制器和變槳控制器做任何的改動；故障後，風力發電機組能夠在2s之內恢復到之前的工作狀態，滿足電網對低電壓穿越的要求。本實用新型的優點還在於本實用新型在故障期間仍然可以給電網提供無功支持；對現有風力發電機組進行改造所需的成本低、可靠性高，而且不需要變槳系統、主控系統的配合。
圖1是一種適用於本實用新型的動態電壓恢復器DVR的原理示意圖；圖2是另一種適用於本實用新型的動態電壓恢復器DVR的原理示意圖；圖3是又一種適用於本實用新型的動態電壓恢復器DVR的原理示意圖；圖4是一種用於本實用新型的網側無功電流注入逆變器的原理示意圖；圖5是一種含有直流卸荷單元DBU的定子Crowbar電路的原理示意圖；圖6是一種含功率雙向開關和交流均衡卸荷電阻的定子Crowbar電路的原理示意圖；圖7是一種基於DVR的有功功率釋放電路採用定子Crowbar電路的低電壓穿越支撐裝置結構示意圖；圖8是另一種基於DVR的有功功率釋放電路採用定子Crowbar電路的低電壓穿越支撐裝置結構示意圖；圖9是又一種基於DVR的有功功率釋放電路採用定子Crowbar電路的低電壓穿越支撐裝置結構示意圖；圖10是又一種基於DVR的有功功率釋放電路採用定子Crowbar電路的低電壓穿越支撐裝置結構示意圖；圖11是一種基於DVR的有功功率釋放電路採用直流卸荷單元DBU的低電壓穿越支撐裝置結構示意圖；圖12是另一種基於DVR的有功功率釋放電路採用直流卸荷單元DBU的低電壓穿越支撐裝置結構示意圖；圖13是又一種基於DVR的有功功率釋放電路採用直流卸荷單元DBU的低電壓穿越支撐裝置結構示意圖。圖14是又一種基於DVR的有功功率釋放電路採用直流卸荷單元DBU的低電壓穿越支撐裝置結構示意圖。
具體實施方式
由圖1可見，動態電壓恢復器DVR的A埠與B埠之間設有三相獨立的H橋逆變器單元，每個獨立的H橋逆變器單元均設有一個濾波器和H橋逆變器，每相濾波器LBa、 LBb、LB。輸入側分別以串聯的方式設置在DVR的A埠與B埠之間，一端與風力發電機組對應輸出端連接，另一端由DVR的B埠與對應的電網連接，濾波後分別進入對應的各相H 橋逆變器UIA、UIB和UIc的交流輸入側。三個H橋逆變器UIA、UIB和UIc的輸出側並聯後形成DVR的C埠，C埠中設有直流電容Q。這種結構的動態電壓恢復器DVR可以在網側電壓跌落時對風力發電機組輸出端電壓實現同步補償。在本實施例中，C埠中還設有與直流電容C1並聯的直流卸荷單元DBU。H橋逆變器UIA、UIB和UIc以及直流卸荷單元DBU的控制信號均由控制器KZQ提供。由圖2可見，它與圖1的區別在於三個H橋逆變器UIA、UIb和UIc的輸出側分別為獨立的CA、Cb和Cc埠，CA、Cb和Cc埠中分別設有直流電容C1A、Cib和Clc。這種結構的動態電壓恢復器DVR可以在網側的任一相電壓跌落時對風力發電機組輸出端電壓的對應相實現補償，可以對風力發電機組輸出每相的有功功率進行獨立消耗。在本實施例中，CA、 Cb和Cc埠中還分別設有與直流電容C1A、Cib和Cic並聯的直流卸荷單元DBU^ DBU2, DBU30 H橋逆變器UIA、UIb和UIc以及各直流卸荷電路的控制信號均由控制器KZQ提供。由圖3可見，它與圖1的區別在於在與風力發電機組輸出端與電網各相之間分別設有一個隔離變壓器，隔離變壓器BA、 、 的原邊串接在主迴路中，每相中的濾波器輸入側分別與對應的隔離變壓器副邊對接，所述隔離變壓器的原邊一端由DVR的A埠與風力發電機組對應輸出端連接，另一端由DVR的B埠與對應的電網連接。這種結構的動態電壓恢復器DVR可以降低三個H橋逆變器功率開關的耐壓等級，降低器件成本。風力發電機組低電壓穿越支撐裝置中應該配置常規的無功功率補償裝置，圖4公開的無功功率補償裝置是一種無功電流注入逆變器，由圖可見，無功電流注入逆變器包括濾波器IA、逆變器UL1和直流電容C2,網側電壓由無功電流注入逆變器的AC端進入濾波器， 濾波後的信號進入逆變器UI1的輸入側，逆變器UI1的輸出側為無功電流注入逆變器的DC 端，DC端中設有直流母線電容C2。圖5公開的是一種含有直流卸荷單元DBU的定子Crowbar電路的原理示意圖，由圖可見，定子Crowbar電路包括濾波器、三相橋式整流電路ZL、直流母線電容C3和直流電阻 R，其輸入端為AC端，它與DVR的A埠並聯後與風力發電機組的輸出端對接。所述的濾波器設在AC端，濾波後的信號進入三相橋式整流電路ZL，三相橋式整流電路ZL的輸出端為定子Crowbar電路的DC端，直流電容C3和直流電阻R設在DC端中。這種方式的定子Crowbar 電路有功功率消耗控制簡單快速準確。圖6公開的是一種含功率雙向開關KG和交流均衡卸荷電阻的定子Crowbar電路， 由圖可見，定子Crowbar電路包括兩條並聯支路，其輸入端為AC端，它與DVR的A埠並聯後與風力發電機組的輸出端對接，風力發電機的輸出進入AC端後分為兩路，一路通過功率雙向開關KG提供給交流均衡卸荷電阻R1，另一路通過三相橋式整流電路ZL後提供給DC端輸出。這種方式的定子Crowbar電路其產生的諧波比圖5中的定子Crowbar要小，成本低。圖7為本實用新型的一種實施方式，在圖7中，動態電壓恢復器DVR以串接的方式設置在風力發電機組輸出端與電網之間，有功功率釋放電路為設在風力發電機組輸出端的定子Crowbar電路，所述的無功電流注入逆變器設在電網側，其中，DVR的A埠與風力發電機組對應輸出端連接，DVR的B埠與電網連接，定子Crowbar電路的AC端與DVR的 A埠並聯後與風力發電機組的輸出端對接，無功電流注入逆變器的AC端與電網側的三相對應相接。具體實施時，所述的定子Crowbar電路既可以採用圖5所述的含有直流卸荷單元DBU的定子Crowbar電路，也可以採用圖6所述的含功率雙向開關和交流均衡卸荷電阻的定子Crowbar電路；所述的DVR可以採用圖1、圖2、圖3中所述的任一種方式；所述的H 橋逆變器、無功電流注入逆變器和定子Crowbar電路的工作狀態均由控制器發出的控制信號控制。圖8是本實用新型的又一種實施方式，它與圖8的區別僅在於在風力發電機組輸出端中還設有與動態電壓恢復器DVR並聯的快速開關GK，所述的快速開關GK含有三個獨立的控制單元，它們分別與動態電壓恢復器DVR的三個獨立的H橋逆變器單元對應。所述的快速開關GK是由功率雙向開關KG與強制關斷電路組成，其中，功率雙向開關KG可以選擇 SCR或IGBT或其他可控關斷的功率開關器件(下同)。這種方式的特點是可以在電網電壓正常時將DVR短接，避免DVR帶來的損耗，提高系統工作效率。圖9是本實用新型的又一種實施方式，它與圖7的區別僅在於將定子Crowbar電路的DC端與無功電流注入逆變器的的DC端對接，其優點在於，在對網側提供無功補償的同時，還可以向電網提供部分有功功率。圖10是本實用新型的又一種實施方式，它與圖9的區別僅在於在風力發電機組輸出端中還設有與動態電壓恢復器DVR並聯的快速開關GK，所述的快速開關GK含有三個獨立的控制單元，它們分別與動態電壓恢復器DVR的三個獨立的H橋逆變器單元對應。這種方式的特點是可以在電網電壓正常時將DVR短接，避免DVR帶來的損耗，提高系統工作效率。圖11是本實用新型的又一種實施方式，它與圖7的區別在於有功功率釋放電路是採用有功功率釋放電路採用直流卸荷單元DBU，所述的直流卸荷單元DBU設在動態電壓恢復器DVR的C埠，直流卸荷單元DBU由可關斷功率開關和直流電阻組成。所述動態電壓恢復器DVR中的H橋逆變器、無功電流注入逆變器以及有功功率釋放電路DBU中的可關斷功率開關等，它們的工作狀態均由控制器發出的觸發信號控制。[0053]由圖12是本實用新型的又一種實施方式，它與圖11的區別在於在風力發電機組輸出端中還設有與動態電壓恢復器DVR並聯的快速開關GK，所述的快速開關GK含有三個獨立單元，它們分別與動態電壓恢復器DVR的三個獨立H橋逆變器單元對應。這種方式的特點是可以在電網電壓正常時將DVR短接，避免DVR帶來的功率損耗，提高系統工作效率。由圖13是本實用新型的又一種實施方式，它與圖11的區別在於將有功功率釋放電路採用的直流卸荷單元DBU的DC端與無功電流注入逆變器的的DC端對接，其優點在於， 在電網電壓跌落時對網側提供無功電流補償的同時，還可以向電網提供部分有功功率。由圖14是本實用新型的又一種實施方式，它與圖13的區別在於在風力發電機組輸出端中還設有與動態電壓恢復器DVR並聯的快速開關GK，所述的快速開關GK含有三個獨立單元，它們分別與動態電壓恢復器DVR的三個獨立H橋逆變器單元對應。這種方式的特點是可以在電網電壓正常時將DVR短接，避免DVR帶來的功率損耗，提高系統工作效率。圖T 14例舉了本實用新型在風力發電機組中的幾種具體實施方式
，並不是對本實用新型的具體限制。由上述實施方式可見，所述的動態電壓恢復器DVR中的每個濾波器的輸入側可以直接串接在風力發電機組輸出端與電網之間，也可以在通過隔離變壓器的方式串聯在主迴路中；動態電壓恢復器DVR的C埠可以分別為三個中各H橋逆變器輸出側的獨立埠，也可以將三個H橋逆變器輸出側並聯後形成一個公用埠 ；所述的風力發電機組可以擇一選擇以下機組恆速恆頻異步風力發電機組、有限變速異步風力發電機組、變速恆頻雙饋發風力發電機組和變速恆頻直驅風力發電機組。
權利要求1.一種基於DVR的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置，其特徵在於，所述的低電壓穿越支撐裝置由動態電壓恢復器DVR、有功功率釋放電路、網側無功電流注入逆變器和控制器組成，低電壓穿越支撐裝置位於風力發電機組與併網變壓器之間，低電壓穿越支撐裝置中的動態電壓恢復器DVR設有A埠、B埠和C埠，A埠與B埠之間每相之間串聯對應的獨立工作單元，每個獨立工作單元均含有一個濾波器和一個H橋逆變器；所述DVR的A 埠與風力發電機輸出端併網開關連接，DVR的B埠與電網連接，每相H橋逆變器的交流輸入側經濾波器濾波串聯在對應各相的A埠與B埠之間，輸入濾波器主要用來濾除 H橋逆變器的高頻諧波；H橋逆變器的直流輸出側為C埠，C端中設有直流電容；無功電流注入逆變器設有AC埠和DC埠，無功電流注入逆變器的AC埠與動態電壓恢復器DVR 的B埠並聯，直流母線支撐電容設在無功電流注入逆變器的DC埠 ；所述的H橋逆變器、 無功電流注入逆變器和有功功率釋放電路的工作狀態均由控制器發出的控制信號控制。
2.根據權利要求1所述的基於DVR的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置，其特徵在於， 所述的C埠分別為三個H橋逆變器輸出側的獨立埠，或為三個H橋逆變器輸出側並聯後形成的一個公用埠。
3.根據權利要求1或2所述的基於DVR的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置，其特徵在於，所述的DVR每相H橋逆變器濾波器輸入側分別以串聯的方式連接在風力發電機組輸出端與電網之間，或在風力發電機輸出端和電網之間分別串接一個隔離變壓器，每個濾波器的輸入側分別通過對應的隔離變壓器串接在主迴路中。
4.根據權利要求3所述的基於DVR的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置，其特徵在於， 在風力發電機低電壓穿越支撐裝置中還設有與動態電壓恢復器DVR並聯的快速開關GK，所述的快速開關GK含有三個獨立單元，它們分別與動態電壓恢復器DVR的三個獨立工作單元對應。
5.根據權利要求4所述的基於DVR的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置，其特徵在於， 所述的快速開關GK是由功率雙向開關KG與強制關斷電路組成。
6.根據權利要求3所述的基於DVR的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置，其特徵在於，所述的有功功率釋放電路為設在動態電壓恢復器DVR中C埠的直流卸荷單元DBU(DC Brake Unit)，或設在動態電壓恢復器DVR中A埠側的定子Crowbar電路，所述的定子 Crowbar電路設有AC埠和DC埠，定子Crowbar電路的AC埠與動態電壓恢復器DVR 的A埠連接。
7.根據權利要求6所述的基於DVR的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置，其特徵在於， 所述的負載側的直流卸荷單元DBU為三個獨立的DBUp DBU2, DBU3,它們分別設在對應H橋逆變器單元輸出側的獨立CA、CB、Cc埠 ；或為一個公用的DBU，它設在三個獨立的H橋逆變器單元直流側並聯後的共用C埠。
8.根據權利要求6所述的基於DVR的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置，其特徵在於， 所述的設在動態電壓恢復器DVR中A埠側的定子Crowbar電路為含有直流卸荷單元DBU 的定子Crowbar電路；或含功率雙向開關KG和交流均衡卸荷電阻的定子Crowbar電路。
9.根據權利要求5或8所述的基於DVR的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置，其特徵在於，所述的功率雙向開關KG為SCR 或IGBT或其他可控關斷的功率開關器件。
10.根據權利要求6所述的基於DVR的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置，其特徵在於，無功電流注入逆變器DC埠的直流母線電容與動態電壓恢復器DVR中C埠的直流卸荷單元DBU直流母線連接，或無功電流注入逆變器DC埠與定子Crowbar電路設有的DC 埠連接。
11.根據權利要求1或2所述的基於DVR的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置，其特徵在於，所述的風力發電機組為恆速恆頻異步風力發電機組，或有限變速異步風力發電機組、 變速恆頻雙饋發風力發電機組，或變速恆頻直驅風力發電機組。
專利摘要本實用新型涉及一種基於DVR的風力發電機組低電壓穿越支撐裝置，所述的低電壓穿越支撐裝置由動態電壓恢復器DVR、有功功率釋放電路、網側無功電流注入逆變器和控制器組成，DVR設有A埠、B埠和C埠，其中A埠與風力發電機組輸出端連接，B埠與電網連接，DVR的濾波器輸入側以串聯的方式接入主迴路中，H橋逆變器的輸出側為C埠，C端中設有直流電容；無功電流注入逆變器設有AC和DC埠，AC埠與DVR的B埠連接，直流母線電容設在DC埠；定子Crowbar設有AC和DC埠，AC埠與DVR的A埠連接，直流母線電容設在DC埠；DVR的工作狀態均由控制器發出的觸發信號控制。
文檔編號H02J3/38GK202206146SQ201120308229
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月23日 優先權日2011年8月23日
發明者廖恩榮, 李志國, 李更生, 王中, 辛志遠, 黃曉輝 申請人:南京颶能電控自動化設備製造有限公司