專(zhuān)利名稱(chēng)：復(fù)合型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于可再生能源領(lǐng)域，涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制技術(shù)，特別涉及一種復(fù)合型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制裝置及控制方法。
背景技術(shù)：
隨著風(fēng)電功率的迅速增加，風(fēng)電在電力系統(tǒng)中所占比重越來(lái)越大，由于風(fēng)電并網(wǎng)引起的問(wèn)題也日益受到廣泛的關(guān)注。低電壓穿越是風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)最為突出和迫切需要解決的問(wèn)題。當(dāng)系統(tǒng)電壓由于故障等原因發(fā)生跌落時(shí)，會(huì)給風(fēng)機(jī)帶來(lái)一系列的暫態(tài)過(guò)程，如出現(xiàn)過(guò)電壓、過(guò)電流或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升等問(wèn)題，對(duì)風(fēng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的安全造成嚴(yán)重的威脅。所以，一般情況下若電網(wǎng)出現(xiàn)故障風(fēng)機(jī)就實(shí)施被動(dòng)式自我保護(hù)而立即解列，而當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落后，風(fēng)機(jī)的大量切除會(huì)導(dǎo)致局部電網(wǎng)發(fā)生有功缺額，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量構(gòu)成嚴(yán)重威脅，造成巨大損失。各國(guó)相繼制定了定量的風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則，對(duì)風(fēng)電機(jī)組拖網(wǎng)的條件提出了越來(lái)越高的約束和要求。目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的的風(fēng)機(jī)類(lèi)型有三種，即直接并網(wǎng)的定速異步電機(jī)(FSIG)，同步直驅(qū)式風(fēng)機(jī)(PMSG)和雙饋異步式風(fēng)機(jī)(DFIG)。其中FSIG和DFIG都是定子側(cè)直接聯(lián)接電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓降落會(huì)直接反映在定子端電壓上，導(dǎo)致定子磁鏈出現(xiàn)直流成分甚至負(fù)序分量，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)子過(guò)電壓和過(guò)電流。DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)接有變流器，對(duì)過(guò)電壓過(guò)電流的承受能力比較弱，而且變流器輸入輸出功率不匹配會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓的劇烈變化，對(duì)直流電容和變流器都造成嚴(yán)重危害。另外由于定子電壓跌落時(shí)，電機(jī)輸出功率降低，若對(duì)捕獲率不控制， 必然導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。對(duì)于PMSG，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)不存在直接耦合，但仍然存在功率不匹配將導(dǎo)致直流母線電壓上升的問(wèn)題。由于DFIG是目前最廣泛使用的風(fēng)機(jī)，而且DFIG在低電壓故障發(fā)生的時(shí)候問(wèn)題最嚴(yán)重復(fù)雜，很多學(xué)者對(duì)低電壓穿越問(wèn)題都以DFIG為主要研究對(duì)象。目前比較常見(jiàn)的解決方法主要有兩種，一種是改進(jìn)DFIG的控制策略，例如改進(jìn)的矢量控制和魯棒控制器。另一種是加裝硬件設(shè)備。雖然改進(jìn)的矢量控制和魯棒控制無(wú)需增加任何硬件設(shè)備，而是通過(guò)對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略的改進(jìn)使DFIG實(shí)現(xiàn)LVRT，但其控制效果往往受到勵(lì)磁變頻器容量的限制，在一些嚴(yán)重故障下無(wú)法實(shí)現(xiàn)LVRT運(yùn)行。加裝CROWBAR和串聯(lián)補(bǔ)償是硬件LVRT的主要方式。其中使用CROWBAR的優(yōu)點(diǎn)是可以確保勵(lì)磁變頻器的安全，加快故障電流的衰減，缺點(diǎn)是CROWBAR動(dòng)作期間將短接DFIG轉(zhuǎn)子繞組，使DFIG變?yōu)椴⒕W(wǎng)籠型異步發(fā)電機(jī)，需從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功功率以作勵(lì)磁，這將非常不利于電網(wǎng)故障的迅速恢復(fù)。隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，大功率電力電子器件的成本越來(lái)越低，這就為電力電子器件為主體的新型控制裝置提供了越來(lái)越廣闊的平臺(tái)?；陂_(kāi)關(guān)器件的控制裝置具有速度快，精度高，控制方便靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為克服低電壓穿越問(wèn)題極具潛力的解決方法
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是在電網(wǎng)低電壓運(yùn)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)跌落電壓的補(bǔ)償并向系統(tǒng)輸出無(wú)功功率，可以使風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)故障期間安全穩(wěn)定的運(yùn)行，并且?guī)椭到y(tǒng)從故障中恢復(fù)。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明是一種復(fù)合型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制裝置， 該低電壓穿越控制裝置包括串聯(lián)變流器、串聯(lián)耦合變壓器、并聯(lián)變流器、并聯(lián)耦合變壓器、 直流環(huán)節(jié)、旁路開(kāi)關(guān)和控制器，其中串聯(lián)耦合變壓器的副邊接在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和升壓變壓器之間，串聯(lián)耦合變壓器的原邊與串聯(lián)變流器連接；并聯(lián)耦合變壓器的原邊與并聯(lián)變流器連接， 并聯(lián)耦合變壓器的副邊并聯(lián)接在升壓變壓器的低壓側(cè)；串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器直流側(cè)均接到直流環(huán)節(jié)；控制器的控制端分別接串聯(lián)變流器、并聯(lián)變流器和直流環(huán)節(jié)；旁路開(kāi)關(guān)并聯(lián)在串聯(lián)耦合變壓器的副邊兩端；該低電壓穿越控制裝置整體接在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和升壓變壓器的低壓側(cè)之間。所述串聯(lián)變流器包括功率器件、電阻元件、電感元件和電容元件；功率器件按照三相全橋整流電路的方式連接，電阻元件一端與三相橋式電路輸出的一相連接，另一端與電感元件串聯(lián)，電感元件再串聯(lián)電容元件，電容元件兩端與串聯(lián)耦合變壓器原邊兩側(cè)并聯(lián)。所述的旁路開(kāi)關(guān)所使用的器件為雙向晶閘管器件。所述的風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越控制裝置的控制方法為控制器實(shí)時(shí)采集升壓變壓器低壓側(cè)的三相電壓，通過(guò)計(jì)算和分析判斷是否發(fā)生故障，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)旁路開(kāi)關(guān)關(guān)斷，啟動(dòng)串聯(lián)電壓補(bǔ)償，使風(fēng)機(jī)端電壓維持在無(wú)故障水平。檢測(cè)風(fēng)機(jī)向電網(wǎng)輸出電流，實(shí)時(shí)提供無(wú)功和諧波補(bǔ)償。風(fēng)機(jī)由于故障未能及時(shí)輸出的功率存儲(chǔ)到該裝置的直流環(huán)節(jié)。本發(fā)明的效果和益處是采用串并聯(lián)變流器相結(jié)合的方式，使風(fēng)機(jī)全面實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。在故障期間，該裝置串聯(lián)部分能保持風(fēng)機(jī)出口電壓不降低，維持在未發(fā)生故障的水平，避免了低電壓故障時(shí)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部可能會(huì)發(fā)生的過(guò)電流和過(guò)電壓，使風(fēng)機(jī)系統(tǒng)免受故障的影響和損害。風(fēng)機(jī)未能及時(shí)輸出的功率通過(guò)串聯(lián)部分存儲(chǔ)到直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件(超級(jí)電容)上，避免了 CROWBAR等解決方案帶來(lái)的發(fā)熱和能量浪費(fèi)。并聯(lián)部分能向系統(tǒng)提供無(wú)功功率，可以幫助系統(tǒng)電壓快速恢復(fù)正常，避免了 CROWBAR對(duì)系統(tǒng)恢復(fù)的不利影響。正常運(yùn)行時(shí)，該裝置還可以有效改善風(fēng)電場(chǎng)輸出的電能質(zhì)量。本發(fā)明不需要對(duì)已有的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)做任何改造，可以作為獨(dú)立的控制模塊，加裝在已經(jīng)投運(yùn)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)輸出端口。


圖1是加裝了本發(fā)明的低電壓穿越裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖。圖2是低電壓穿越裝置串聯(lián)補(bǔ)償?shù)目刂瓶驁D。圖中1串聯(lián)變流器；2串聯(lián)耦合變壓器；3并聯(lián)變流器；4并聯(lián)耦合變壓器；5直流環(huán)節(jié)；6旁路開(kāi)關(guān)；7控制器；8風(fēng)機(jī)系統(tǒng)；9升壓變壓器。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。復(fù)合型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制裝置，包括串聯(lián)變流器、串聯(lián)耦合變壓器、并聯(lián)變流器、并聯(lián)耦合變壓器、直流環(huán)節(jié)、旁路開(kāi)關(guān)和控制器，其中串聯(lián)耦合變壓器的副邊接在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和升壓變壓器之間，串聯(lián)耦合變壓器的原邊與串聯(lián)變流器連接；并聯(lián)耦合變壓器的原邊與并聯(lián)變流器連接，并聯(lián)耦合變壓器的副邊并聯(lián)接在升壓變壓器的低壓側(cè)；串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器直流側(cè)均接到直流環(huán)節(jié)；控制器的控制端分別接串聯(lián)變流器、并聯(lián)變流器和直流環(huán)節(jié)；旁路開(kāi)關(guān)并聯(lián)在串聯(lián)耦合變壓器的副邊兩端；該低電壓穿越控制裝置整體接在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和升壓變壓器的低壓側(cè)之間。所述串聯(lián)變流器包括功率器件、電阻元件、電感元件和電容元件；功率器件按照三相全橋整流電路的方式連接，電阻元件一端與三相橋式電路輸出的一相連接，另一端與電感元件串聯(lián)，電感元件再串聯(lián)電容元件，電容元件兩端與串聯(lián)耦合變壓器原邊兩側(cè)并聯(lián)。所述的旁路開(kāi)關(guān)所使用的器件為雙向晶閘管器件。在本發(fā)明中所述的風(fēng)電機(jī)低電壓穿越控制裝置通過(guò)控制器實(shí)時(shí)采集升壓變壓器低壓側(cè)的三相電壓，通過(guò)計(jì)算和分析判斷是否發(fā)生故障，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)旁路開(kāi)關(guān)關(guān)斷，啟動(dòng)串聯(lián)電壓補(bǔ)償，使風(fēng)機(jī)端電壓維持在無(wú)故障水平?？刂破魍瑫r(shí)檢測(cè)風(fēng)機(jī)出口電流，計(jì)算無(wú)功和諧波電流的需求量，實(shí)時(shí)提供無(wú)功和諧波補(bǔ)償。風(fēng)機(jī)由于故障未能及時(shí)輸出的功率存儲(chǔ)到該裝置的直流環(huán)節(jié)。電壓補(bǔ)償部分采用了比例諧振控制，可以使三相電壓?jiǎn)为?dú)控制，適合于平衡和不平衡的電網(wǎng)故障的各種情況。并且使用時(shí)滯濾波器對(duì)輸出的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大減少了由于濾波參數(shù)造成的電壓過(guò)渡振蕩。在本發(fā)明中所述控制器包括串聯(lián)部分控制、并聯(lián)部分控制和直流環(huán)節(jié)控制(直流環(huán)節(jié)的控制不屬于本發(fā)明保護(hù)范圍，不詳細(xì)說(shuō)明)。串聯(lián)變流器的控制通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)升壓變壓器低壓側(cè)的三相電壓，并且和期望的電壓值即參考電壓進(jìn)行比較，如果偏差超過(guò)設(shè)定上限，則判定為電網(wǎng)故障狀態(tài)，發(fā)出關(guān)斷信號(hào)關(guān)斷所述的旁路開(kāi)關(guān)器件，并開(kāi)始控制串聯(lián)變流器的功率器件的通斷，補(bǔ)償電壓的跌落。 通過(guò)其前一周波輸出功率預(yù)估每個(gè)周波內(nèi)串聯(lián)部分流過(guò)電流的參考值‘，風(fēng)機(jī)端的參考電壓與實(shí)時(shí)檢測(cè)的電網(wǎng)側(cè)電壓ug做差，再減去參考電流/L在串聯(lián)耦合變壓器和線路的阻抗上產(chǎn)生的壓降，就得到了串聯(lián)變流器的參考輸出電壓基本值W^。由于在計(jì)算該值采用的阻抗參數(shù)為測(cè)量得到，會(huì)與實(shí)際值有偏差，所以再疊加一個(gè)分量來(lái)進(jìn)行修正。該分量是通過(guò)比較和實(shí)際的風(fēng)機(jī)端口電壓Uwe。再經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)得到的，這樣就得到了串聯(lián)變流器的參考輸出電壓最終值。該值與實(shí)際測(cè)量的串聯(lián)變流器輸出電壓進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)比例諧振調(diào)節(jié)器和時(shí)滯濾波器得到PWM調(diào)制的目標(biāo)值，從而得到串聯(lián)變流器各個(gè)功率器件的開(kāi)通關(guān)斷驅(qū)動(dòng)脈沖。并聯(lián)變流器的控制故障期間，實(shí)時(shí)檢測(cè)升壓變壓器低壓側(cè)向電網(wǎng)輸出的電流，利用瞬時(shí)無(wú)功理論求得此時(shí)需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功和諧波分量，并且向電網(wǎng)輸出相應(yīng)大小的電流。 根據(jù)并聯(lián)變流器所采用功率器件的功率范圍設(shè)定輸出電流的上限，如果指令值超出上限， 則運(yùn)行在最大輸出的模式，盡量多的補(bǔ)償系統(tǒng)所需無(wú)功。電網(wǎng)正常時(shí)，則需要根據(jù)直流環(huán)節(jié)電壓和參考電壓的比較，經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)確定出有功電流的指令值，以這種方法來(lái)實(shí)時(shí)維持直流環(huán)節(jié)的電壓穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。而故障期間，直流環(huán)節(jié)的電壓控制則由主要直流環(huán)節(jié)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。由圖1可見(jiàn)，含所述低電壓穿越控制裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其連接方式是低電壓穿越控制裝置串接與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)輸出端與升壓變壓器的低壓側(cè)之間。低電壓穿越控制裝置包括串聯(lián)變流器、串聯(lián)耦合變壓器、并聯(lián)變流器、并聯(lián)耦合變壓器、直流環(huán)節(jié)、旁路開(kāi)關(guān)和控制器。串聯(lián)耦合變壓器的副邊接在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和升壓變壓器之間，串聯(lián)耦合變壓器的原邊與串聯(lián)變流器連接；并聯(lián)耦合變壓器的副邊并聯(lián)接在升壓變壓器的低壓側(cè)；串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器直流側(cè)均接到直流環(huán)節(jié)；控制器的控制端分別接串聯(lián)變流器、并聯(lián)變流器和直流環(huán)節(jié)。 由圖2可見(jiàn)，控制器分別連接到串聯(lián)變流器，并聯(lián)變流器和直流環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)三者的協(xié)調(diào)控制，共同完成了風(fēng)電機(jī)低電壓穿越功能。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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串聯(lián)變流器(1)、串聯(lián)耦合變壓器( 、并聯(lián)變流器C3)、并聯(lián)耦合變壓器(4)、直流環(huán)節(jié) (5)、旁路開(kāi)關(guān)(6)和控制器(7)，其中串聯(lián)耦合變壓器(2)的副邊接在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)⑶和升壓變壓器(9)的低壓側(cè)之間，串聯(lián)耦合變壓器O)的原邊與串聯(lián)變流器(1)連接；并聯(lián)耦合變壓器的副邊并聯(lián)接在升壓變壓器(9)的低壓側(cè)，并聯(lián)耦合變壓器的原邊與并聯(lián)變流器⑶連接；串聯(lián)變流器⑴和并聯(lián)變流器⑶直流側(cè)均接到直流環(huán)節(jié)(5)；控制器 (7)的控制端分別接串聯(lián)變流器(1)、并聯(lián)變流器(3)和直流環(huán)節(jié)(5)；旁路開(kāi)關(guān)(6)并聯(lián)在串聯(lián)耦合變壓器O)的副邊兩端；該低電壓穿越控制裝置整體接在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)(8)和升壓變壓器(9)的低壓側(cè)之間。
2.一種復(fù)合型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制方法，其特征在于該控制方法為控制器 (7)實(shí)時(shí)采集升壓變壓器(9)低壓側(cè)的三相電壓，通過(guò)計(jì)算和分析判斷是否發(fā)生故障，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)旁路開(kāi)關(guān)關(guān)斷，啟動(dòng)串聯(lián)電壓補(bǔ)償；升壓變壓器(9)低壓側(cè)向電網(wǎng)輸出電流，計(jì)算電流中的無(wú)功和諧波含量，提供無(wú)功和諧波補(bǔ)償；正常狀態(tài)下，并聯(lián)變流器(3)調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓穩(wěn)定，電網(wǎng)向直流電容充電，故障狀態(tài)下，通過(guò)直流環(huán)節(jié)(5)的控制保持直流母線電壓穩(wěn)定。
全文摘要
一種復(fù)合型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制裝置及控制方法，屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓控制技術(shù)領(lǐng)域。其特征是采用串聯(lián)和并聯(lián)補(bǔ)償相結(jié)合的方式，在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時(shí)，可以對(duì)風(fēng)機(jī)端口電壓實(shí)現(xiàn)全相補(bǔ)償，并且將風(fēng)機(jī)來(lái)不及輸出的功率通過(guò)串聯(lián)部分存儲(chǔ)到儲(chǔ)能元件，正常和故障狀態(tài)均可以實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功功率和諧波。該裝置尤其適用于已經(jīng)投運(yùn)的機(jī)組，不需要對(duì)已有機(jī)組的結(jié)構(gòu)和控制做任何改動(dòng)。本發(fā)明的效果和益處是可以通過(guò)電壓全相補(bǔ)償使風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)故障期間免受故障影響正常運(yùn)行，從而保證風(fēng)機(jī)在故障期間不會(huì)因自我保護(hù)而脫網(wǎng)，并且大大減少了故障期間電磁振蕩對(duì)風(fēng)機(jī)的不利影響和損害。在故障期間對(duì)電網(wǎng)表現(xiàn)為一個(gè)無(wú)功電源，有助于電網(wǎng)電壓的快速恢復(fù)。
文檔編號(hào)H02J3/38GK102280901SQ201110193620
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月1日
發(fā)明者孫輝, 白俊 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)