基于改進Crowbar的雙饋風(fēng)力發(fā)電機低電壓穿越控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電路成本低、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、控制策略簡單的雙饋式風(fēng)電改進的Crowbar電路，改進的Crowbar電路既實現(xiàn)了現(xiàn)有Crowbar電路對雙饋風(fēng)力發(fā)電機的保護要求，又克服了現(xiàn)有Crowbar電路在電壓跌落過程中無法實現(xiàn)低電壓穿越的要求。其主要是通過在定子側(cè)配置Crowbar保護電路以改善轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護電路不能向電網(wǎng)提供無功支持的缺點。其主要特征在于：在電壓跌落幅度小于轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制的極限值時，通過轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制；當(dāng)電壓跌落幅度大于轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制的極限值時，通過轉(zhuǎn)子勵磁電壓和Crowbar保護電路共同作用。通過應(yīng)用本發(fā)明方法，能在較大范圍電壓跌落的情況下，有效提高低電壓穿越能力，使雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)可以始終保持與電網(wǎng)相連，提高了風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【專利說明】基于改進Crowbar的雙饋風(fēng)力發(fā)電機低電壓穿越控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域,尤其是涉及一種改進的Crowbar電路的DFIG低電壓穿越控制。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電的裝機容量逐年上升，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致電壓跌落后，如果風(fēng)力發(fā)電機組都解列將會帶來電力系統(tǒng)的暫態(tài)不穩(wěn)定，并可能導(dǎo)致局部甚至系統(tǒng)全面癱瘓。因此電力系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電場的運行提出了一系列的要求，包括電網(wǎng)故障穿越能力，即風(fēng)機并網(wǎng)點電壓跌落時，風(fēng)機能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率以支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)，直到電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，從而“穿越”這個低電壓時間。隨著風(fēng)電電網(wǎng)穿透率的提高，國家相關(guān)機構(gòu)已經(jīng)出臺了標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，要求風(fēng)力發(fā)電機必須具備低電壓穿越功能，這使得雙饋風(fēng)力發(fā)電的低電壓穿越問題成為當(dāng)前研究的熱點問題。
[0003]電網(wǎng)故障引起的風(fēng)機并網(wǎng)點電壓跌落會給雙饋風(fēng)力發(fā)電機組帶來兩大方面的影響:一是在發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生過電流，二是導(dǎo)致雙饋風(fēng)力發(fā)電機脫網(wǎng)運行。由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機組中的電力電子變換器與全功率風(fēng)電機組的變換器相比功率等級較小，所以在電壓跌落過程中要實現(xiàn)對雙饋電機保護。從電網(wǎng)來說，風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則規(guī)定，在發(fā)生電壓跌落故障時，雙饋電機能夠不脫網(wǎng)運行并向電網(wǎng)提供無功支撐。所以低電壓穿越問題是雙饋風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計控制技術(shù)的重要挑戰(zhàn)，直接關(guān)系到風(fēng)電滲透下的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0004]目前，對電網(wǎng)電壓跌落故障下DFIG機組的瞬態(tài)特性及提高其LVRT能力的研究主要分為兩個方面:一方面是尋求新的控制策略，其優(yōu)點是不需要增加額外的成本，但出現(xiàn)較為嚴(yán)重的電壓跌落，單純靠控制策略的改進難以實現(xiàn)低壓穿越；另方面是增加硬件設(shè)備的方法，增加硬件設(shè)備不僅使風(fēng)電設(shè)備的成本上升，而且使得控制更加復(fù)雜。目前提出的不增加額外硬件的控制方法很多，但是均無法達到實際應(yīng)用的效果。而附加硬件的方法主要是在雙饋電機轉(zhuǎn)子側(cè)配置Crowbar保護電路。
[0005]目前，轉(zhuǎn)子側(cè)配置Crowbar保護電路是一種比較常用的低電壓穿越控制方法，該方法在電網(wǎng)故障時，通過Crowbar電阻短接，切除發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁電源，通過轉(zhuǎn)子旁路保護電阻釋放能量從而減小轉(zhuǎn)子回路的過電流，保護電機。然而，在Crowbar電路短接后，雙饋電機相當(dāng)于普通感應(yīng)發(fā)電機運行。由于感應(yīng)電機運行時會從電網(wǎng)吸收無功，不利于電網(wǎng)故障恢復(fù)，嚴(yán)重時會導(dǎo)致脫網(wǎng)運行，因此發(fā)電機無法參與故障過程中的系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)，無法滿足電網(wǎng)運行規(guī)程對無功功率的要求，對暫態(tài)過程中的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性不利，使其難以滿足日趨苛刻的風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的雙饋式風(fēng)電改進的Crowbar保護電路。以往的Crowbar電路通過在轉(zhuǎn)子側(cè)短接旁路電阻來實現(xiàn)限制大電流、保護勵磁變流器的作用，而改進的Crowbar電路則是在定子回路中串接電感來減小暫態(tài)電流，既滿足對雙饋電機的保護的要求又滿足對電網(wǎng)提供無功支持的要求。
[0007]本發(fā)明的目的可采用如下技術(shù)方案加以實現(xiàn):
本發(fā)明提供了一種雙饋風(fēng)力發(fā)電改進的Crowbar保護電路，以往的Crowbar電路是安裝在轉(zhuǎn)子側(cè)而改進的Crowbar電路則是在安裝在定子側(cè)；以往的Crowbar電路是通過電阻短接實現(xiàn)對雙饋電機的保護而改進的Crowbar電路則是通過串接電感來實現(xiàn)限流保護電機。
[0008]本發(fā)明提供了一種雙饋風(fēng)力發(fā)電改進的Crowbar保護電路，由控制開關(guān)K和保護電感構(gòu)成。
[0009]對電壓跌落過程中電流的表達式分析可知存在以下三種分量:諧波分量，基波分量以及直流分量。由于直流分量很小，在限制轉(zhuǎn)子電流時可忽略不計，在兩種交流分量中諧波分量和基波分量的幅值很大，在兩種交流分量中幅值的大小均取決于電機的參數(shù)，運行狀態(tài)及轉(zhuǎn)子的勵磁電壓。其中諧波分量會影響電網(wǎng)電能的質(zhì)量，使電網(wǎng)電能質(zhì)量變差，故在電壓跌落時控制轉(zhuǎn)子的勵磁電壓即可限制電壓跌落時的沖擊電流消除諧波以達到風(fēng)力發(fā)電機不脫網(wǎng)運行的目的。
[0010]通過檢測裝置實時檢測雙饋電機并網(wǎng)點處電網(wǎng)電壓。
[0011]將檢測到的上述電網(wǎng)電壓與設(shè)定的開關(guān)K動作值比較，當(dāng)檢測到雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)點電壓跌落幅度小于開關(guān)K動作值即轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制策略的極限值時，只需控制轉(zhuǎn)子勵磁電壓實現(xiàn)低電壓穿越。
[0012]當(dāng)檢測到雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)點電壓跌落幅度大于開關(guān)K動作值即轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制策略的極限值時，由控制電路控制開關(guān)K閉合，雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的改進的Crowbar電路將投入運行同時通過控制轉(zhuǎn)子勵磁電壓實現(xiàn)低電壓穿越。
[0013]當(dāng)檢測到雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)點電壓跌落為O時，雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的改進的Crowbar電路將投入運行,只需改進的Crowbar電路便可實現(xiàn)短路保護。
[0014]在故障發(fā)生期間，當(dāng)所述改進的Crowbar電路投入運行后并網(wǎng)點電壓小于Crowbar保護動作門濫值時,所述改進的Crowbar電路退出運行。
[0015]發(fā)明的有益效果體現(xiàn)如下。
[0016]1、雙饋電機改進的Crowbar克服了轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路的不足,可以實現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機在電壓跌落時向電網(wǎng)提供無功功率幫助電網(wǎng)故障恢復(fù)實現(xiàn)低電壓穿越。
[0017]2、雙饋電機改進的Crowbar保護實現(xiàn)了原有Crowbar可以在發(fā)生短路故障時實現(xiàn)短路保護的效果。
[0018]3、本發(fā)明改進的Crowbar保護電路成本低、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、控制策略簡單，可廣泛應(yīng)用于雙饋式風(fēng)力發(fā)電機的低電壓穿越中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明一種雙饋式風(fēng)電改進的Crowbar保護電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為圖1的局部放大圖。
[0021 ] 圖3電壓跌落到60%時電流的仿真圖。
[0022]圖4電壓跌落到60%時通過轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制電流的仿真圖。[0023]圖5電壓跌落到60%時通過轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制有功功率P的仿真圖。
[0024]圖6電壓跌落到60%時通過轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制無功功率Q的仿真圖。
[0025]圖7電壓跌落到20% (我國電壓跌落的極限為電壓跌落到20%)電流的仿真圖。
[0026]圖8電壓跌落到20%時單純通過轉(zhuǎn)子勵磁電壓無法實現(xiàn)限定電流在2 (p.u.)以內(nèi)的仿真圖。
[0027]圖9電壓跌落到20%時轉(zhuǎn)子勵磁電壓和Crowbar電路共同作用的仿真圖。
[0028]圖10電壓跌落到20%時轉(zhuǎn)子勵磁電壓和Crowbar電路共同作用后有功功率P的仿真圖。
[0029]圖11電壓跌落到20%時轉(zhuǎn)子勵磁電壓和Crowbar電路共同作用后無功功率Q的仿真圖。
[0030]圖12短路時電流的仿真圖。
[0031 ]圖13短路時Crowbar電路作用的電流仿真圖。
【具體實施方式】
[0032]參見圖1、2，本實施例中，改進的Crowbar電路由控制開關(guān)K和保護電感構(gòu)成。
[0033]實現(xiàn)改進的Crowbar保護電路功能，具體步驟如下。
[0034]I)由控制電路監(jiān)測雙饋風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)點處電網(wǎng)電壓。
[0035]2)將檢測到的上述電網(wǎng)電壓與設(shè)定的開關(guān)K動作值比較，如果電網(wǎng)電壓跌落的幅度小于開關(guān)K動作值即轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制策略的極限值時，僅僅通過控制策略控制轉(zhuǎn)子勵磁電壓來實現(xiàn)低電壓穿越。
[0036]3)當(dāng)監(jiān)測到的電網(wǎng)電壓跌落幅度大于開關(guān)K動作值即轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制策略的極限值時，通過控制單元控制開關(guān)K斷開,將改進的Crowbar電感接入,從而將雙饋電機定子回路中接入保護電感，通過定子加裝電感同時使用控制策略控制轉(zhuǎn)子勵磁電壓來衰減暫態(tài)電流。
[0037]4)當(dāng)監(jiān)測到的電網(wǎng)電壓跌落到O時，通過控制單元控制開關(guān)K斷開，將改進的Crowbar電感接入定子電感,使定子回路加裝電感來實現(xiàn)短路保護。
[0038]5)由電壓監(jiān)測單元監(jiān)測到電網(wǎng)的電壓值恢復(fù)后，通過控制單元控制開關(guān)K閉合，將旁路電感切除，雙饋風(fēng)力發(fā)電機正常運行。
[0039]6)經(jīng)過上述操作之后，低電壓穿越控制系統(tǒng)又恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測到下一次電網(wǎng)電壓跌落時再重復(fù)上述操作。
[0040]以一臺1.5MW的典型雙饋風(fēng)力發(fā)電機組在電壓跌落故障情況下的運行情況為例，說明本發(fā)明控制方法的有效性。
【權(quán)利要求】
1.一種雙饋式風(fēng)電改進的Crowbar保護電路，由由控制開關(guān)K和保護電感構(gòu)成。
2.本發(fā)明提供一種成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的雙饋式風(fēng)電改進的Crowbar保護電路，以往的Crowbar電路通過在轉(zhuǎn)子側(cè)短接旁路電阻來實現(xiàn)限制大電流、保護勵磁變流器的作用，而改進的Crowbar電路則是在定子回路中串接電感來減小暫態(tài)電流實現(xiàn)對雙饋電機的保護。
3.—種權(quán)利要求1、2所述的雙饋式風(fēng)電改進的Crowbar保護電路其特征在于:可以實現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機在電壓跌落時實現(xiàn)對發(fā)電機的保護以及向電網(wǎng)提供無功功率幫助電網(wǎng)故障恢復(fù)實現(xiàn)低電壓穿越；在發(fā)生短路故障時實現(xiàn)對雙饋電機的短路保護。
4.本發(fā)明通過改進的Crowbar和轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制相結(jié)合的控制方法實現(xiàn)電壓跌落時低電壓穿越以及短路保護，具體步驟如下； 1)通過檢測裝置實時檢測雙饋電機并網(wǎng)點處電網(wǎng)電壓； 2)將檢測到的上述電網(wǎng)電壓與設(shè)定的開關(guān)K動作值比較，當(dāng)檢測到雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)點電壓跌落幅度小于開關(guān)K動作值即轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制策略的極限值時，只需控制轉(zhuǎn)子勵磁電壓即可實現(xiàn)低電壓穿越； 3)當(dāng)檢測到雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)點電壓跌落幅度大于開關(guān)K動作值即轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制策略的極 限值時，由控制電路控制開關(guān)K閉合，雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的改進的Crowbar電路將投入運行同時通過控制轉(zhuǎn)子勵磁電壓實現(xiàn)低電壓穿越； 4)當(dāng)檢測到雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)點電壓跌落為O時，雙饋風(fēng)力發(fā)電機改進的Crowbar電路將投入運行,通過改進的Crowbar電路實現(xiàn)短路保護； 5)在故障發(fā)生期間，當(dāng)所述改進的Crowbar電路投入運行后并網(wǎng)點電壓小于Crowbar保護動作門濫值時，所述改進的Crowbar電路退出運行。
【文檔編號】H02P9/10GK104022529SQ201410264872
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月16日
【發(fā)明者】張建華, 丁磊, 沈浩然, 戴春蕾 申請人:張建華, 丁磊, 沈浩然, 戴春蕾