專利名稱：串聯(lián)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)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制技術(shù)，屬于新能源發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在未來的一段時(shí)間內(nèi)，隨著世界及中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源的消耗將急劇增加，然而 由于我國資源的相對(duì)匱乏以及不可再生資源的消耗對(duì)于環(huán)境的破壞，使得我國將在未來一 段時(shí)間內(nèi)長期面臨著環(huán)境和資源的雙重壓力，發(fā)展包括風(fēng)力發(fā)電在內(nèi)的可再生能源是中國 能源困境的最終解決辦法。針對(duì)中國發(fā)展風(fēng)電的實(shí)際情況，風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃和建 設(shè)是當(dāng)前最關(guān)鍵的問題。由于風(fēng)能是一種不能人為控制且極不穩(wěn)定的能源，時(shí)斷時(shí)續(xù)，如何 將風(fēng)能開發(fā)出來并入電網(wǎng)，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行，這是一個(gè)急需解決的問題。因此，隨 著電網(wǎng)中風(fēng)電所占比重的不斷增加，世界各國在提高電網(wǎng)風(fēng)電承受能力的同時(shí)，對(duì)并網(wǎng)風(fēng) 電機(jī)組提出了比以往更高的技術(shù)要求，如低電壓穿越(LVRT)能力、有功和無功功率控制能 力等。其中，風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)制造技術(shù)的最大挑戰(zhàn)。風(fēng)力發(fā)電 機(jī)的低電壓穿越能力，是指在電網(wǎng)故障期間風(fēng)電機(jī)組端電壓降低到一定值的情況下，風(fēng)電 機(jī)組在一定時(shí)間范圍內(nèi)能夠保持并網(wǎng)不間斷運(yùn)行的能力。目前風(fēng)電發(fā)展領(lǐng)先的一些國家， 已經(jīng)相繼制定了新的風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則，定量給出了風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)的條件。對(duì)于不同類型風(fēng)電機(jī)組，其LVRT功能的實(shí)現(xiàn)方法也有所不同。目前用來提高LVRT 能力的措施主要有槳距角控制、轉(zhuǎn)子加速控制、定子Crowbar控制、轉(zhuǎn)子Crowbar控制和動(dòng) 態(tài)無功補(bǔ)償?shù)?。但是，雙饋異步電機(jī)(DFIG)轉(zhuǎn)子接入Crowbar裝置后作為鼠籠異步電機(jī)運(yùn) 行，成為一個(gè)消耗感性無功的負(fù)載，不僅不能對(duì)電網(wǎng)電壓起支持作用，反而阻礙故障切除后 電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，另外DFIG不同運(yùn)行狀態(tài)間的切換，需要較為復(fù)雜的控制邏輯，否則會(huì)引 起較大的振蕩過程，影響傳動(dòng)軸、齒輪箱和軸承等機(jī)械部件的安全運(yùn)行和降低使用壽命。當(dāng) 電網(wǎng)中加裝了先進(jìn)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC、STATCOM、DVR等)，使LVRT性能較差的恒速 異步機(jī)組也具備了一定的LVRT能力，但動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的經(jīng)濟(jì)性較差。中國的風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則呼之欲出，研制具有LVRT功能的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為國內(nèi)風(fēng) 電整機(jī)廠家迫在眉急的任務(wù)，因此，開發(fā)一種適用機(jī)型廣泛的低電壓穿越控制裝置，既可以 用于新機(jī)組，又可以用于已投運(yùn)機(jī)組的低電壓穿越功能改造，可提高含風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)的穩(wěn)定 性，使風(fēng)電的成本和環(huán)保優(yōu)勢(shì)得到切實(shí)的體現(xiàn)，這無疑將極大推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電這種可再生能 源的開發(fā)利用規(guī)模，帶動(dòng)國內(nèi)相關(guān)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備造業(yè)的發(fā)展，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的健康快速發(fā)展 起著重要作用。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提供一種適用機(jī)型廣泛的串聯(lián)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電 壓穿越控制裝置及控制方法，使其既可以用于新機(jī)組，又可以用于已投運(yùn)機(jī)組的低電壓穿 越功能改造，在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障的情況下，系統(tǒng)可快速輸出平衡電壓以補(bǔ)償電網(wǎng)電壓 的跌落，使發(fā)電機(jī)端口觀察到的電壓基本穩(wěn)定，從而使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有低電壓穿越的能力，根據(jù)需要系統(tǒng)還可向電網(wǎng)提供一定的無功功率，并且避免工作模式切換過程中可能 產(chǎn)生的振蕩過程，保證發(fā)電機(jī)組機(jī)械部件的安全可靠運(yùn)行，延長使用壽命。技術(shù)方案本發(fā)明的一種串聯(lián)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制裝置包括耦合變壓 器、PWM變換器、儲(chǔ)能電容、卸荷電路和控制器，其中耦合變壓器的原邊接在發(fā)電機(jī)和升壓 變壓器回路中，耦合變壓器的副邊與PWM變換器連接，PWM變換器直流側(cè)接儲(chǔ)能電容和卸荷 電路，控制器的控制端分別接PWM變換器、卸荷電路；該低電壓穿越控制裝置串接于發(fā)電機(jī) 與升壓變壓器的低壓端之間。所述卸荷電路包括功率器件和電阻，控制器中的卸荷電路控制的輸出端接功率 器件的控制端，功率器件與電阻串聯(lián)連接后，其電阻的另一端和功率器件的另一端分別接 PWM變換器。所述功率器件的具體形態(tài)為晶閘管或絕緣柵雙極型晶體管。風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越控制裝置的控制方法為通過控制器連續(xù)量測(cè)升壓變壓器低 壓側(cè)的實(shí)時(shí)電壓并與正常情況電壓值的模和相角進(jìn)行比較，若偏差達(dá)到電網(wǎng)發(fā)生了低電壓 故障的程度，控制器將調(diào)節(jié)低電壓穿越控制裝置的PWM變換器來補(bǔ)償電網(wǎng)上的電壓跌落， 將發(fā)電機(jī)端電壓維持在一定的水平，從而實(shí)現(xiàn)低電壓穿越；控制器同時(shí)監(jiān)測(cè)直流側(cè)儲(chǔ)能電 容兩端的直流電壓與設(shè)定值進(jìn)行比較，若直流電壓升高并超過限值，控制器觸發(fā)卸荷電路 的功率器件以調(diào)節(jié)直流電壓降低至安全的范圍內(nèi)。有益效果本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于一種串聯(lián)接入于風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子和變壓器之間的 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制裝置，通過連續(xù)量測(cè)固定點(diǎn)的實(shí)時(shí)電壓比較正常情況電壓值的模 和相角來進(jìn)行操作，一旦在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生故障，系統(tǒng)將操作補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)上的電壓損 失，從而將電壓維持在一定的水平。這種裝置能夠在故障情況下吸收網(wǎng)絡(luò)中額外的有功從 而使發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行，也可以根據(jù)用戶配置，輸出需要的無功功率，以保證在故障發(fā)生期 間風(fēng)力發(fā)電機(jī)不需要脫網(wǎng)，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有低電壓穿越的能力，并且避免工作模式 切換過程中可能產(chǎn)生的振蕩過程，保證發(fā)電機(jī)組機(jī)械部件的安全可靠運(yùn)行，延長使用壽命。 PWM變換器控制中應(yīng)用了矢量控制技術(shù)，在電網(wǎng)上發(fā)生擾動(dòng)的時(shí)候，無論電網(wǎng)平衡與不平 衡，都可以控制輸出電壓，從而支撐發(fā)電機(jī)，保證發(fā)電機(jī)正常并網(wǎng)。由于低電壓穿越控制裝 置串接在發(fā)電機(jī)定子和升壓變壓器低壓側(cè)之間，這種裝置既可以固定在安裝塔筒里面，或 者在塔筒里面安裝額外的固定平臺(tái)，也可以安裝在塔筒外面或者變壓器房，因此使用相當(dāng) 方便。低電壓穿越控制裝置不改變?cè)L(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)，因此可以適用 于不同類型的機(jī)組，主要包括定速鼠籠異步發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)、Opti-slip異步發(fā)電 機(jī)等，具有適應(yīng)性廣、沖擊載荷小等優(yōu)點(diǎn)，該裝置既可以成為風(fēng)電機(jī)組的一個(gè)獨(dú)立的低電壓 穿越功能模塊，又可以用于已在電網(wǎng)內(nèi)并網(wǎng)運(yùn)行的老機(jī)組低電壓穿越功能的改造。


圖1為具有低電壓穿越控制裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖；圖2為低電壓穿越控制裝置結(jié)構(gòu)圖；圖3為低電壓穿越控制裝置控制原理圖。圖中有耦合變壓器1、PWM變換器2、儲(chǔ)能電容3、卸荷電路4、功率器件41、電阻元 件42、控制器5、卸荷電路控制51、PWM變換器控制52、發(fā)電機(jī)6、升壓變壓器7、電壓互感器8、電流互感器9。
具體實(shí)施例方式串聯(lián)型低電壓穿越控制裝置，包括耦合變壓器、PWM變換器、儲(chǔ)能電容、卸荷電路和 控制器，低電壓穿越控制裝置串接于發(fā)電機(jī)與升壓變壓器的低壓端之間，在系統(tǒng)中稱合變 壓器的原邊接在發(fā)電機(jī)和升壓變壓器回路中，耦合變壓器的副邊和PWM變換器連接，PWM變 換器直流側(cè)和儲(chǔ)能電容連接，儲(chǔ)能電容和卸荷電路連接；卸荷電路包括功率器件和電阻 元件，功率器件和電阻元件串聯(lián)連接。在本發(fā)明中所述的風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越控制裝置通過控制器連續(xù)量測(cè)升壓變壓 器低壓側(cè)的實(shí)時(shí)電壓并和正常情況電壓值的模和相角進(jìn)行比較，若偏差達(dá)到一定程度即電 網(wǎng)發(fā)生了低電壓故障，控制器將調(diào)節(jié)低電壓穿越控制裝置的PWM變換器來補(bǔ)償電網(wǎng)上的電 壓跌落，將發(fā)電機(jī)端電壓維持在一定的水平，從而實(shí)現(xiàn)低電壓穿越；控制器同時(shí)監(jiān)測(cè)直流側(cè) 儲(chǔ)能電容兩端的直流電壓與設(shè)定值進(jìn)行比較，若直流電壓升高并超過限值，控制器觸發(fā)卸 荷電路的功率器件以調(diào)節(jié)直流電壓降低至安全的范圍內(nèi)。在本發(fā)明中所述的控制器包括卸荷電路控制和PWM變換器控制。直流側(cè)儲(chǔ)能電容兩端直流電壓實(shí)測(cè)值Udc和直流電壓設(shè)定值Udc—ref經(jīng)過比較環(huán)節(jié) 得到偏差信號(hào)AUd。，偏差信號(hào)經(jīng)過比例積分(PI)調(diào)節(jié)器后送入比較器，生成控制功率器件 的導(dǎo)通占空比，控制功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而調(diào)節(jié)直流電壓值接近設(shè)定值。功率變換器控制采用矢量控制技術(shù)，電網(wǎng)與升壓變壓器高壓端連接，升壓變壓器 低壓端與低電壓穿越控制裝置的耦合變壓器連接，三相電網(wǎng)電壓在升壓變壓器低壓端檢出 后首先進(jìn)行abc/dq坐標(biāo)變換，分別得到三相電壓的直軸(d軸)分量ud和交軸(q軸)分 量uq，對(duì)uq和uq進(jìn)行正負(fù)序計(jì)算，可得到d軸分量的正序分量和負(fù)序分量，該實(shí)測(cè)的d軸正 負(fù)序分量和給定的d軸正負(fù)序分量送入電壓比較環(huán)節(jié)進(jìn)行比較，其中d軸負(fù)序分量給定值 為0，分別將d軸正序分量和負(fù)序分量的偏差信號(hào)送入PI調(diào)節(jié)器并生成d軸正序參考電壓 ‘和d軸負(fù)序參考電壓《廣，負(fù)序參考電壓《廠乘以因子后和正序參考電壓相加后 得到d軸參考電壓‘；給定的無功功率值通過比例環(huán)節(jié)得到所需的交軸參考電流<，將測(cè)量 到的PWM變換器三相交流電流進(jìn)行abc/dq坐標(biāo)變換得到d軸電流分量id和q軸電流分量 iq，把實(shí)測(cè)q軸電流分量iq和交軸參考電流<送入比較環(huán)節(jié)并將偏差信號(hào)送入PI調(diào)節(jié)器， 得到q軸參考電壓< ；d軸參考電壓<和q軸參考電壓<一起送入SVPWM調(diào)制器，即可產(chǎn)生 PWM變換器運(yùn)行所需的PWM調(diào)制波。附圖非限制性地公開了本發(fā)明實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一 步說明。由圖1可見，含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 控制裝置串接于發(fā)電機(jī)定子繞組輸出端與升壓變壓器的低壓端之間。由圖2可見，低電壓穿越控制裝置包括耦合變壓器、PWM變換器、儲(chǔ)能電容、卸荷 電路和控制器，其具體的連接方式是耦合變壓器的原邊接在發(fā)電機(jī)和升壓變壓器回路中， 耦合變壓器的副邊和PWM變換器連接，PWM變換器直流側(cè)和儲(chǔ)能電容連接，儲(chǔ)能電容和卸荷 電路連接。低電壓穿越控制裝置的控制器包括卸荷電路控制和PWM變換器控制，卸荷電路
5控制與卸荷電路連接，PWM變換器控制與PWM變換器連接。由圖3可見，卸荷電路包括功率器件和電阻元件，其具體的連接方式是功率器 件和電阻元件串聯(lián)連接。功率器件和電阻元件參數(shù)要根據(jù)發(fā)電機(jī)類型、容量大小、并網(wǎng)導(dǎo)則 規(guī)定和電壓等級(jí)適當(dāng)選取。工作時(shí)，測(cè)量直流側(cè)儲(chǔ)能電容兩端直流電壓Udc并與直流電壓設(shè)定值Ud。在比較 環(huán)節(jié)比較，得到偏差信號(hào)AUd。，該偏差信號(hào)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后送入比較器，生成控制功率器 件的導(dǎo)通占空比，控制功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而調(diào)節(jié)直流電壓值接近設(shè)定值。功率變換器控制采用矢量控制技術(shù)，電網(wǎng)與升壓變壓器高壓端連接，升壓變壓器 低壓端與低電壓穿越控制裝置的耦合變壓器連接，三相電網(wǎng)電壓在升壓變壓器低壓端檢出 后首先進(jìn)行abc/dq坐標(biāo)變換，分別得到三相電壓的直軸(d軸)分量ud和交軸(q軸)分 量uq，對(duì)ud和uq進(jìn)行正負(fù)序計(jì)算，可得到d軸分量的正序分量和負(fù)序分量，該實(shí)測(cè)的d軸正 負(fù)序分量和給定的d軸正負(fù)序分量送入電壓比較環(huán)節(jié)進(jìn)行比較，其中d軸負(fù)序分量給定值 為0，分別將d軸正序分量和負(fù)序分量的偏差信號(hào)送入PI調(diào)節(jié)器并生成d軸正序參考電壓 <和d軸負(fù)序參考電壓，負(fù)序參考電壓《廣乘以因子一2“后和正序參考電壓O目加后 得到d軸參考電壓‘；給定的無功功率值通過比例環(huán)節(jié)得到所需的交軸參考電流<，將測(cè)量 到的PWM變換器三相交流電流進(jìn)行abc/dq坐標(biāo)變換得到d軸電流分量id和q軸電流分量 iq，把實(shí)測(cè)q軸電流分量iq和交軸參考電流<送入比較環(huán)節(jié)并將偏差信號(hào)送入PI調(diào)節(jié)器， 得到q軸參考電壓< ；d軸參考電壓<和q軸參考電壓<一起送入SVPWM調(diào)制器，即可產(chǎn)生 PWM變換器運(yùn)行所需的PWM調(diào)制波。
權(quán)利要求
一種串聯(lián)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耦合變壓器(1)、PWM變換器(2)、儲(chǔ)能電容(3)、卸荷電路(4)和控制器(5)，其中耦合變壓器的原邊接在發(fā)電機(jī)(6)和升壓變壓器(7)回路中，耦合變壓器(1)的副邊與PWM變換器(2)連接，PWM變換器(2)直流側(cè)接儲(chǔ)能電容(3)和卸荷電路(4)，控制器(5)的控制端分別接PWM變換器(2)、卸荷電路(4)；該低電壓穿越控制裝置串接于發(fā)電機(jī)(6)與升壓變壓器(7)的低壓端之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越控制裝置，其特征在于所述卸荷電路 (4)包括功率器件(41)和電阻(42)，控制器(5)中的卸荷電路控制(51)的輸出端接功率 器件(41)的控制端，功率器件(41)與電阻(42)串聯(lián)連接后，其電阻(42)的另一端和功率 器件(41)的另一端分別接PWM變換器(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越控制裝置，其特征在于所述功率器件 (41)的具體形態(tài)為晶閘管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越控制裝置，其特征在于所述晶閘管為絕 緣柵雙極型晶體管。
5.一種如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越控制裝置的控制方法，其特征在于該 控制方法為通過控制器(5)連續(xù)量測(cè)升壓變壓器(7)低壓側(cè)的實(shí)時(shí)電壓并與正常情況電 壓值的模和相角進(jìn)行比較，若偏差達(dá)到電網(wǎng)發(fā)生了低電壓故障的程度，控制器(5)將調(diào)節(jié) 低電壓穿越控制裝置的PWM變換器⑵來補(bǔ)償電網(wǎng)上的電壓跌落，將發(fā)電機(jī)(6)端電壓維 持在一定的水平，從而實(shí)現(xiàn)低電壓穿越；控制器(5)同時(shí)監(jiān)測(cè)直流側(cè)儲(chǔ)能電容(3)兩端的直 流電壓與設(shè)定值進(jìn)行比較，若直流電壓升高并超過限值，控制器觸發(fā)卸荷電路的功率器件 以調(diào)節(jié)直流電壓降低至安全的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明的一種適用機(jī)型廣泛的串聯(lián)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制裝置及控制方法，使其既可以用于新機(jī)組，又可以用于已投運(yùn)機(jī)組的低電壓穿越功能的改造，在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障的情況下，系統(tǒng)可快速輸出平衡電壓以補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的跌落，使發(fā)電機(jī)端口觀察到的電壓基本穩(wěn)定，從而使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有低電壓穿越的能力，根據(jù)需要系統(tǒng)還可向電網(wǎng)提供一定的無功功率，并且避免工作模式切換過程中可能產(chǎn)生的振蕩過程，保證發(fā)電機(jī)組機(jī)械部件的安全可靠運(yùn)行，延長使用壽命。
文檔編號(hào)H02J3/38GK101860043SQ20101017389
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日
發(fā)明者劉永生, 張建忠, 程明, 許偉健 申請(qǐng)人:東南大學(xué)