專利名稱：一種大型風力發電機組穿越電網低電壓故障的方法
技術領域：
本發明涉及一種兆ra^a雙饋感應風力發電機組穿越電網低電壓故障的方法。
背景技術：
隨著每斜七學能源的日益枯竭，勵發電 ^穀1認們的重視。在近20年里，j^J發電機組
不斷向大型化發展，兆ra雙饋感應風力發電機組已成為當前市場上的主流產品。
在發生低電壓娜鄣寸，過去第一顧的劇斜戶風力發電機組本身，允許M^發電DU人電網解列，
然而，隨著風力發電ini且份額的增加，從安全穩定角度考慮，大量的風電ma從電網解列已經是不
可接受的了。國際上新提出的電網要求是在發生故障時，MW級風力發電豐/1^掛共一定的短路電流
以保蹈斜戶驢可靠動作，從而縮小電壓驟麟響的范圍；同時，參照同步發電機必需具有抵抗電
壓跌餅擊的能力，風電機組穿越低電壓故障的娜呈要求用圖形描述如圖2所示,圖2中，A區域內
不允許風力發電機從電網解列，B區域內貝憂許i^發電lfU人電網解列。
綜合考慮Mw級雙饋感應風力發電機自身的安全性和新的入網規程要求，風力發電iaa^滿足如 下要求
1) 在電網故障電壓驟降期間，]xUj發電機鄉腦最大限度、不間斷地向電網掛共電流，以保證
傲戶裝置可靠動作。
2) 風力發電機組齒f&ffi和驅動軸的瞬時辦巨不得，20(F。-25W。j;，并且不允許有大的瞬時 沖擊糊和極性反轉，以免齒離飄。
3) 風力發電機組交 磁變流器(MSC)及變換器直流(DC)母線瞬態MM親不超過變換器 電壓額定值，以免損壞,側、網側電力電子變換器。
4) 風力發電+;ua交流勵磁變流器(Msc)瞬態電^is鵬不M2倍變換器電流額定值，以免 損壞轉子側、網側電力電子變換器。
5) 為了成功抵御和穿越電網各類故障弓胞的低電壓，可能需要采用功率變換器或輔助電S線
置，但變換器鄉助電鵬置容fisa小，控制盡量簡單，以斷氐功率損級成本。
目前，雙饋感應發電機(DFIG)穿掛氐電壓故障的方案主要有以下幾沐 1)增設無源轉子泄放鵬
該方法是在軒側與勵磁變流器并聯由晶閘管、電阻構成的轉子泄放電路，具有穿趣訴爾故障、 電網電壓低至15柳n的能力。在故障期間，轉子泄放電路腿SA，軒電流被泄放電阻分流，避 免了勵磁變流器過流。但泄放電阻的取鶴個問題，取駄大可能導麵磁變流器ffi而損壞，取 駄小可能引起大的轉子電流，導致瞬時辯B1大。
2) 增設有源軒泄放電路
該方f採用P麗的IGBT取代轉子泄放電路的晶閘管，優點^f氐電壓穿越能力有所提高，窮繊 磁變流^故障初期100ras內可以調節轉子電流，使發電機向電網提供無功，缺點是沖擊力矩仍達 到3Tn。
3) 增設定子側電力電子開，轉子泄放電路
該方法是在雙饋感離電機與電網之間串入反并聯的GT0或SCR，同時軒側與勵磁變流器并
聯接入轉子泄放輔助電路。研究表明在故障期間這種方案能使定子電6舒n總巨峰值限定在2倍左右，
但轉子泄放輔助電路必須具有緊急傲戶交箭Ll]磁變流器(MSC)的功能，而且，勵磁變流器(MSC)必須 增大容量以利于腿吸收在故障期間的電磁儲能，電網側變換器(GSC)也需要增大容量，以保證在故 障期間能最対號地向電網^f共故障動作電流。
4) 修改交》繊磁變流器(MSC)控制策略
該方法可以艦矢量控制算法，在小值故障(85柳J時，轉子電流、電磁總巨幅值都有明顯的 降低，也可以控制發電機漏磁鏈以抵消定子磁鏈中的暫態直流分量X寸舒側影響的勵磁控制策略。 這類方案的優點是只需修繊磁變流器的電謝空制策略，不改變雙饋感應發電機(DFIG)主電路，缺 點是未考慮轉軸及齒f&ffi承受的瞬態轉矩，有的雜轉矩振蕩、極性重復反轉5條。
5) 在定子側串睽變換器
這種方法具W^子的穿越低電壓故障的能力。但因變換器固定地串接于定子側，將陶氐雙饋感 鄉電機(DFIG)系統的發電效率；另外，由于公共連接點(PCC)電壓在故障期間是一個隨機的瞬變 量，在故障狀態下基于公共連接點(PCC)電壓矢量定向的定子磁鏈穩定動^5制則會帶來新的問題。
總之，現有技術中的M方案者降在各自的局限性，有必要進一步探索大型雙饋感應風力發電 ,抵御和穿越低腿新的方法。

發明內容
本發明的目的在于跑共一種在電網故障期間既能確{*^饋感應風力發電機組自身安全、又能使 發電mS大限度地向電網提供電流、以確保線i^M戶裝置能可靠動作的大MM力發電拋且穿越電網 低電壓故障的方法。
本發明戶脫問題是以下述技術方案實現的 一種大型風力發電IRI且穿越電網低電壓故障的方法，在風力發電ini且和電網之間串接三相無源 阻抗網絡，在無源卩服網絡上并聯由電力半導ml件構成的三相交流開關，當電網出測氐頓故障 時，斷開三相交流開關，{妊源卩鵬網鄉雜入；在電壓恢蹄，閉合三相交流開關，使無娜職網
絡被短路，恢gM力發電機組與電網之間的正常連接。
J^大MM力發電拋且穿越電網低電壓故障的方法，所^H相無源Kf[網絡設置為二級串聯結
構，當電網出現低腿故障時，ffiiig制與二級無源卩鵬網絡并聯的開關，動態調整串聯卩鵬^s各 參數，減輕由于無源Kf[網絡fiA^退出造成的瞬時電流和総巨的沖擊。
上述大MM力發電iaia穿越電網低電壓故障的方法，增設與風力發電機并聯連接的三相無源阻 抗支路，在故障期間，閉M并聯阻抗窮各的控制開關，使并聯Kfc窮各吸收發電機的暫態能量， 增力口雙饋感應jxUj發電ini且的動態穩定性。
本發明采用在風力發電ini且和電網之間串接三相無源[SK網絡和在發電機輸出端并i^相無源 ffi^:^各的方法，使大艦力發電拋且得以順利穿越電網低電壓故障。戶;M無源阻抗網絡用于在低 電壓故障期間，限制過大的短路電流，j飄力發電機組定、轉子電流、電壓、磁鏈以及電磁力矩等 的瞬繊限制在允許范圍內，同時，最大限度地向電網掛共電流，以保證線謝斜戶裝置可靠動作。
并耳^相無源卩鵬效各用于在低腿故障期間吸Ll撥電機的暫態倉糧，以利于雙饋感應風力發電機
組的動態穩定。本發明不僅倉繊保在電網出測氐頓故障時雙饋感應])Uj發電機組自身的娃，還
可不間附也向電網衞共電流，使線謝尉戶裝置會辦正常工作。


下面結合附圖對本發明作進一步說明。
圖i是本發明的電原理圖2是風電ini且穿越低電壓故障的規程要^意圖3 圖6是本發明無源ffi^網絡的四種結構的實施例；
圖7 ^^無源卩鵬網絡實測氐％^穿越的 雙饋感應風力發電系統的等效電路模型；
圖8是電網故障時，PCC出現EfeJS失落時，PCC點電壓波形； 圖9是電網故障時，PCC出現電iS失落時，雙饋感應風力發電機電磁力矩暫態波形； 圖10是電網故障時，PCC出現電JS失落時，雙饋感應風力發電機定子磁鏈暫態艦； 圖11是電網故障時，PCC出現feEE落時，雙饋感應風力發電機轉子磁鏈暫態波形； 圖12是電網故障時，PCC出現EUS失落時，雙饋感應風力發電機定子電流暫態波形； 圖13是電網故障時，PCC出5見電ffig失落時，雙饋感應風力發電機^f電流暫態波形；
圖14 ^X饋感應風力發電豐膽用無源P職網絡低電壓穿越時PCC點電壓暫態波形；
圖15 ^^又饋感應風力發電ln^用無源P職網絡低電壓穿越時的電磁総巨暫態波形； 圖16魏饋感應風力發電豐膽用無源P鵬網絡低電壓穿越時的定子磁鏈暫態波形； 圖17 ^^饋感應風力發電t膽用無源卩鵬網謝氐電壓穿越時的,磁鏈暫態波形； 圖18魏饋感應風力發電豐膽用無源P鵬網絡低電壓穿越時的定子電流暫態波形； 圖19 ;^X饋感應風力發電m^用無源卩I^網絡低電壓穿越時的l^電流暫態波形； 以上圖8 圖13是電網故障時不帶無源K)t網絡的雙饋感^M力發電機電磁暫態波形;圖14 圖19是電網故障時帶有無源K)t網絡的雙饋感應風力發電機電磁暫態波形。
圖中各標號為G、電網，PCC、公共連接點，F^、公共連接點電壓，^、發電柳瑞電壓，Z、 無源P鵬網絡，Zsl、 Z《為串聯阻抗，Zp為并聯P鵬，Ss， Sp， Ssl， S^為電力半導^^件構成的三相 交流開關，JCsl 、 J02為交流t劍蟲器。Zsl、 Zs2為串聯卩鵬，Zp為并聯P鵬，Ss， Sp， Ssl， S《為電力 半導條件構成的三相交流開關，JCsl 、 JC《為交流撤蟲器，f"雙饋感應發電機定子電流，t、 3又饋感應發電機軒電流，i ,，雙饋感應發電機定子電阻，^、 3又t貴感應發電機轉子電阻，丄,,、 雙饋感應發電機定子漏電感，丄,"雙饋感應發電機軒漏電感，Zm、雙饋感應發電機定、轉子之 間的互電感，丄,，雙饋感應發電機定子電感，4、雙饋感應發電機轉子電感，0,、發電機定子側系
統同步角速度，^、發電機轉子角速度，rm、自A時的機tt^俞入轉矩，p、發電機的總極數，
Jm、發電機轉動慣量，G 、發電機轉子摩擦阻尼系數，re、 ？ ？ ， DF工G、雙饋感應發電機，GSC、 電網側變換器，MSC、電機側變換器，T、頓器,GB、齒ffeH， PD、槳葉，F、故障點，t、時間。
文中所用符號&、 ；^分別為雙饋感繊電機定子磁鏈q軸分量、d軸分量，&、 ^分別 為雙饋感應發電機籽磁鏈q軸分量、d軸分量， 、Fsd分別為雙饋感應發電機定子電壓q軸分
量、d軸分量，^、 ^分別為雙饋感應發電機籽頓q軸分量、d軸分量，、、^分別為雙
饋感應發電機定子電流ci軸分量、d軸分量，、、"分別為雙饋感應發電機轉子電流d軸分量、d 軸分量，UN、 PCC額定電壓，& 、風力發電機組齒輪箱和驅動軸的額定辦巨，MSC、交涼遞磁變流器。 具體實船式
本發明以一臺2兆瓦的典型大型雙饋感艦力發電機組為例，說明電網故障弓胞的低電J1)(寸雙
饋感應jxUj發電ini且的影響。
圖8 圖13為2兆瓦大型雙饋感艦力發電t;U且在電網出測氐電壓故障，PCC (Point of Common Connection)電壓斷氐至15%仏(其中，UNA PCC額定電壓働時，雙饋感應風力發電豐形且電流、磁 ,其電磁轉矩的暫態過程計算 。可以看到
1)定子磁親U烈變化，定、轉子電涼涮烈變化，暫態峰值分別達10倍額定值，嚴MI辦雙饋
感應風力發電ini且的變流設備；
2)在電壓塌陷和腿恢復的過程中，電磁力矢隨U烈變化，暫態峰值達5倍額定力矩，并且，
還伴隨有電磁力矩的劇烈振蕩，力矩極f鍾復反轉，嚴魏害雙饋感艦力發電tni且的^i齒^ff
和大軸的安全。
不難發現，電網故障導致的rcc低電i^寸雙饋感艦力發電t形且的沖擊是巨大的，危害是嚴重 的。另一方面，隨著M^發電機組份額的增加，以及風電場直^^入大電網，故障時大量的風電機
組從電網解列還將危害到電網的安全穩定。因此，在故障狀態下如何確i^x饋感應風力發電機組自 身安全，同時，最大限度地向電網ni共電流，以保證線i^^戶裝置準確動作，確是一個亟《賴軍決的 問題。
圖3 圖6為本發明的四個實施例,其中，Zsl、 Zs2為串聯P鵬，Zp為并聯P鵬，Ss， Sp， Ssl， S《 為電力半導#^件構成的三相交流開關，JCSI 、 JCa為交流翻蟲器。下面對四個實施例分別加以說 明
參看圖3，正常運行時，Ssl， S^閉合，作為雙饋感應風力發電aa與電網的互聯開關，此時， 串聯阻抗Z^， ZJ皮開關短接，不影響風力發電系統的正常運行。當電網發生故障，EUE塌陷時，Ssl， S《快速斷開，雙饋感應助發電機輸出電流被3^2串聯卩職&， Z《再^A系統，串聯Kf[支路將向 電網故障點樹共電流，以加速和保證線謝對戶裝置快速、準確地動作；同時，串聯卩鵬支路將有效 地減緩雙饋感^M力發電tM且定、轉子電流、磁鏈和總巨的劇烈變化，將定、轉子電流和轉矩限制 在允許的范圍內；串聯職支路還將吸收發電機的暫態能量，以助于雙饋感應風力發電機組的穩定。 一直至他網故障消失或線1^^戶斷路器動作，信號檢測電路在檢測到電壓恢復后，控制電力半導體 三相交流開關Sd閉合，串聯卩鵬&兩端被短接，Z,相當于退出，鄉頸當延時后閉合S《，串聯卩鵬
z《兩端被短接，z《相當于退出，系統咴復到正常運行狀態。aii分級、分時切換串聯卩職，M4、其 狀態改^g成的瞬時電凝n轉矩的沖擊。
參看圖4，考慮到雙饋感應風力發電tMa調節系統的敏感性，以及不同型號調節參數的不同一
性，在圖3拓撲超^^礎上增加了并聯)5鵬窮各Zp，以吸收發電機的暫態倉糧，這有利于雙饋感應
風力發電機組的動態穩定。并聯KitZp的接入和退出控制邏輯是當電網發生故障，電壓塌陷時， 在Sa， S^腿斷開的同時閉合Sp，接入并聯!5鵬Zp，用于吸收發電機的暫態會糧；直到電網故障 消失或線謝斜戶斷路器動作，電壓恢復后，在閉合S《的同時斷開Sp，退出并聯卩鵬z《，系統咴復
到正常運行狀態。
參看圖5，為了M^對雙饋感應勵發電禾;ii且正常工作效率的影響，以及斷氐低電壓穿越裝置
的#，在圖3拓撲電J^ffii出上M得到圖5所示拓撲電路。與圖3不同的是正常運行時，Ss作 為雙饋感應風力發電機組與電網的互聯開關，JCsl 、 JOJ(j為斷開狀態，故障發生時，Ss快速斷開，
JCsl 、 JCJ親原狀態；直到電網故障消失或線^f斜戶斷路器動作，電壓恢復后，先閉合JC,，串聯
，鵬^兩端被短接，z^相當于退出，會琉當延時后閉合jc《，串聯P鵬z《兩端被短接，z《相當于退
出，然后，再經一定延時，邏輯控制使Ss閉合，JCsl 、 JC《斷開，系統咴復到正常運行狀態。
#*圖6，它是在考慮至U雙饋感J^UJ發電拋且調節系統的敏感性、不同型號調節參數的不同
H"生，以及M^對雙饋感應風力發電機組正常工作效率的影響、斷氐低電壓穿越裝置的成本等多種
因素，在圖5基礎上艦而來，它綜合了圖4和圖5拓撲電路的優點。
對本發明進行分析時，雙饋感應勵發電|膽用同步坐標系下5階模型，狀態方程組如下
<formula>formula see original document page 8</formula>(l)
<formula>formula see original document page 8</formula>(2)
<formula>formula see original document page 8</formula>(3)
其中&， ^分別為雙饋感雌電機定子磁鏈q軸分量、d軸分量，<formula>formula see original document page 8</formula>&分別為雙饋感艘電機軒磁鏈q軸分量、d軸分量，<formula>formula see original document page 8</formula>^分別為雙饋感繊電機定子電壓q軸分量、d軸分量<formula>formula see original document page 8</formula>^分別為雙饋感繊電機軒電壓q軸分量、d軸分 L分別為雙饋感應發電機定子電流q軸分量、d軸分量，<formula>formula see original document page 8</formula> ; ^分別為雙饋感離電機籽電流q軸分量、d軸分量<formula>formula see original document page 8</formula>; _A分別為雙饋感應發電機定子和軒電阻； 丄,,魏饋感應發電機定子漏電感； ;魏饋感應發電機舒漏電感；
re
Lm是饋感應發電機定、轉子之間的互電感；Ls， Lf分別為雙饋感應發電機定子和軒電感。 ws為發電機定子側系統同步角速度； wr為發電機轉子角速度； Tm 為轉速wrA時的機輸入轉矩； P為發電機的總極數； Jm為發電機轉動慣量； Gm為發電機轉子摩擦阻尼系數。 為了突出問題，同時簡化計算，假設雙饋感應風力發電系統開環控制，轉子繞組接Efeffi源給定 勵磁，^^效電路模型如圖7。
其中Zs為無源KfC網絡的串聯支路總阻抗，4為無源阻抗網絡的并聯支路總阻抗；V^為公
共連接點的電壓；圖7中其它參數的含義同，狀態方程組中各參數的定義。
圖14 圖19為2兆瓦大型雙饋感應風力發電機組出現電網故障，PCC (Point of Common Connection)電壓斷氐至15%仏(其中，UN為PCC額定電壓働時，鵬在雙饋感應風力發電lHi且與 電網之間SA無源卩鵬網絡時，其電流、磁艦其電磁総巨的暫態過程計算波形。同樣可以看到-
1) 在故障期間，接入無源P且抗網絡有效地減緩了雙饋感應風力發電拋且電流、磁鏈和辦巨的 劇烈變化，轉子電、繊繊小于2倍變換器電流額定值，避免損壞轉子側、網側電力電子變換器。
2) 在電壓塌陷和電壓恢復的過程中，齒f&f薛嗎區動軸的瞬時辦巨小于200%7^ ，并且沒有大 的瞬時沖擊辦巨和極性反轉，避免齒f^im。
3) 在故障期間，定子電流限制在2倍額定值范圍內，但短時大于定子電流額定值，這有利于在 電網故障期間，風力發電拋且不間斷地向電網掛共電流，以保證1駛驢可靠動作。
權利要求
1、一種大型風力發電機組穿越電網低電壓故障的方法，其特征是，在風力發電機組和電網之間串接三相無源阻抗網絡(Z)或電阻網絡，在無源阻抗網絡(Z)或電阻網絡上并聯由電力半導體器件構成的三相交流開關，當電網出現低電壓故障時，斷開三相交流開關，使無源阻抗網絡(Z)或電阻網絡接入；在電壓恢復后，閉合三相交流開關，使無源阻抗網絡或電阻網絡被短路，恢復風力發電機組與電網(G)之間的正常連接。
2、 根據權利要求i戶;M大型風力發電ini且穿越電網低電壓故障的方法，其特征是，所t相 無源Kft網絡(z)或電阻網絡設置為二級串聯結構。
3、 根據權利要求i或2所述大MM力發電豐;ua穿越電網低電壓故障的方法，其特征是，增設與Mi7發電機(DFIG)并聯的三相無源Kf[支路(Zp)或電阻支路(Rp)，在故障期間，閉合該并聯阻 抗^S各或電阻^S各(Rp)的控制開關(Sp)，使并聯酣亢^5各(Zp)或電阻支路(Rp)吸收發電機的暫態能量。
全文摘要
一種大型風力發電機組穿越電網低電壓故障的方法，屬電力輸送技術領域，用于解決風力發電的并網問題。其技術方案是在風力發電機組和電網之間串接三相無源阻抗網絡或電阻網絡，在無源阻抗網絡或電阻網絡上并聯由電力半導體器件構成的三相交流開關，當電網出現低電壓故障時，斷開三相交流開關，使無源阻抗網絡或電阻網絡接入；在電壓恢復后，閉合三相交流開關，使無源阻抗網絡或電阻網絡被短路，恢復風力發電機組與電網之間的正常連接。本發明不僅能確保在電網出現低電壓故障時雙饋感應風力發電機組自身的安全性，還可不間斷地向電網提供電流，使線路保護裝置能夠可靠動作。
文檔編號H02P9/10GK101383576SQ200810079649
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月28日 優先權日2008年10月28日
發明者顏湘武 申請人:華北電力大學(保定)