專利名稱：具備可靠低電壓穿越能力的雙饋變流器的制作方法
技術領域：
本發明設計一種具備完美低電壓穿越功能的雙饋風力發電機組變流器的裝置和控制方法，適用于雙饋風力發電機組。
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，在發電容量中所占的比例也不斷提高。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后，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(LowVoltage 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、美國等頒布的風電并網規定中，都要求風電機組都具備LVRT能力，保證電力系統發生故障后風電機組能夠不間斷并網運行。·盡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并網運行625ms的低電壓穿越能力；
b)風電場電壓在發生跌落后3s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場必須保持并網運行；
c)風電場升壓變高壓側電壓不低于額定電壓的90%時，風電場必須不間斷并網運行。如附圖I所示，目前市場上絕大多數的雙饋變流器目前可以通過在轉子側加入有源Crowbar (Active Crowbar)或直流母線加Chopper來使其具備LVRT能力，存在以下缺點一是控制比較復雜，穿越過程中需要從電網吸收無功功率，風場電壓在恢復時存在的高電壓仍會使雙饋變流器故障脫網，特別在風場電壓不對稱跌落時不容易順利穿越。二是這種方案還需要風力發電機組主控系統和變槳系統的密切配合，要實現整個機組的低電壓順利穿越是一件很復雜的事情。三是這種方案在電網電壓跌落會對機械傳動系統造成較大的轉矩沖擊和震蕩，影響機械部分的使用壽命甚至導致損壞。因此設計一種能夠保證雙饋風力發電機組能夠在任何電壓跌落情況下都能夠順利穿越的雙饋變流器，對于電網和機組的穩定運行有著十分重要的意義。

發明內容
本發明的目的在于針對目前傳統雙饋變流器在電網電壓跌落進行低電壓穿越時沖擊轉矩大、可靠性差等問題，提供一種新穎的使雙饋風電機組具有完美低電壓穿越能力的雙饋變流器和其控制方法，適用于各種雙饋發電機組。本發明是這樣實現的一種具備可靠低電壓穿越能力的雙饋變流器，其特征在于，包括定子側Crowbar SC、PWM整流功率模塊GSC、機側逆變功率模塊RSC、直流卸荷單元DBU、并網斷路器K1、并網快速開關GK、輔助電源供電切換單元APS和控制器KZQ，所述的輔助電源供電切換單元APS由兩個三相雙向交流開關AW組成；雙饋變流器設有A端口、B端口、C端口、D端口，其中A端口直接與雙饋發電機的定子連接，B端口直接與電網連接，C端口直接與雙饋發電機的轉子連接，D端口與雙饋風力發電機組的主控系統的供電電源接口連接；
定子側Crowbar SC、輔助電源供電切換單元APS的一端以及并網快速開關GK的一端通過A端口直接與雙饋發電機的定子連接；輔助電源供電切換單元APS的另一端由B端口與電網側連接，輔助電源供電切換單元APS中兩個三相雙向交流開關AW的之間的D端口與雙饋發電機組的主控系統供電電源連接；PWM整流功率模塊GSC的交流側與通過B端口與電網連接，機側逆變功率模塊RSC的交流側由C端口與雙饋發電機的轉子連接，PWM整流功率模塊GSC與機側逆變功率模塊RSC之間為公共直流母線，直流卸荷單元DBU位于公共直流母線上；并網快速開關GK和網斷路器Kl串接在A端口與B端口之間；
所述的定子側Crowbar SC,PWM整流功率模塊GSC和機側逆變功率模塊RSC、直流卸荷
單元DBU、并網斷路器K1、并網快速開關GK、輔助電源供電切換單元APS的工作狀態均受控于控制器KZQ。在本發明中，并網快速開關GK包括晶閘管或其他功率器件組合后的雙向交流開關DW，配有快速關斷電路，通過控制器KZQ進行電流檢測和保護，所述的快速關斷電路由可控硅、電感和電容組成，其中，由可控硅與電容串聯支路再與電感串聯形成快速關斷電路，或由可控硅組成橋式整流電路，輸出端與串聯的電感電容連接后形成快速關斷電路。在本發明中，定子側Crowbar SC采用三相雙向可控硅或其他功率器件構成的雙向交流開關DW與功率電阻R組成；或采用三相不控整流橋ZL與直流卸荷單元DBU組成；或采用上述兩種結構的復合形式。在本發明中，所述的直流卸荷單元DBU由IGBT模塊與功率電阻R組成，所述的直流卸荷單元DBU同時連接在GSC和RSC的直流母線正負極之間。在本發明中，所述輔助電源供電切換單元APS的三相雙向交流開關AW采用電氣開關或由功率半導體構成的三相STS。在本發明中，所述的電氣開關為電磁開關或由伺服電機控制的機械開關。本發明的工作原理是當電網正常工作時，并網前禁止使能定子側Crowbar，啟動網側變流器GSC和轉子側變流器RSC后，先合上并網斷路器Kl，且將輔助供電電源切換單元APS的輸入端電源切換到電網供電，雙饋變流器處于定子電壓并網控制模式。當控制并網斷路器兩側的定子電壓幅值、頻率、相位與電網電壓一致時合上快速并網開關GK，此時雙饋變流器進入并網功率控制模式。并網穩定一段時間后將輔助供電電源切換單元APS的輸入端電源切換至定子側供電。當電網電壓發生跌落故障時，雙饋變流器控制器KZQ將快速檢測到電網電壓跌落，在Ims內立即切斷快速并網開關GK，使電網故障和雙饋發電機隔離，轉子側RSC控制策略將快速切換為定子電壓控制模式，使定子電壓的幅值和電網電壓跌落前相同，頻率及相位跟隨當前電網電壓的變化，由于輔助供電電源切換單元APS輸入電源已經為定子側供電，所以在電網電壓跌落時主控系統、變槳系統、偏航系統的供電電壓仍保持正常，不受外部電網電壓影響。同時網側變流器GSC將根據跌落程度發出一定大小的無功電流，支持電網電壓快速恢復。定子側Crowbar的控制將根據主控下發的功率命令進行控制，使傳動鏈不受任何沖擊，傳輸的功率保持平穩變化。當電網電壓恢復時，雙饋變流器控制器KZQ檢測到電網電壓恢復到正常時，禁止定子側Crowbar。轉子側變流器RSC控制定子電壓與當前電網的幅值、頻率、相位一致后，合上快速并網開關GK，轉子側變流器RSC控制模式由定子電壓控制模式切換為并網功率控制模式，風力發電機組的有功功率可以快速恢復到跌落前的正常水平。按照我國頒布的風電場接入電力系統技術規定(Q/GDW 392-2009)，風電場電壓在發生跌落后3s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場必須保持并網運行。雙饋變流器會記錄故障的持續時間，如果持續時間超過3s，雙饋變流器將停止運行，同時風力發電機也可以脫網。如果持續時間在3s以內，雙饋變流器檢測到電壓恢復之后，轉子側變流器將使定子電壓跟蹤電網電壓，一旦滿足并網條件，雙饋變流器將使能并網快速開關GK，同時Crowbar電路迅速退出運行，使風機并入電網的有功功率快速恢復。在電網電壓跌落故障期間，對于風力發電機來講，根本感受不到電網已經發生故障了，仍然按照之前的工作模式，輸出的有功功率保持故障前的數值不變。主控系統和變槳系統仍然按照之前的狀態工作，機械傳動系統沒有任何沖擊。在保證可靠穿越的前提下，不·僅避免了傳動系統的沖擊，而且基本不需要修改主控系統和變槳系統程序，大大簡化了整個風機系統的設計，提高了低電壓穿越過程的可靠性。采用本發明中的這種雙饋變流器之后，雙饋風力發電系統將具有以下優點完美的低電壓穿越能力和高電壓穿越能力，包含零電壓跌落和電網跳閘等在內的對稱及不對稱故障均能可靠穿越；
本發明的主要優點還在于對雙饋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較大的改動，能快速實現雙饋風力發電機組的低電壓穿越能力；故障后，風力發電機組能夠很快恢復到之前的工作狀態，滿足電網對低電壓穿越的要求。本發明的優點還在于本發明在故障期間仍然可以給電網提供無功支持；故障期間主控系統、變槳系統、偏航系統的供電電源不會中斷，不會引起報警等引起機組停機動作。綜前所述，采用附圖2所示的雙饋變流器結構，除了可以使雙饋風力發電機組具備完美的低電壓穿越能力外，還具有結構簡單、避免機械傳動系統的沖擊、可靠性高等優點，非常適合變速恒頻雙饋風力發電機組。


圖I是傳統雙饋變流器結構示意 圖2本發明實施例涉及的具備可靠低電壓穿越功能的雙饋變流器結構示意 圖3是本發明實施例中快速并網開關裝置GK的一種結構示意 圖4是本發明實施例中快速并網開關裝置GK的另一種結構示意 圖5是本發明實施例中定子側Crowbar的第一種結構示意 圖6是本發明實施例中定子側Crowbar的第二種結構示意 圖7是本發明實施例中定子側Crowbar的第三種結構示意 圖8是本發明實施例中輔助供電電源快速切換單元APS的結構示意圖。
附圖2給出了這種具備可靠低電壓穿越能力的雙饋變流器的結構示意圖，適合于各種類型的雙饋風力發電機組。附圖3、圖4給出了這種雙饋變流器結構中重要的支持可靠低電壓穿越能力的快速并網開關GK的兩種形式。附圖5、6、7給出了定子側Crowbar SC的三種不同形式。附圖8是輔助供電電源快速切換單元APS的結構圖。這種新的雙饋變流器所帶來的優點在這些結構圖中都可以體現出來。
具體實施例方式附圖非限制性地公開了本發明實施例的具體結構，下面結合附圖對本發明作進一步地描述。以圖2為例，說明這種新的雙饋變流器的具體實施方式
。圖2在目前的常見傳統的雙饋變流器上加入了快速并網開關GK、定子側Crowbar、
輔助供電電源快速切換單元APS等，其電網正常情況下的控制策略和普通雙饋變流器一樣，不同的是電網故障時的控制策略與現有的變流器有些區別，其算法簡單可靠。本發明的整個工作過程如下當電網正常工作時，并網前禁止使能定子側CrowbarSC，啟動網側變流器GSC和轉子側變流器RSC后，控制器KZQ先合上并網斷路器Kl，且將輔助供電電源切換單元APS的輸入端電源切換到電網供電，雙饋變流器處于定子電壓并網控制模式。當控制并網斷路器兩側的定子電壓幅值、頻率、相位與電網電壓一致時合上快速并網開關GK，此時雙饋變流器進入并網功率控制模式。并網穩定一段時間后將輔助供電電源切換單元APS的輸入端電源切換至定子側供電。當電網電壓發生跌落故障時，雙饋變流器控制器KZQ將快速檢測到電網電壓跌落，在Ims內立即切斷快速并網開關GK，使電網故障和雙饋發電機隔離，轉子側RSC控制策略將快速切換為定子電壓控制模式，使定子電壓的幅值和電網電壓跌落前相同，頻率及相位跟隨當前電網電壓的變化，由于輔助供電電源切換單元APS輸入電源已經為定子側供電，所以在電網電壓跌落時主控系統、變槳系統、偏航系統的供電電壓仍保持正常，不受外部電網電壓影響。同時網側變流器GSC將根據跌落程度發出一定大小的無功電流，支持電網電壓快速恢復。定子側Crowbar的控制將根據主控下發的功率命令進行控制，使傳動鏈不受任何沖擊，傳輸的功率保持平穩變化。當電網電壓恢復時，雙饋變流器檢測到電網電壓恢復到正常時，禁止定子側Crowbar。轉子側變流器RSC控制定子電壓與當前電網的幅值、頻率、相位一致后，合上快速并網開關GK，轉子側變流器RSC控制模式由定子電壓控制模式切換為并網功率控制模式，風力發電機組的有功功率可以快速恢復到跌落前的正常水平。圖2中的快速并網開關GK由雙向交流開關DW、二相關斷電路、觸發控制電路等組成，其中強制關斷電路均為二相獨立關斷電路，每相強制關斷電路由電感、可控娃和電容組成，利用電容上的反向電壓施加在導通的晶閘管上來實現強制快速關斷的目的。當電網電壓跌落深度超過容許范圍時，主控制器啟動強制關斷電路關斷可控硅，關斷時間大約為lms，使雙饋發電機與電網故障分離，避免了雙饋發電機定子側及轉子側的電磁暫態過程。轉子側變流器RSC從功率控制模式切換到定子電壓控制模式，使其定子電壓為電網正常工作時的電壓，這一過程可以在Ims左右完成。強制關斷電路有兩種不同的結構形式一種如圖3所不，各相關斷電路Qa、Qb> Qc均采用一個電容和電感以及單相可控硅全橋組成，直接與快速開關的兩端并聯，施加在快速開關的晶閘管上反壓的方向由單相可控硅橋來實現切換。這種方案的優點是電容數量少；另一種如圖4所示，每相關斷電路Qal、QbU Qcl均由兩個相反電壓的電容和一個電感及可控硅組成，反壓方向不需要通過可控硅橋來切換，只需要通過可控硅導通來選擇相應電壓方向的電容便可以在導通的快速開關晶閘管兩端施加反壓而使之關斷。這種方案的優點是可控硅的數量較少。圖2中所述的定子側Crowbar在電網正常時定子側Crowbar將一直處于禁止模式，在電網電壓故障期間，定子側Crowbar的控制將根據主控下發的功率給定值來進行。定子側Crowbar電路提供風力發電機組有功功率的釋放通道，網側變頻器GSC提供支持電網電壓恢復所需要的無功功率。定子Crowbar以保持雙饋風力發電機組的有功功率平穩變化為控制目標。可以采用以下三種結構形式
在圖5中第一種結構中以控制雙向交流開關DW的通斷來控制功率電阻R所吸收的功
率；控制器KZQ通過控制雙向交流開關DW的導通角來實現功率電阻所消耗的功率。三相雙向交流開關DW由SCR、IGBT等可關斷半導體器件組成，并與A端口連接。在圖6中第二種結構中是由A端口的交流經過不控整流后通過直流Chopper單元DBU來實現風機有功功率的消耗。直流Chopper單元DBU由IGBT與功率電阻R串聯組成。直流Chopper單元DBU以PWM方式控制IGBT的開關，改變等效電阻的大小。當主控下發的有功功率給定變大時，PWM占空比增大，等效電阻變小，DBU電路吸收的功率增大；當主控下發的有功功率給定變小時，PWM占空比減小，等效電阻變大，DBU電路吸收的功率減小。因此故障期間通過控制DBU電路的占空比達到雙饋風力發電機組有功功率的平衡。DBU單元的功率電阻R需要根據風機的功率和故障穿越的時間要求來選取。這種結構的定子側Crowbar的A端口通過阻容濾波電路濾除PWM變頻器產生的開關諧波，使得輸出電壓的THD滿足風力發電機工作的要求，由于不控整流橋在工作的過程中會產生諧波電流，從頻譜上看，主要是5、7、11、13等奇次諧波，這些諧波會影響雙饋變流器輸出的電壓質量，因此本實例中還可以加入濾波器LB來濾除。另外該結構的定子Crowbar公共直流母線端口還可以與網側變流器GSC和機側變流器RSC之間的公共直流母線相連接以防止直流母線電壓過低。附圖7中第三種結構是第一種和第二種結構的疊加，是前兩種的混合形式，不再描述。 圖2中的輔助供電電源快速切換單元APS是為了保證電網電壓跌落器件保持主控系統和變槳系統等供電電源保持穩定，如圖8所示，APS的輸入與A端口和B端口連接，輸出為D端口，D端口為主控系統、變槳系統等供電電源端口。APS是由雙向交流開關AW組成，其中雙向交流開關AW有兩種不同的形式，第一種形式是基于接觸器或斷路器等機械開關組成，其控制簡單，價格便宜。第二種形式是采用晶閘管等功率器件組成的靜態轉換開關STS，其優點是自動切換，不需要外部控制。
在雙饋風力發電機組并網之前，輔助供電電源切換至電網提供。并網之后輔助供電電源切換至雙饋發電機定子側提供，電網故障時由于定子電壓保持不變，所以輔助供電單元的輸出電壓仍然保持不變，主控系統、變槳系統、偏航系統等供電電壓在電網故障時仍可以保持不變，避免了發生報警造成系統停機。
權利要求
1.一種具備可靠低電壓穿越能力的雙饋變流器，其特征在于，包括定子側Crowbar SC、PWM整流功率模塊GSC、機側逆變功率模塊RSC、直流卸荷單元DBU、并網斷路器Kl、并網快速開關GK、輔助電源供電切換單元APS和控制器KZQ，所述的輔助電源供電切換單元APS由兩個三相雙向交流開關AW組成； 雙饋變流器設有A端口、B端口、C端口、D端口，其中A端口直接與雙饋發電機的定子連接，B端口直接與電網連接，C端口直接與雙饋發電機的轉子連接，D端口與雙饋風力發電機組的主控系統的供電電源接口連接； 定子側Crowbar SC、輔助電源供電切換單元APS的一端以及并網快速開關GK的一端通過A端口直接與雙饋發電機的定子連接；輔助電源供電切換單元APS的另一端由B端口與電網側連接，輔助電源供電切換單元APS中兩個三相雙向交流開關AW的之間的D端口與雙饋發電機組的主控系統供電電源連接；PWM整流功率模塊GSC的交流側與通過B端口與電網連接，機側逆變功率模塊RSC的交流側由C端口與雙饋發電機的轉子連接，PWM整流功率模塊GSC與機側逆變功率模塊RSC之間為公共直流母線，直流卸荷單元DBU位于公共直流母線上；并網快速開關GK和網斷路器Kl串接在A端口與B端口之間； 所述的定子側Crowbar SC,PWM整流功率模塊GSC和機側逆變功率模塊RSC、直流卸荷單元DBU、并網斷路器K1、并網快速開關GK、輔助電源供電切換單元APS的工作狀態均受控于控制器KZQ。
2.根據權利要求I所述的具備可靠低電壓穿越能力的雙饋變流器，其特征在于，并網快速開關GK包括晶閘管或其他功率器件組合后的雙向交流開關DW，配有快速關斷電路，通過控制器KZQ進行電流檢測和保護，所述的快速關斷電路由可控硅、電感和電容組成，其中，由可控硅與電容串聯支路再與電感串聯形成快速關斷電路，或由可控硅組成橋式整流電路，輸出端與串聯的電感電容連接后形成快速關斷電路。
3.根據權利要求I所述的具備可靠低電壓穿越能力的雙饋變流器，其特征在于，定子側Crowbar SC采用三相雙向可控硅或其他功率器件構成的雙向交流開關DW與功率電阻R組成；或采用三相不控整流橋ZL與直流卸荷單元DBU組成；或采用上述兩種結構的復合形式。
4.根據權利要求f3之一所述的具備可靠低電壓穿越能力的雙饋變流器，其特征在于，所述的直流卸荷單元DBU由IGBT模塊與功率電阻R組成，所述的直流卸荷單元DBU同時連接在GSC和RSC的直流母線正負極之間。
5.根據權利要求I所述的具備可靠低電壓穿越能力的雙饋變流器，其特征在于，所述輔助電源供電切換單元APS的三相雙向交流開關AW采用電氣開關或由功率半導體構成的三相STS。
6.根據權利要求5所述的具備可靠低電壓穿越能力的雙饋變流器，其特征在于，所述的電氣開關為電磁開關或由伺服電機控制的機械開關。
全文摘要
本發明涉及一種新穎的具備完美可靠低電壓穿越能力的雙饋變流器，所述的雙饋變流器由快速并網開關GK、直流卸荷單元DBU、定子Crowbar、輔助供電電源快速切換單元APS、網側功率模塊GSC、轉子側功率模塊RSC、并網斷路器K1及控制器KZQ等。這種雙饋變流器設有A端口、B端口、C端口和D端口，其中A端口與雙饋風力發電機定子連接，B端口與電網連接，C端口與雙饋發電機轉子連接，D端口與雙饋發電機組的主控系統供電電源連接；定子Crowbar的AC端與雙饋發電機定子連接，直流卸荷單元與GSC和RSC的公共直流母線連接；雙饋變流器各部分的工作狀態均由控制器KZQ發出的信號控制。
文檔編號H02J3/38GK102790406SQ20121027810
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月7日 優先權日2012年8月7日
發明者廖恩榮, 李志國, 王中, 辛志遠, 黃曉輝 申請人:南京颶能電控自動化設備制造有限公司