專利名稱：一種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裝置，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(GBT_19963-2011)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2s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。d)有功功率在故障清除后應快速恢復，自故障清除時刻開始，以至少10%額定功率/秒的功率變化率恢復至故障前的值。e)當風電場并網點電壓處于標稱電壓的20% 90%區間內時，風電場應能夠通過注入無功電流支撐電壓恢復；自并網點電壓跌落出現的時刻起，動態無功電流控制的響應時間不大于75ms，持續時間應不少于550ms。風電場注入電力系統的動態無功電流IT彡I. 5X (O. 9-UT) IN，(O. 2彡UT彡O. 9)。其中UT為風機機端并網點電壓有效值。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、雙饋發電機轉速接近同步速時不容易順利穿越。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。四是在有功功率恢復速度、動態無功電流響應速度和無功電流容量方面都很難滿足GBT_19963-2011的要求。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新型雙饋變流器，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新型雙饋變流器，設有A端口、B端口、C端口，其特征在于，雙饋變流器包括定子側動態耗能單元DPC、網側變流器GSC、機側變流器RSC、直流卸荷單元DBU、并網快速開關GK、暫態無功電流補償單元TSTATCOM (Transient STATCOM)、AD/DC整流開關ΕΚ、網側濾波器LB和控制器KZQ ;其中
定子側動態耗能單元DPC、AC/DC整流開關EK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；暫態無功電流補償單元TSTATCOM的交流端由B端口與電網側連接；網側變流器GSC的交流側經過濾波器LB通過B端口與電網連接，機側變流器RSC的交流側由C端口與雙饋發電機的轉子連接，網側變流器GSC與機側變流器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串接在A端口與B端口之間；AC/DC整流開關EK的交流端通過A端口與定子側連接，直流端與公共直流母線連接；
所述的定子側動態耗能單元DPC、網側變流器GSC和機側變流器RSC、直流卸荷單元DBU、并網快速開關GK、暫態無功電流補償單元TSTATC0M、AC/DC整流開關EK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。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同時連接在網側變流器GSC和機側變流器RSC的直流母線正負極之間。 在本發明中，所述暫態無功電流補償單元TSTATCOM至少由兩組相同的無功電流補償基本單元并聯組成，每個基本單元由全控器件組成的三相PWM逆變器與濾波電感組成。在本發明中，所述的AC/DC整流開關EK為三相整流橋，三相整流橋采用不控整流橋或半控整流橋或采用全控整流橋；
采用不控整流橋時，其直流輸出將串聯IGBT等類型的可關斷器件，通過控制可關斷器件的通斷來實現AC/DC整流開關的控制；
采用半控整流橋或全控整流橋時，直接通過橋臂上的功率器件的驅動脈沖來實現AC/DC整流開關的控制。在本發明中，所述的濾波器LB由電感、電容組成的Π型LCL濾波器或LC濾波器。在本發明中，定子側動態耗能單元DPC采用三相雙向可控硅或其他可控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。本發明的優點在于當電網正常工作時，并網前禁止使能定子側動態耗能單元DPC、AC/DC整流開關EK以及暫態無功電流補償單元TSTATCOM，啟動網側變流器GSC和轉子側變流器RSC后，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。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。同時網側變流器GSC和暫態無功電流補償單元TSTATCOM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。定子側動態耗能單元DPC將根據主控下發的功率命令進行控制，用于消耗風電機組輸出的有功功率，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，禁止定子側動態耗能單元。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，風電場電壓在發生跌落后2s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2s，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2s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，同時定子側動態耗能單元DPC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，輸出的有功功率仍跟隨主控下發的功率給定。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，雙饋風力發電系統能夠具有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。故障期間主控系統和變槳系統的控制邏輯仍按照故障前的方式工作，不需要執行原來的LVRT控制邏輯，這樣就不需要主控系統具備低電壓穿越功能就可以實現整個機組的低電壓穿越能力，簡化了主控系統的控制算法和邏輯。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。本發明具有結構簡單、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。圖2是本發明涉及的實施例結構示意圖 。圖3是本發明實施例中定子側動態耗能單元DPC的一種結構示意圖。圖4是本發明實施例中定子側動態耗能單元DPC的另一種結構示意圖。圖5是本發明實施例中定子側動態耗能單元DPC的又一種結構示意圖。附圖2給出了這種具備可靠低電壓穿越能力的新型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、4、5給出了定子側動態耗能單元DPC的三種不同形式。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2飛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2飛對本發明作進一步地描述。由圖2可見，雙饋變流器包括定子側動態耗能單元DPC、網側變流器GSC、機側變流器RSC、直流卸荷單元DBU、并網快速開關GK、暫態無功電流補償單元TSTATCOM (TransientSTATCOM)、AD/DC整流開關ΕΚ、網側濾波器LB和控制器KZQ ；同時設有A端口、B端口、C端口，其中
定子側動態耗能單元DPC、AC/DC整流開關EK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；暫態無功電流補償單元TSTATCOM的交流端由B端口與電網側連接；網側變流器GSC的交流側經過濾波器LB通過B端口與電網連接，機側變流器RSC的交流側由C端口與雙饋發電機的轉子連接，網側變流器GSC與機側變流器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串接在A端口與B端口之間；AC/DC整流開關EK的交流端通過A端口與定子側連接，直流端與公共直流母線連接；
所述的定子側動態耗能單元DPC、網側變流器GSC和機側變流器RSC、直流卸荷單元DBU、并網快速開關GK、暫態無功電流補償單元TSTATC0M、AC/DC整流開關EK的工作狀態均受控于控制器KZQ。在本實施例中，并網快速開關GK包括晶閘管或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。在本實施例中，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PWM整流功率模塊GSC和機側逆變功率模塊RSC的直流母線正負極之間。在本實施例中，所述暫態無功電流補償單元TSTATCOM至少由一組相同的無功電流補償基本單元并聯組成，每個基本單元由全控器件組成的三相PWM逆變器與濾波電感組成，無功電流補償基本單元的組數等于需要補償的總無功電流除以每組基本單元無功電流輸出最大值。具體實施時，所述的AC/DC整流開關EK為三相整流橋，三相整流橋采用不控整流橋或半控整流橋或采用全控整流橋；
采用不控整流橋時，其直流輸出將串聯IGBT等類型的可關斷器件，通過控制可關斷器件的通斷來實現AC/DC整流開關的控制；采用半控整流橋或全控整流橋時，直接通過橋臂上的功率器件的驅動脈沖來實現AC/DC整流開關的控制。具體實施時，所述的濾波器LB由電感、電容組成的Π型LCL濾波器或LC濾波器。
在本發明中，定子側動態耗能單元DPC可以采用三相雙向可控硅或其他可控功率器件構成的雙向交流開關DW與功率電阻R組成(如圖3);或采用三相不控整流橋ZL與直流卸荷單元DBU組成(如圖4);或采用上述兩種結構的復合形式(如圖5)。本發明的整個工作過程如下當電網正常工作時，并網前禁止定子側動態耗能單元DPC、暫態無功電流補償單元TSTATCOM、AC/DC整流開關EK，啟動網側變流器GSC和轉子側變流器RSC后，雙饋變流器處于定子電壓并網控制模式。當控制快速并網開關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。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。同時網側變流器GSC和暫態無功電流補償單元TSTATCOM將根據電壓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。定子側動態耗能單元DPC將根據主控下發的功率命令進行控制，仍跟蹤給定主控系統下發的有功功率，使傳動鏈不受任何沖擊，傳輸的功率保持平穩變化，變槳系統不需要進行緊急收槳動作。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，禁止定子側動態耗能單元DPC。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。圖2中所述的定子側動態耗能單元DPC在電網正常時將一直處于禁止模式，在電網電壓故障期間，定子側動態耗能單元DPC的控制將根據主控下發的功率給定值來進行。定子側動態耗能單元DPC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以及暫態無功電流補償單元TSTATCOM提供支持電網電壓恢復所需要的無功功率。定子動態耗能單元DPC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
定子側動態耗能單元DPC的第一種結構如圖3所示，它是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；由控制器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功率的動態變化。三相雙向交流開關DW可以選擇SCR、IGBT等可關斷半導體器件構建后與A端口連接。這種結構還可以通過多組并聯方式來實現機組輸出有功功率的快速調節，主要調節方式為通過控制器KZQ通過啟動(投入)定子側動態耗能單元DPC中DPC基本單元支路的數量對吸收的功率進行粗調，通過改變DPC基本單元中控制雙向交流開關DW的導通角或占空比對吸收的功率進行微調。當然也可以直接通過調節DPC基本單元中雙向交流開關的導通角或占空比來實現對吸收功率的控制。在圖4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。另外該結構的定子動態耗能單元DPC的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5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。上面所述的三種不同結構還可以實現并聯應用。
權利要求
1.一種具備可靠低電壓穿越能力的雙饋變流器，設有A端口、B端口、C端，其特征在于，雙饋變流器包括定子側動態耗能單元DPC、PWM整流網側變流器GSC、機側逆變變流器RSC、直流卸荷單元DBU、并網快速開關GK、暫態無功電流補償單元TSTATCOM、AD/DC整流開關EK、網側濾波器LB和控制器KZQ ;其中 定子側動態耗能單元DPC、AC/DC整流開關EK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；暫態無功電流補償單元TSTATCOM的交流端由B端口與電網側連接；網側變流器GSC的交流側經過濾波器LB通過B端口與電網連接，機側變流器RSC的交流側由C端口與雙饋發電機的轉子連接，網側變流器GSC與機側變流器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串接在A端口與B端口之間；AC/DC整流開關EK的交流端通過A端口與定子側連接，直流端與公共直流母線連接； 所述的定子側動態耗能單元DPC、網側變流器GSC和機側變流器RSC、直流卸荷單元 DBU、并網快速開關GK、暫態無功電流補償單元TSTATCOM、AC/DC整流開關EK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。
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，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同時連接在網側變流器GSC和機側變流器RSC的直流母線正負極之間。
4.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，所述暫態無功電流補償單元TSTATCOM至少由兩組相同的無功電流補償基本單元并聯組成，每個基本單元由全控器件組成的三相PWM逆變器與濾波電感組成。
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，所述的AC/DC整流開關EK為三相整流橋，三相整流橋采用不控整流橋或半控整流橋或采用全控整流橋； 采用不控整流橋時，其直流輸出將串聯IGBT等類型的可關斷器件，通過控制可關斷器件的通斷來實現AC/DC整流開關的控制； 采用半控整流橋或全控整流橋時，直接通過橋臂上的功率器件的驅動脈沖來實現AC/DC整流開關的控制。
6.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，所述的濾波器LB由電感、電容組成的Π型LCL濾波器或LC濾波器。
7.根據權利要求I飛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，定子側動態耗能單元DPC采用三相雙向可控硅或其他可控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。
8.根據權利要求7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，定子側動態耗能單元DPC采用三相雙向可控硅或其他可控功率器件構成的雙向交流開關DW與功率電阻R組成；其中以一組三相雙向可控硅或其他可控功率器件構成的雙向交流開關DW與功率電阻R為一個DPC基本單元，定子側動態耗能單元DPC中至少含有一個DPC基本單元，當存在兩個以上DPC基本單元時，各DPC基本單元采用并聯方式形成 定子側動態耗能單元DPC組。
全文摘要
本發明涉及一種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、定子動態耗能單元DPC、暫態無功電流補償單元TSTATCOM、AC/DC整流開關EK、濾波器、PWM整流網側變流器GSC、轉子側逆變變流器RSC及控制器KZQ，這種雙饋變流器設有A端口、B端口、C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；定子動態耗能單元DPC的由A端口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，暫態無功電流補償單元TSTATCOM與電網側連接，AC/DC整流開關EK的交流端與雙饋發電機定子連接，直流端與公共直流母線相連接；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H02J3/38GK102832641SQ20121033392
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月11日 優先權日2012年9月11日
發明者王中, 廖恩榮, 黃曉輝, 李志國, 辛志遠 申請人:南京颶能電控自動化設備制造有限公司