適用寬功率因數范圍的風電場電網電壓故障保護裝置及方法
【專利摘要】適用寬功率因數范圍的風電場電網電壓故障保護裝置及方法，屬于風力發電機保護【技術領域】。本發明為了解決現有風電場電網電壓故障保護裝置成本高，并在風機功率因數較低狀態時對機端電壓補償效果差的問題。它的保護裝置連接在風電場風機升壓變壓器高壓側機端匯流母線與電網匯流母線之間，該保護裝置為三單相結構，每一單相結構相同，每一單相結構包括繼電器、第一功率二極管D1、第二功率二極管D2、第三功率二極管D3、第四功率二極管D4、絕緣柵雙極型晶體管T和電阻R；方法在電網電壓正常時，通過繼電器將電阻及功率開關器件旁路，從而避免了電網正常時功率開關器件還處于導通狀態造成的損耗問題。本發明用于風電場電網電壓故障保護。
【專利說明】適用寬功率因數范圍的風電場電網電壓故障保護裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及適用寬功率因數范圍的風電場電網電壓故障保護裝置及方法，屬于風力發電機保護【技術領域】。
【背景技術】
[0002]雙饋風力發電機在電網發生電壓跌落故障時會引起轉子瞬時過電流、過電壓及直流母線電壓波動等問題，這些問題的產生不但會對發電機及與其相連的變流器造成嚴重的后果，更為嚴重的是，風機的解列還可能使電網系統發生更大范圍的解列甚至產生電網癱瘓。
[0003]現有用于電機保護的電網電壓故障保護裝置為串聯電阻保護裝置，其采用串級的方式，由多級電阻串接組成，各級電阻分別并聯雙向固態開關。在電網正常時，所有雙向固態開關導通，一旦檢測到電網電壓跌落時，依據跌落程度的大小，關斷相應雙向固態開關使得相應阻值的電阻接入電網。這種方式接入電阻的阻值為分段變化的，因此無法做到對電壓的精細補償，并且它同時需要配合使用大量的雙向晶閘管，造成硬件成本較高。它在即使電網電壓正常時，也需要晶閘管處于導通狀態，這不但增加了開關管損耗，也影響了晶閘管的使用壽命，使保護裝置的可靠性下降。同時，現有這種保護裝置的串電阻方案由于未考慮風機工作在功率因數較低狀態時，串電阻的控制策略優化問題，導致電阻對機端電壓補償效果嚴重下降。

【發明內容】

[0004]本發明目的是為了解決現有風電場電網電壓故障保護裝置成本高，并在風機功率因數較低狀態時對機端電壓補償效果差的問題，提供了一種適用寬功率因數范圍的風電場電網電壓故障保護裝置及方法。
[0005]本發明所述適用寬功率因數范圍的風電場電網電壓故障保護裝置，該保護裝置連接在風電場風機升壓變壓器高壓側機端匯流母線與電網匯流母線之間，該保護裝置為三單相結構，每一單相結構相同，每一單相結構包括繼電器、第一功率二極管D1、第二功率二極管D2、第三功率二極管D3、第四功率二極管D4、絕緣柵雙極型晶體管T和電阻R，
[0006]第一功率二極管Dl的陽極連接電網匯流母線，第一功率二極管Dl的陰極連接第二功率二極管D2的陰極，第二功率二極管D2的陽極連接機端匯流母線，第二功率二極管D2的陽極連接第四功率二極管D4的陰極，第四功率二極管D4的陽極連接第三功率二極管D3的陽極，第三功率二極管D3的陰極連接第一功率二極管Dl的陽極；
[0007]絕緣柵雙極型晶體管T的集電極連接第一功率二極管Dl的陰極，絕緣柵雙極型晶體管T的發射極連接第四功率二極管D4的陽極，電阻R與絕緣柵雙極型晶體管T相并聯；
[0008]繼電器一端連接電網匯流母線，繼電器另一端連接機端匯流母線。
[0009]絕緣柵雙極型晶體管T的柵極采用PWM驅動控制。[0010]一種適用寬功率因數范圍的風電場電網電壓故障保護方法，該保護方法基于上述的適用寬功率因數范圍的風電場電網電壓故障保護裝置實現，所述保護方法包括以下步驟:
[0011]步驟一:電網電壓正常時，采集機端匯流母線電壓值和電網匯流母線值，經快速傅里葉變換獲得機端匯流母線正常電壓幅值|vWTCr和電網匯流母線正常電壓幅值|vrccr;
[0012]步驟二:采集機端匯流母線當前電流值iWTC、機端匯流母線當前電壓值Vwtc和電網匯流母線當前電壓值VPCC，經快速傅里葉變換獲得機端匯流母線當前電流幅值I Iwtg 1、機端匯流母線當前電壓幅值IvwtcI和電網匯流母線當前電壓幅值IvrccI ;
[0013]步驟三:將電網匯流母線當前電壓幅值IvrccI與電網匯流母線正常電壓幅值卜^*進行比較，進行電網故障判斷；當判斷電網故障發生時，執行步驟四；
[0014]步驟四:計算當前電網電壓跌落深度，再根據電網電壓跌落深度進行計算，獲得PWM驅動信號的占空比，使電阻R的阻值獲得調整，串入機端匯流母線與電網匯流母線之間，實現對風電場電網電壓的故障保護。
[0015]步驟三中進行電網故障判斷的具體方法為:
[0016]當Vpcc < 0.9 I Vrcc 時，判定電網故障發生。
[0017]步驟四中，獲得PWM驅動信號的占空比的具體方法為:
[0018]當前電網電壓跌落深度k為:
【權利要求】
1.一種適用寬功率因數范圍的風電場電網電壓故障保護裝置，該保護裝置連接在風電場風機升壓變壓器高壓側機端匯流母線與電網匯流母線之間，其特征在于，該保護裝置為三單相結構，每一單相結構相同，每一單相結構包括繼電器(I)、第一功率二極管D1、第二功率二極管D2、第三功率二極管D3、第四功率二極管D4、絕緣柵雙極型晶體管T和電阻R， 第一功率二極管Dl的陽極連接電網匯流母線，第一功率二極管Dl的陰極連接第二功率二極管D2的陰極，第二功率二極管D2的陽極連接機端匯流母線，第二功率二極管D2的陽極連接第四功率二極管D4的陰極，第四功率二極管D4的陽極連接第三功率二極管D3的陽極，第三功率二極管D3的陰極連接第一功率二極管Dl的陽極； 絕緣柵雙極型晶體管T的集電極連接第一功率二極管Dl的陰極，絕緣柵雙極型晶體管T的發射極連接第四功率二極管D4的陽極，電阻R與絕緣柵雙極型晶體管T相并聯； 繼電器(I) 一端連接電網匯流母線，繼電器(I)另一端連接機端匯流母線。
2.根據權利要求1所述的適用寬功率因數范圍的風電場電網電壓故障保護裝置，其特征在于，絕緣柵雙極型晶體管T的柵極采用PWM驅動控制。
3.一種適用寬功率因數范圍的風電場電網電壓故障保護方法，該保護方法基于權利要求2所述的適用寬功率因數范圍的風電場電網電壓故障保護裝置實現，其特征在于，所述保護方法包括以下步驟: 步驟一:電網電壓正常時，采集機端匯流母線電壓值和電網匯流母線值，經快速傅里葉變換獲得機端匯流母線正常電壓幅值|vWTCr和電網匯流母線正常電壓幅值Ivrcc廣； 步驟二:采集機端匯流母線當前電流值iWTC、機端匯流母線當前電壓值Vwtc和電網匯流母線當前電壓值Vprc，經快速傅里葉變換獲得機端匯流母線當前電流幅值I iWTC|、機端匯流母線當前電壓幅值IvwtcI和電網匯流母線當前電壓幅值IvrccI ; 步驟三:將電網匯流母線當前電壓幅值IvrccI與電網匯流母線正常電壓幅值|%^*進行比較，進行電網故障判斷；當判斷電網故障發生時，執行步驟四； 步驟四:計算當前電網電壓跌落深度，再根據電網電壓跌落深度進行計算，獲得PWM驅動信號的占空比，使電阻R的阻值獲得調整，串入機端匯流母線與電網匯流母線之間，實現對風電場電網電壓的故障保護。
4.根據權利要求3所述的適用寬功率因數范圍的風電場電網電壓故障保護方法，其特征在于，步驟三中進行電網故障判斷的具體方法為: 當Vpcc < 0.QlvrccI*時,判定電網故障發生。
5.根據權利要求4所述的適用寬功率因數范圍的風電場電網電壓故障保護方法，其特征在于，步驟四中，獲得PWM驅動信號的占空比的具體方法為: 當前電網電壓跌落深度k為:

氺 J _ vPCC — vPCC /V* ~"y.vIjCC.， 根據電網電壓跌落深度k計算獲得機端匯流母線與電網匯流母線之間串入的等效電阻初值Reqtl:
【文檔編號】H02J3/14GK103986166SQ201410239136
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】鄭雪梅, 王春, 李秋明, 李朋, 曹瀚楠, 丁丹枚 申請人:哈爾濱工業大學