CN102290826A - 并网异步风力发电机组穿越电网低电压故障的方法 - Google Patents

并网异步风力发电机组穿越电网低电压故障的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于风力发电技术领域的并网异步风力发电机组穿越电网低电压故障的方法。其技术方案如下：在异步风力发电机组和电网接入两串一并无源电阻网络或一串一并无源电阻网络；通过控制Ss1旁路开关、Ss2旁路开关和Sp开关实现穿越电网低电压故障的功能。本发明的有益效果为：使风力发电机组电压、定子电流、转子电流、磁链以及电磁力矩等的瞬态值限制在允许范围内，同时，最大限度地向电网提供有功和无功及电流以支持电网，并促使线路保护装置尽快动作。本发明还能够用于在低电压故障期间吸收发电机的暂态能量，以利于异步风力发电机组的动态稳定。

Description

并网异步风力发电机组穿越电网低电压故障的方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别涉及并网异步风力发电机组穿越电网低电压故障的方法。
背景技术
随着全球化学能源的日益枯竭，风力发电越来越受到人们的重视。虽然在近20年里，风力发电机组不断向大型化发展，但是早期异步风力发电机在风电场中得到了广泛应用，
早期的风电机组容量较小，大多采用结构简单、并网方便的定速异步感应发电机。风力发电***装有软并网装置用于防止风机切入和切出时对电网产生过大的冲击，并配有电容器组为感应电机的起动和运行提供足够的无功补偿，维持电压稳定。这种机组凭借其结构简单、鲁棒性好、成本较低等优势在风机发展初期占据了大部分风电市场。虽然这种风电机组转子侧无电力电子装置，其承受过电压和过电流能力比双馈风机要强，但本发明的研究表明在电压跌落时异步风力发电机产生很大的暂态电流和冲击转矩，导致转轴和齿轮箱不适当的疲劳损伤，低电压穿越能力远没有达到人们所预期的结果。
在发生低电压故障时，过去第一重要的是保护风力发电机组本身，允许风力发电机从电网解列，然而，随着风力发电机组份额的增加，从安全稳定角度考虑，大量的风电机组从电网解列已经是不可接受的了。电网对风电并网提出了新的要求：在发生故障时，MW级风力发电机应提供一定的短路电流以保证电网线路保护装置可靠动作，从而缩小电压骤降影响的范围；同时，参照同步发电机必需具有抵抗电压跌落冲击的能力，如图1所示为国家电网公司试行的低电压穿越的技术要求示意图，A区域内不允许风力发电机从电网解列，B区域内则允许风力发电机从电网解列。
综合考虑MW级异步风力发电机自身的安全性和新的入网规程要求，风力发电机组应满足如下要求：
1)在电网故障电压骤降期间，风力发电机组应最大限度、不间断地向电网提供电流，以保证保护装置可靠动作。
2)风力发电机组齿轮箱和驱动轴的瞬时转矩不得过载200％-250％TN，并且不允许有大的瞬时冲击转矩和极性反转，以免齿轮箱毁坏。
3)为了成功抵御和穿越电网各类故障引起的低电压，可能需要采用功率变换器或辅助电路装置，但变换器或辅助电路装置容量应最小，控制尽量简单，以降低功率损耗及成本。
现有的低电压穿越技术一般可以归纳为四类：一类是采用转子旁路辅助电路(Crowbar Circuit)；一类是转子旁路加定子侧电力电子开关的组合电路；一类是改进励磁变流器控制算法；最后一类是定子侧有源保护电路。这些技术运用于异步风力发电机，由于其表现出的低电压穿越特性不尽相同，各自存在不足。转子保护电路的不足是：①转子保护电路无法兼顾齿轮箱等机械部件的全面保护，②不同故障类型以及不同故障程度下的保护电路参数也难以统一。③转子保护电路将电气应力转化为机械应力，加重了风电机组齿轮箱等机械部件的压力。转子旁路加定子侧电力电子开关的组合电路的不足是要在故障后20ms实现快速并网等操作具有很高的技术难度。定子侧有源保护电路的不足是：在剧烈暂态变化的极端不对称故障期间保持串联变换器(SGSC)有效的矢量控制也是困难的。但仔细分析可以发现，所述四类方法均是针对并网双馈型风力发电机而设计的，并不适合并网型异步风力发电机组。
正是人们认为异步风力发电机组结构简单，转子侧无电力电子装置，其承受过电压和过电流能力比双馈风力发电机要强，故普遍认为该类型风力发电机组的低电压穿越能力强，而疏于对该类型机组在低电压下的电磁、机电特性作深入的研究，因此，目前尚未见到适合并网型异步风力发电机组低电压穿越方法及其辅助装置的报道。
发明内容
本发明针对上述缺陷公开了并网异步风力发电机组穿越电网低电压故障的方法。分为以下步骤：
1)在异步风力发电机组和电网串接两串一并无源电阻网络或一串一并无源电阻网络；
其中两串一并无源电阻网络的连接关系用单相等值电路描述如下：并联有Ss1旁路开关的Rs1电阻与并联有Ss2旁路开关的Rs2电阻串联构成两串一并无源电阻网络的串联支路，Rp电阻与Sp开关串联构成两串一并无源电阻网络的并联支路，异步风力发电机组的火线端接Ss1旁路开关、Rs1电阻和Sp开关的公共节点，电网的火线端接Ss2旁路开关、Rs2电阻和信号检测电路的公共节点，中线N分别连接异步风力发电机组、Rp电阻和电网；开关控制电路分别连接信号检测电路和两串一并无源电阻网络的开关控制端，信号检测电路用于检测电网的电压或输电线的电流；
一串一并无源电阻网络与两串一并无源电阻网络相比去掉了Ss2旁路开关和Rs2电阻，电网的的火线端接Ss1旁路开关和Rs1电阻的公共节点；
2)当电网正常运行时，在两串一并无源电阻网络中，开关控制电路使Ss1旁路开关和Ss2旁路开关闭合，同时使Sp开关断开，Rs1电阻和Rs2电阻被旁路；
在一串一并无源电阻网络中，开关控制电路使Ss1旁路开关闭合，同时使Sp开关断开，Rs1电阻被旁路；
3)当电网出现低电压故障时，在两串一并无源电阻网络中，开关控制电路使Ss1旁路开关和Ss2旁路开关断开，同时使Sp开关闭合，Rs1电阻和Rs2电阻接入异步风力发电机组和电网之间，异步风力发电机输出电流被迫经Rs1电阻和Rs2电阻再流入电网；Rp电阻与异步风力发电机组并联；
在一串一并无源电阻网络中，开关控制电路使Ss1旁路开关断开，同时使Sp开关闭合，Rs1电阻接入异步风力发电机组和电网之间，异步风力发电机输出电流被迫经Rs1电阻再流入电网；Rp电阻与异步风力发电机组并联；
4)当电网电压恢复正常时，在两串一并无源电阻网络中，在开关控制电路控制下，Ss1旁路开关闭合，经0.05s后开关控制电路再控制Ss2旁路开关闭合，Rs1电阻和Rs2电阻再次被旁路，再经0.2s后开关控制电路使Sp开关断开；
在一串一并无源电阻网络中，在开关控制电路控制下，Ss1旁路开关闭合，经0.25s后开关控制电路再控制Sp开关断开，Rs1电阻再次被旁路。
所述信号检测电路用于检测PCC电压和电网公共连接点处的电流。
本发明的有益效果为：采用在异步风力发电机组和电网之间接入无源电阻网络的方法，使大型风力发电机组得以顺利穿越电网低电压故障。无源电阻网络用于在低电压故障期间限制过大的短路电流，使风力发电机组电压、定子电流、转子电流、磁链以及电磁力矩等的瞬态值限制在允许范围内，同时，最大限度地向电网提供有功和无功及电流以支持电网，并促使线路保护装置尽快动作。无源电阻网络还能够用于在低电压故障期间吸收发电机的暂态能量，以利于异步风力发电机组的动态稳定。
附图说明
图1是国家电网公司试行的低电压穿越的技术要求示意图；
图2是异步风力发电机组实现低电压穿越的原理图。
图3A为本发明的一个实施例示意图；
图3B为本发明的另一个实施例示意图；
图4为电网出现三相接地短路故障(PCC电压降到15％额定电压，持续时间为625ms，不采用穿越电网低电压故障措施)时2兆瓦异步风力发电机组的电磁暂态波形；
图5为电网出现两相接地短路故障(PCC电压降到15％额定电压，持续时间为625ms，不采用穿越电网低电压故障措施)时2兆瓦异步风力发电机组的电磁暂态波形；
图6为电网出现单相接地短路故障(PCC电压降到15％额定电压，持续时间为625ms，不采用穿越电网低电压故障措施)时2兆瓦异步风力发电机组的电磁暂态波形；
图7为电网出现相间短路故障(PCC电压降到15％额定电压，持续时间为625ms，不采用穿越电网低电压故障措施)时2兆瓦异步风力发电机组的电磁暂态波形；
图8为电网出现三相接地短路故障(PCC电压降到15％额定电压，持续时间为625ms，采用穿越电网低电压故障的方法)时2兆瓦异步风力发电机组的电磁暂态波形；
图9为电网出现两相接地短路故障(PCC电压降到15％额定电压，持续时间为625ms，采用穿越电网低电压故障的方法)时2兆瓦异步风力发电机组的电磁暂态波形；
图10为电网出现单相接地短路故障(PCC电压降到15％额定电压，持续时间为625ms，采用穿越电网低电压故障的方法)时2兆瓦异步风力发电机组的电磁暂态波形；
图11为电网出现相间短路故障(PCC电压降到15％额定电压，持续时间为625ms，采用穿越电网低电压故障的方法)时2兆瓦异步风力发电机组的电磁暂态波形；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图2所示为异步风力发电机组采用两串一并无源电阻缓冲器实现低电压穿越的原理图。浆风车1、齿轮箱2和异步风力发电机组3将风能转化为电能，无源电阻缓冲器、变压器3、输电线路和电网5依次串联连接，设定变压器是线性的，即不考虑变压器的磁饱和情况。电容器组6连接异步风力发电机组3，用于无功补偿，保证异步风力发电机组接入电网的功率因数在98％以上。无源电阻缓冲器由可控硅开关控制的两个串联电阻和一个并联电阻组成；串联电阻和并联电阻在稳定状态时不投入，即串联电阻被短路，并联电阻被开路。在电网故障时，通过开关动作，接入串联电阻和并联电阻。串联电阻有三个作用：第一，在电压跌落时维持与电网的连接；第二，在电网故障时向电网提供有功、无功以及电流，最大限度地支持电网；第三，在电网短路故障时确保定子电流限制在额定值的两倍以内。并联电阻的主要作用是在电网故障时平衡风力发电机的功率。
实施例一：如图3A所示，并网异步风力发电机组穿越电网低电压故障的方法分为以下步骤：
1)在异步风力发电机组和电网串接两串一并无源电阻网络；其连接关系用单相等值电路描述如下：并联有Ss1旁路开关的Rs1电阻与并联有Ss2旁路开关的Rs2电阻串联构成两串一并无源电阻网络的串联支路，Rp电阻与Sp开关串联构成两串一并无源电阻网络的并联支路，异步风力发电机组的火线端接Ss1旁路开关、Rs1电阻和Sp开关的公共节点，电网的火线端接Ss2旁路开关、Rs2电阻和信号检测电路的公共节点，中线N分别连接异步风力发电机组、Rp电阻和电网；开关控制电路分别连接信号检测电路和两串一并无源电阻网络的开关控制端，信号检测电路用于检测电网的电压或输电线的电流；
2)当电网正常运行时，开关控制电路使Ss1旁路开关和Ss2旁路开关闭合，同时使Sp开关断开，Rs1电阻和Rs2电阻被旁路，不影响风力发电***的正常运行；
3)当电网出现低电压故障时，开关控制电路使Ss1旁路开关和Ss2旁路开关断开，Rs1电阻和Rs2电阻接入异步风力发电机组和电网之间，异步风力发电机输出电流被迫经Rs1电阻和Rs2电阻再流入电网，Rs1电阻和Rs2电阻首先向电网故障点提供有功功率、无功功率和电流，以加速和保证线路保护装置快速、准确地动作；其次，Rs1电阻和Rs2电阻将有效地减缓异步风力发电机组定、转子电流、电磁转矩的剧烈变化，将定子电流、转子电流和电磁转矩限制如下：定子电流、转子电流小于2倍的额定电流，瞬时电磁转矩不得过载200％-250％TN，没有大的瞬时冲击转矩和极性反转。最后，Rs1电阻和Rs2电阻将部分吸收发电机的暂态能量，以助于异步风力发电机组的稳定。
在Ss1旁路开关和Ss2旁路开关断开的同时，开关控制电路使Sp开关闭合，Rp电阻并联接入异步风力发电机组和电网之间，Rp电阻吸收发电机的暂态能量，平衡异步风力发电机组输入的有功和无功功率，增强异步风力发电机组的暂态稳定。
综上所述，Rp电阻、Rs1电阻和Rs2电阻限制短路冲击电流，抑制电磁力矩冲击，抬高异步风力发电机电压；
4)信号检测电路在检测到电压恢复后，开关控制电路使Ss1旁路开关闭合，经0.05s后旁路开关控制电路再控制Ss2旁路开关闭合，Rs1电阻和Rs2电阻再次被旁路，经0.2s后开关控制电路使Sp开关断开。通过分级、分时切换串、并联电阻，减少其状态改变造成的瞬时电流和转矩的冲击。
实施例二：如图3B所示，在异步风力发电机组和电网接入一串一并无源电阻网络，其连接关系如下：与图3A相比，去掉了Ss2旁路开关和Rs2电阻，电网的的火线端接Ss1旁路开关和Rs1电阻的公共节点；
当电网正常运行时，开关控制电路使Ss1旁路开关闭合，同时使Sp开关断开，Rs1电阻被旁路；
当电网出现低电压故障时，开关控制电路使Ss1旁路开关断开，同时使Sp开关闭合，Rs1电阻接入异步风力发电机组和电网之间，异步风力发电机输出电流被迫经Rs1电阻再流入电网；Rp电阻与异步风力发电机组并联；
当电网电压恢复正常时，在开关控制电路控制下，Ss1旁路开关闭合，经0.25s后开关控制电路再控制Sp开关断开，Rs1电阻再次被旁路。
在PCC电压低于额定值的80％或设定值时，Ss1旁路开关、Ss2旁路开关在检测到有电压跌落信号时断开，在电网故障消失或被清除、电压恢复后闭合；Sp开关在电压跌落时闭合，电压恢复后断开。Rs1电阻、Rs2电阻和Rp电阻在稳定运行状态下不起作用。
下面以一台2兆瓦的典型异步风力发电机组为例，研究电网故障引起的低电压对异步风力发电机组的影响。
如图4-图7所示为2兆瓦异步风力发电机组在不采取低电压穿越措施时出现四种典型故障的电磁暂态波形，电磁暂态波形包括定子电压、定子电流、电磁转矩、有功暂态波形和无功暂态波形，2兆瓦异步风力发电机组在6s时出现故障，在6.625s结束故障，可以看到：在电网发生故障电压塌陷和电压恢复的过程中，若不采取低电压穿越措施，异步风力发电机电磁转矩将会剧烈变化，暂态峰值可达2至5倍额定转矩，并且，还伴随有电磁转矩的剧烈振荡，转矩极性重复反转，严重危害异步风力发电机组的变速齿轮箱和大轴的安全。
一方面，电网故障导致的PCC低电压对异步风力发电机组造成了巨大的冲击；另一方面，随着异步风力发电机组份额的增加，以及风电场直接接入大电网，故障时大量的风电机组从电网解列还将危害到电网的安全稳定。
如图8～图11所示，2兆瓦异步风力发电机组采用了本发明所述的并网异步风力发电机组穿越电网低电压故障的方法，其中，电磁暂态波形包括定子电压、定子电流、电磁转矩、有功暂态波形和无功暂态波形，2兆瓦异步风力发电机组在6s时出现故障，6.625s结束故障，同样可以看到：1)在故障期间，接入两串一并无源电阻网络有效地减缓了异步风力发电机组电流、电磁转矩的剧烈变化，定子电流瞬态值小于2倍电流额定值。2)在电压塌陷和电压恢复的过程中，齿轮箱和驱动轴的瞬时转矩小于200％TN，并且没有大的瞬时冲击转矩毛刺和极性反转，避免齿轮箱毁坏。3)在故障期间，定子电流限制在2倍额定值范围内，但短时大于定子电流额定值，这有利于在电网故障期间，风力发电机组不间断地向电网提供电流，以保证保护装置可靠动作。

Claims (2)

1.并网异步风力发电机组穿越电网低电压故障的方法，其特征在于，分为以下步骤：
1)在异步风力发电机组和电网串接两串一并无源电阻网络或一串一并无源电阻网络；
其中两串一并无源电阻网络的连接关系用单相等值电路描述如下：并联有Ss1旁路开关的Rs1电阻与并联有Ss2旁路开关的Rs2电阻串联构成两串一并无源电阻网络的串联支路，Rp电阻与Sp开关串联构成两串一并无源电阻网络的并联支路，异步风力发电机组的火线端接Ss1旁路开关、Rs1电阻和Sp开关的公共节点，电网的火线端接Ss2旁路开关、Rs2电阻和信号检测电路的公共节点，中线N分别连接异步风力发电机组、Rp电阻和电网；开关控制电路分别连接信号检测电路和两串一并无源电阻网络的开关控制端，信号检测电路用于检测电网的电压或输电线的电流；
一串一并无源电阻网络与两串一并无源电阻网络相比去掉了Ss2旁路开关和Rs2电阻，电网的的火线端接Ss1旁路开关和Rs1电阻的公共节点；
2)当电网正常运行时，在两串一并无源电阻网络中，开关控制电路使Ss1旁路开关和Ss2旁路开关闭合，同时使Sp开关断开，Rs1电阻和Rs2电阻被旁路；
在一串一并无源电阻网络中，开关控制电路使Ss1旁路开关闭合，同时使Sp开关断开，Rs1电阻被旁路；
3)当电网出现低电压故障时，在两串一并无源电阻网络中，开关控制电路使Ss1旁路开关和Ss2旁路开关断开，同时使Sp开关闭合，Rs1电阻和Rs2电阻接入异步风力发电机组和电网之间，异步风力发电机输出电流被迫经Rs1电阻和Rs2电阻再流入电网；Rp电阻与异步风力发电机组并联；
在一串一并无源电阻网络中，开关控制电路使Ss1旁路开关断开，同时使Sp开关闭合，Rs1电阻接入异步风力发电机组和电网之间，异步风力发电机输出电流被迫经Rs1电阻再流入电网；Rp电阻与异步风力发电机组并联；
4)当电网电压恢复正常时，在两串一并无源电阻网络中，在开关控制电路控制下，Ss1旁路开关闭合，经0.05s后开关控制电路再控制Ss2旁路开关闭合，Rs1电阻和Rs2电阻再次被旁路，再经0.2s后开关控制电路使Sp开关断开；
在一串一并无源电阻网络中，在开关控制电路控制下，Ss1旁路开关闭合，经0.25s后开关控制电路再控制Sp开关断开，Rs1电阻再次被旁路。
2.根据权利要求1所述的并网异步风力发电机组穿越电网低电压故障的方法，其特征在于，所述信号检测电路用于检测PCC电压和电网公共连接点处的电流。
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