CN102324755B - 双馈风力发电***的低电压穿越控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种双馈风力发电***的低电压穿越控制方法及装置，装置包括可逆功率变换器、电机控制器、信号检测电路和撬棒保护电路。撬棒保护电路由三相不控桥式整流器、主释放电路和辅助释放电路组成。当电网发生低电压故障时，可逆功率变换器停止工作，撬棒保护电路中的主释放电路和辅助释放电路同时导通，并联工作快速释放双馈电机转子绕组中的暂态冲击电流；当转子电流衰减至额定值以后，辅助释放电路停止工作，主释放电路继续导通释放转子绕组中的暂态电流；当电网低电压故障切除电压恢复后，可逆功率变换器重新启动工作，撬棒保护电路完全停止工作。本发明穿越能力强、效果好、能缩短低电压穿越的过渡过程时间、加快电网电压恢复、有效防止二次过流。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域，尤其是一种双馈风力发电***的低电压穿越控制方法及装置。
背景技术
近年来，随着风力发电技术的发展，风力发电的装机容量逐年上升，在电网出现故障导致电压跌落后，如果风力发电机组都解列将会带来电力***的暂态不稳定，并可能导致局部甚至***全面瘫痪。因此电力***对风力发电场的运行提出了一系列的要求，包括电网故障穿越能力，即风机并网点电压跌落时，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率以支持电网电压恢复，直到电网电压恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间。
在双馈型风力发电***中，由于双馈电机的定子直接与电网相连接，因此在电网电压跌落时会导致其定子端电压跌落，由于定子磁链不能突变，导致定子磁链中含有直流分量，不对称电网电压跌落还会出现负序分量。由于双馈风力发电***中的双馈电机的并网运行转速通常比较高，这一较高的转速相对于定子磁链中的直流成分和负序成分而言，均具有较大的转差率，从而在双馈电机转子电路中感生出较大的转子电压和转子电流。转子电路中较高的暂态电流量和电压量对转子变流器中半导体器件的安全运行构成了威胁，严重时会导致转子侧变流器保护电路动作甚至烧坏变流器。为了在电网故障期间，保护转子侧变流器，使双馈风力发电机组具有低电压穿越能力，商用双馈风力发电机组大都装有撬棒电路。
目前在低电压穿越中使用的基于IGBT的撬棒保护电路存在缺陷：（1）容量较小不能适应大容量双馈风力发电***，（2）容易引起直流母线电压过压和二次过流等问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单、容量大、性能稳定、控制效果好的双馈风力发电***的低电压穿越控制方法及装置。
技术方案：本发明的双馈风力发电***的低电压穿越控制方法：
当电网发生低电压故障时，通过信号检测电路将检测到的低电压故障信号传递给电机控制器，电机控制器接收信号后发出控制命令，使可逆功率变换器停止工作，同时发出信号开通撬棒保护电路，撬棒保护电路中的主释放电路和辅助释放电路并联工作快速释放双馈电机转子绕组中的暂态冲击电流；
当信号检测电路检测到转子电流衰减至额定值后，电机控制器发出信号使撬棒保护电路中的辅助释放电路关断停止工作，主释放电路继续导通释放双馈电机转子绕组中的暂态电流；
当电网低电压故障切除电压恢复后，电机控制器发出控制信号，重新启动可逆功率变换器工作，同时电机控制器发出控制信号使撬棒保护电路完全停止工作。
实现上述方法的双馈风力发电***的低电压穿越控制装置，包括三相电网、双馈电机转子绕组、可逆功率变换器、撬棒保护电路、信号检测电路和电机控制器，可逆功率变换器机侧三相接线端与双馈电机转子绕组的三相接线端连接，可逆功率变换器网侧三相接线端与三相电网连接；撬棒保护电路连接在双馈电机转子绕组和可逆功率变换器的连接线之间；所述可逆功率变换器、撬棒保护电路和信号检测电路分别与电机控制器连接，其特征在于：所述的撬棒保护电路由三相不控桥式整流器、主释放电路和辅助释放电路组成，主释放电路和辅助释放电路并联后与三相不控桥式整流器串连；主释放电路和辅助释放电路分别由续流二极管、绝缘栅双极晶体管IGBT、电阻和电容构成，续流二极管的阳极与绝缘栅双极晶体管IGBT的发射极连接，续流二极管的阴极与绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT与RCD吸收电路组成并联电路，该并联电路与释放电阻串联。
有益效果：本发明采用撬棒保护电路来实现对低电压穿越的控制，撬棒保护电路由主释放电路和辅助释放电路并联组成，可以释放很大的暂态电流，本低电压穿越装置适用于大容量双馈风力发电***，它不容易损坏；在低电压穿越期间，控制等效释放电阻的阻值大小，一方面很好地保护了可逆功率变换器，另一方面缩短过渡过程时间加快了电网电压恢复，同时有效防止了二次过流。因此，本发明的低电压穿越装置的穿越能力强、效果好。
本发明的主要优点如下：
1、本发明的低电压穿越装置中包括撬棒保护电路，撬棒保护电路中的主释放电路和辅助释放电路并联工作，具备释放大暂态电流的能力。因此，本低电压穿越装置能够适用于大容量双馈风力发电***的低电压穿越控制；
2、在低电压穿越初期，撬棒保护电路中的主释放电路和辅助释放电路同时开通，并联工作，等效释放电阻小，可以很好地限制转子绕组的最大峰值电压，从而保护可逆功率变换器。在低电压穿越后期，撬棒保护电路中的辅助放电路停止工作，主释释放电路继续工作，等效释放电阻大，可以缩短过渡过程时间，同时可以有效地防止二次过流；
3、撬棒保护电路中的吸收电路可以很好地抑制由于IGBT开关造成的过流和过压，保护IGBT。
附图说明
图1为本发明的双馈发电机低电压穿越控制***图。
图2为本发明的撬棒保护电路图。
图中：1-三相电网；2-并网开关；3-风力机；4-双馈电机；5-双馈电机定子绕组；6-双馈电机转子绕组；7-可逆功率变换器；8-电机控制器；9-信号检测电路；10-撬棒保护电路； UR-三相不控桥式整流器；电阻R1；电阻R2；电阻R3；电阻R4；续流二极管D1；续流二极管D2；续流二极管D3；续流二极管D4；绝缘栅双极晶体管IGBT1；绝缘栅双极晶体管IGBT2；电容C1；电容C2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1所示，本发明的双馈风力发电***的低电压穿越控制方法，当电网发生低电压故障时，信号检测电路9将检测到的低电压故障信号传递给电机控制器8，电机控制器8接收到该信号后发出控制命令使可逆功率变换器7停止工作，同时发出信号开通撬棒保护电路10中的主释放电路和辅助释放电路，快速释放双馈电机转子绕组6中的暂态冲击电流，此时主释放电路和辅助释放电路并联工作，撬棒保护电路10中的等效释放电阻较小可以很好地限制转子绕组的最大峰值电压。转子绕组中的暂态电流会从较大的幅值按照指数规律衰减，当信号检测电路9检测到转子电流衰减至额定值后，电机控制器8再发出信号使撬棒保护电路10中的辅助释放电路停止工作，主释放电路继续导通释放双馈电机转子绕组6中的暂态电流，此时撬棒保护电路10中的等效释放电阻较大，可以缩短过渡过程时间，有利于电网电压恢复，同时可以很好地防止二次过流。当电网低电压故障切除电压恢复后，电机控制器8发出控制信号重新启动可逆功率变换器7工作，同时发出控制信号使撬棒保护电路10完全停止工作。
具体参数计算：
实施的样机参数如下表：
| 电机额定容量（MW） | 1.5 |
| 定子额定电压（V） | 690 |
| 额定频率（Hz） | 50 |
| 极对数 | 2 |
| 定转子匝比 | 1:3 |
| 定子额定电流（A） | 1105 |
| 转子额定电流（A） | 453 |
| 转子电阻（Ω） | 0.018 |
| 转子漏感（H） | 0.00013 |
撬棒保护电路中的释放电阻R1、R2的计算：
当释放电阻过小时，转子暂态电流会很大，可能损坏电机，因此，电机暂态电流需要小于安全电流Irsafe，一般安全电流可以取2倍的额定电流。撬棒保护电路的最小释放电阻计算：
式中E rmax是低电压故障时转子绕组中的最大感应电势，x rσ是转子绕组漏电抗，r r是转子绕组电阻。当电网发生短路故障，双馈电机工作于1.3倍的同步速时，转子绕组将感应最大的电动势，为1.3倍的定子额定电压。
样机发生低电压故障时，转子绕组感应的最大电动势为518V，转子漏电抗为0.053欧姆，可以计算出撬棒保护电路的最小释放电阻为：
因此，撬棒保护电路中的释放电阻R1和R2相等，等于2倍的最小释放电阻值，即：R1=R2=1.1Ω。
其他器件参数：IGBT选择3300V，800A；R3=R4=10Ω；C1=C2=4.7μF
本发明实现上述方法的双馈风力发电***的低电压穿越控制装置，包括三相电网1、并网开关2、风力机3、双馈电机4、双馈电机定子绕组5、双馈电机转子绕组6、可逆功率变换器7、电机控制器8、信号检测电路9和撬棒保护电路10。可逆功率变换器7机侧三相接线端与双馈电机转子绕组6的三相接线端连接，可逆功率变换器7网侧三相接线端与三相电网1连接；撬棒保护电路10连接在双馈电机转子绕组6和可逆功率变换器7的连接线之间；所述可逆功率变换器7、撬棒保护电路10和信号检测电路9分别与电机控制器8连接，由电机控制器8控制可逆功率变换器7、撬棒保护电路10和信号检测电路9。所述的撬棒保护电路10由三相不控桥式整流器UR、主释放电路和辅助释放电路组成，主释放电路和辅助释放电路并联后与三相不控桥式整流器串连；主释放电路和辅助释放电路分别由续流二极管、绝缘栅双极晶体管IGBT、电阻和电容构成，续流二极管的阳极与绝缘栅双极晶体管IGBT的发射极连接，续流二极管的阴极与绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT与RCD吸收电路组成并联电路，该并联电路与释放电阻串联。主释放电路和辅助释放电路的器件型号和连接关系完全相同。续流二极管D1的阴极与绝缘栅双极晶体管IGBT1的集电极连接，续流二极管D1的阳极与绝缘栅双极晶体管IGBT1的发射极连接，反向并联实现对绝缘栅双极晶体管IGBT1的保护，电阻R3、续流二极管D3的并联回路与电容C1串联构成RCD吸收电路，绝缘栅双极晶体管IGBT1与该RCD吸收电路组成并联电路，该并联电路与释放电阻R1串联构成主释放电路；续流二极管D2的阴极与绝缘栅双极晶体管IGBT2的集电极连接，续流二极管D2的阳极与绝缘栅双极晶体管IGBT2的发射极连接，反向并联实现对绝缘栅双极晶体管IGBT2的保护，电阻R4、续流二极管D4的并联回路与电容C2串联构成RCD吸收电路，绝缘栅双极晶体管IGBT2与该RCD吸收电路组成并联电路，该并联电路与释放电阻R2串联构成辅助释放电路。
Claims (1)
1.一种双馈风力发电***的低电压穿越控制方法，其特征在于：
当电网发生低电压故障时，通过信号检测电路（9）将检测到的低电压故障信号传递给电机控制器（8），电机控制器（8）接收信号后发出控制命令，使可逆功率变换器（7）停止工作，同时电机控制器（8）发出信号开通撬棒保护电路（10），撬棒保护电路（10）中的主释放电路和辅助释放电路并联工作快速释放双馈电机转子绕组（6）中的暂态冲击电流；
当信号检测电路（9）检测到转子电流衰减至额定值后，电机控制器（8）发出信号使撬棒保护电路（10）中的辅助释放电路关断停止工作，主释放电路继续导通释放双馈电机转子绕组（6）中的暂态电流；
当电网低电压故障切除电压恢复后，电机控制器（8）发出控制信号，重新启动可逆功率变换器（7）工作，同时电机控制器（8）发出控制信号使撬棒保护电路（10）完全停止工作。
2、一种实现权利要求1所述方法的双馈风力发电***的低电压穿越控制装置，包括三相电网（1）、双馈电机转子绕组（6）、可逆功率变换器（7）、撬棒保护电路（10）、信号检测电路（9）和电机控制器(8)，可逆功率变换器（7）机侧三相接线端与双馈电机转子绕组（6）的三相接线端连接，可逆功率变换器（7）网侧三相接线端与三相电网（1）连接；撬棒保护电路（10）连接在双馈电机转子绕组（6）和可逆功率变换器（7）的连接线之间；所述可逆功率变换器（7）、撬棒保护电路（10）和信号检测电路（9）分别与电机控制器（8）连接，其特征在于：所述的撬棒保护电路（10）由三相不控桥式整流器（UR）、主释放电路和辅助释放电路组成，主释放电路和辅助释放电路并联后与三相不控桥式整流器串联；主释放电路和辅助释放电路分别由续流二极管、绝缘栅双极晶体管IGBT、电阻和电容构成，续流二极管的阳极与绝缘栅双极晶体管IGBT的发射极连接，续流二极管的阴极与绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT与RCD吸收电路组成并联电路，该并联电路与释放电阻串联。
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