CN103986166B - 适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置及方法，属于风力发电机保护技术领域。本发明为了解决现有风电场电网电压故障保护装置成本高，并在风机功率因数较低状态时对机端电压补偿效果差的问题。它的保护装置连接在风电场风机升压变压器高压侧机端汇流母线与电网汇流母线之间，该保护装置为三单相结构，每一单相结构相同，每一单相结构包括继电器、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、绝缘栅双极型晶体管T和电阻R；方法在电网电压正常时，通过继电器将电阻及功率开关器件旁路，从而避免了电网正常时功率开关器件还处于导通状态造成的损耗问题。本发明用于风电场电网电压故障保护。

Description

适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置及方法

技术领域

本发明涉及适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置及方法，属于风力发电机保护技术领域。

背景技术

双馈风力发电机在电网发生电压跌落故障时会引起转子瞬时过电流、过电压及直流母线电压波动等问题，这些问题的产生不但会对发电机及与其相连的变流器造成严重的后果，更为严重的是，风机的解列还可能使电网***发生更大范围的解列甚至产生电网瘫痪。

现有用于电机保护的电网电压故障保护装置为串联电阻保护装置，其采用串级的方式，由多级电阻串接组成，各级电阻分别并联双向固态开关。在电网正常时，所有双向固态开关导通，一旦检测到电网电压跌落时，依据跌落程度的大小，关断相应双向固态开关使得相应阻值的电阻接入电网。这种方式接入电阻的阻值为分段变化的，因此无法做到对电压的精细补偿，并且它同时需要配合使用大量的双向晶闸管，造成硬件成本较高。它在即使电网电压正常时，也需要晶闸管处于导通状态，这不但增加了开关管损耗，也影响了晶闸管的使用寿命，使保护装置的可靠性下降。同时，现有这种保护装置的串电阻方案由于未考虑风机工作在功率因数较低状态时，串电阻的控制策略优化问题，导致电阻对机端电压补偿效果严重下降。

发明内容

本发明目的是为了解决现有风电场电网电压故障保护装置成本高，并在风机功率因数较低状态时对机端电压补偿效果差的问题，提供了一种适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置及方法。

本发明所述适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置，该保护装置连接在风电场风机升压变压器高压侧机端汇流母线与电网汇流母线之间，该保护装置为三单相结构，每一单相结构相同，每一单相结构包括继电器、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、绝缘栅双极型晶体管T和电阻R，

第一功率二极管D1的阳极连接电网汇流母线，第一功率二极管D1的阴极连接第二功率二极管D2的阴极，第二功率二极管D2的阳极连接机端汇流母线，第二功率二极管D2的阳极连接第四功率二极管D4的阴极，第四功率二极管D4的阳极连接第三功率二极管D3的阳极，第三功率二极管D3的阴极连接第一功率二极管D1的阳极；

绝缘栅双极型晶体管T的集电极连接第一功率二极管D1的阴极，绝缘栅双极型晶体管T的发射极连接第四功率二极管D4的阳极，电阻R与绝缘栅双极型晶体管T相并联；

继电器一端连接电网汇流母线，继电器另一端连接机端汇流母线。

绝缘栅双极型晶体管T的栅极采用PWM驱动控制。

一种适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护方法，该保护方法基于上述的适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置实现，所述保护方法包括以下步骤：

步骤一：电网电压正常时，采集机端汇流母线电压值和电网汇流母线值，经快速傅里叶变换获得机端汇流母线正常电压幅值|v_WTG|^*和电网汇流母线正常电压幅值|v_PCC|^*；

步骤二：采集机端汇流母线当前电流值i_WTG、机端汇流母线当前电压值v_WTG和电网汇流母线当前电压值v_PCC，经快速傅里叶变换获得机端汇流母线当前电流幅值|i_WTG|、机端汇流母线当前电压幅值|v_WTG|和电网汇流母线当前电压幅值|v_PCC|；

步骤三：将电网汇流母线当前电压幅值|v_PCC|与电网汇流母线正常电压幅值|v_PCC|^*进行比较，进行电网故障判断；当判断电网故障发生时，执行步骤四；

步骤四：计算当前电网电压跌落深度，再根据电网电压跌落深度进行计算，获得PWM驱动信号的占空比，使电阻R的阻值获得调整，串入机端汇流母线与电网汇流母线之间，实现对风电场电网电压的故障保护。

步骤三中进行电网故障判断的具体方法为：

当|v_PCC|＜0.9|v_PCC|^*时，判定电网故障发生。

步骤四中，获得PWM驱动信号的占空比的具体方法为：

当前电网电压跌落深度k为：

$k=\frac{{\left|v_{\mathrm{PCC}}\right|}^{*}-\left|v_{\mathrm{PCC}}\right|}{{\left|v_{\mathrm{PCC}}\right|}^{*}};$

根据电网电压跌落深度k计算获得机端汇流母线与电网汇流母线之间串入的等效电阻初值R_eq0：

$R_{\mathrm{eq}0}=\frac{k{\left|v_{\mathrm{WTG}}\right|}^{*}}{\left|i_{\mathrm{WTG}}\right|};$

将机端汇流母线正常电压幅值|v_WTG|^*与机端汇流母线当前电压幅值|v_WTG|进行比较，获得故障电压误差，再将该故障电压误差经过PI环节调节，得到电阻R的调整值ΔR，计算获得当前等效电阻R_eq：

R_eq＝R_eq0+ΔR；

由此获得PWM驱动信号的占空比D：

$D=1-\frac{R_{\mathrm{eq}}}{R};$

再根据机端汇流母线当前电流值i_WTG与机端汇流母线当前电压值v_WTG的符号，对PWM驱动信号的占空比D进行修正，获得最终的占空比D：

$D=\left\{\begin{array}{cc}1-\frac{R_{\mathrm{eq}}}{R}& (i_{\mathrm{WTG}\·}{v}_{\mathrm{WTG}}>0)\\ 1& (i_{\mathrm{WTG}}\·v_{\mathrm{WTG}}\≤0)\end{array}\right..$

本发明的优点：本发明适用于宽功率因数范围的电压穿越保护，其电阻R的阻值连续可调。所述方法在电网电压正常时，通过继电器将电阻及功率开关器件旁路，从而避免了电网正常时功率开关器件还处于导通状态造成的损耗问题，延长了功率开关器件的使用寿命，提高了保护装置的可靠性。当电网发生电压跌落故障时，采用PWM驱动控制与电阻并联的IGBT，通过改变PWM占空比，即可实现串入电阻的等效阻值的动态调节，进而实现对机端补偿电压大小的控制。其连续可调电阻阻值调节精度为0.1％，能使电压的补偿精度大大提升。

附图说明

图1是本发明所述适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置及方法的原理示意图；

图2是本发明方法中保护装置的投切策略流程图；

图3是仿真实验中未通过电阻进行电压幅值补偿时的机端电压波形图；

图4是未加本发明保护装置时，电压跌落引起风机转子感生出较大的暂态电流波形图；

图5是串接连续可调电阻保护装置后的机端电压波形图；

图6是串接连续可调电阻保护装置后的机端转子输出电流波形图；

图7是未通过电阻进行电压幅值补偿的机端电压波形图；

图8是机端电压跌落导致风机不能正常向电网输送有功功率时，风机输出有功功率波形图；

图9是串接连续可调电阻保护装置后的机端电压波形图；

图10是串接连续可调电阻保护装置后的风机输出有功功率波形图；

图11是仿真实验的传统方案中，风机机端电压波形图；

图12是仿真实验的传统方案中，风机输出有功功率的波形图；

图13是仿真实验的传统方案中，风机输出无功功率的波形图；

图14是仿真实验的传统方案中，风机三相转子电波波形图；

图15是仿真实验中采用本发明方案后，风机机端电压波形图；

图16是仿真实验中采用本发明方案后，风机输出有功功率的波形图；

图17是仿真实验中采用本发明方案后，风机输出无功功率的波形图；

图18是仿真实验中采用本发明方案后，风机三相转子电波波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置，该保护装置连接在风电场风机升压变压器高压侧机端汇流母线与电网汇流母线之间，该保护装置为三单相结构，每一单相结构相同，每一单相结构包括继电器1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、绝缘栅双极型晶体管T和电阻R，

第一功率二极管D1的阳极连接电网汇流母线，第一功率二极管D1的阴极连接第二功率二极管D2的阴极，第二功率二极管D2的阳极连接机端汇流母线，第二功率二极管D2的阳极连接第四功率二极管D4的阴极，第四功率二极管D4的阳极连接第三功率二极管D3的阳极，第三功率二极管D3的阴极连接第一功率二极管D1的阳极；

绝缘栅双极型晶体管T的集电极连接第一功率二极管D1的阴极，绝缘栅双极型晶体管T的发射极连接第四功率二极管D4的阳极，电阻R与绝缘栅双极型晶体管T相并联；

继电器1一端连接电网汇流母线，继电器1另一端连接机端汇流母线。

本实施方式所述保护装置采用三单相结构，每一相分别串接在风机升压变压器高压侧WTG和汇流母线PCC之间。每一相装置均由功率二极管构成的不控整流电路及并联IGBT的电阻共同组成。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述绝缘栅双极型晶体管T的栅极采用PWM驱动控制。

具体实施方式三：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护方法，该保护方法基于实施方式一或二所述的适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置实现，所述保护方法包括以下步骤：

步骤一：电网电压正常时，采集机端汇流母线电压值和电网汇流母线值，经快速傅里叶变换获得机端汇流母线正常电压幅值|v_WTG|^*和电网汇流母线正常电压幅值|v_PCC|^*；

步骤二：采集机端汇流母线当前电流值i_WTG、机端汇流母线当前电压值v_WTG和电网汇流母线当前电压值v_PCC，经快速傅里叶变换获得机端汇流母线当前电流幅值|i_WTG|、机端汇流母线当前电压幅值|v_WTG|和电网汇流母线当前电压幅值|v_PCC|；

步骤三：将电网汇流母线当前电压幅值|v_PCC|与电网汇流母线正常电压幅值|v_PCC|^*进行比较，进行电网故障判断；当判断电网故障发生时，执行步骤四；

步骤四：计算当前电网电压跌落深度，再根据电网电压跌落深度进行计算，获得PWM驱动信号的占空比，使电阻R的阻值获得调整，串入机端汇流母线与电网汇流母线之间，实现对风电场电网电压的故障保护。

本实施方式中，当判断电网发生电压跌落故障，则将保护装置两端的继电器断开，切入串电阻工作模式。

工作原理：以第一功率二极管D1的阳极和第三功率二极管D3的阴极连接后的引出线端点作为A点，以第二功率二极管D2的阳极和第四功率二极管D4的阴极连接后的引出线端点作为B点,则AB点之间的电压用v_AB表示，当v_AB＞0且PWM为高电平时，电流由D1流经IGBT集电极流入，由发射极流出后流经D4再流向B，由于电流未流经电阻所以该过程未抬高A点电压。

当v_AB＞0且PWM为低电平时，电流流经D1、电阻R、D4再流向B，流经电阻R的电流使得A点相对B点电压抬高。

v_AB＜0时工作原理类似，不再赘述。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述步骤三中进行电网故障判断的具体方法为：

当|v_PCC|＜0.9|v_PCC|^*时，判定电网故障发生。

具体实施方式五：下面结合图1至图18说明本实施方式，本实施方式对实施方式三或四作进一步说明，所述步骤四中，获得PWM驱动信号的占空比的具体方法为：

当前电网电压跌落深度k为：

$k=\frac{{\left|v_{\mathrm{PCC}}\right|}^{*}-\left|v_{\mathrm{PCC}}\right|}{{\left|v_{\mathrm{PCC}}\right|}^{*}};$

根据电网电压跌落深度k计算获得机端汇流母线与电网汇流母线之间串入的等效电阻初值R_eq0：

$R_{\mathrm{eq}0}=\frac{k{\left|v_{\mathrm{WTG}}\right|}^{*}}{\left|i_{\mathrm{WTG}}\right|};$

将机端汇流母线正常电压幅值|v_WTG|^*与机端汇流母线当前电压幅值|v_WTG|进行比较，获得故障电压误差，再将该故障电压误差经过PI环节调节，得到电阻R的调整值ΔR，计算获得当前等效电阻R_eq：

R_eq＝R_eq0+ΔR；

由此获得PWM驱动信号的占空比D：

$D=1-\frac{R_{\mathrm{eq}}}{R};$

再根据机端汇流母线当前电流值i_WTG与机端汇流母线当前电压值v_WTG的符号，对PWM驱动信号的占空比D进行修正，获得最终的占空比D：

$D=\left\{\begin{array}{cc}1-\frac{R_{\mathrm{eq}}}{R}& (i_{\mathrm{WTG}\·}{v}_{\mathrm{WTG}}>0)\\ 1& (i_{\mathrm{WTG}}\·v_{\mathrm{WTG}}\≤0)\end{array}\right..$

仿真实验：在PSCAD/EMTDC里搭建包含串连续可调电阻保护装置的双馈风力发电***仿真模型，风机采用0.9MW双馈风力发电机，机组通过机端升压变压器由690V升到20kV，汇集后经串联电阻后接入无穷大电网。汇流母线PCC发生接地故障，故障时间从0.6s到0.8s，持续时间为0.2s。仿真结果如图3至图18所示。图3至图6是汇流母线PCC处电网电压A相跌落40％时加保护装置前后机端电压v_WTG和三相转子电流。图3中，A相电压跌落40％。由图5及图6可以看到保护装置能够保证电网发生单相跌落故障时风机机端电压保持在额定值，同时保证风机转子输出电流维持在正常水平。

图7至图10是PCC处电网电压发生三相对称跌落80％时，加保护装置前后机端电压v_WTG和风机输出的有功功率波形图。图7中，0.6s-0.8s机端电压对称跌落80％。图8中风机输出的有功功率大幅下降，由0.6MW将至0.1MW左右。由图9和图10可以看出，串连续可调电阻保护装置后，能够保证在电网故障发生严重对称跌落80％时，机端电压迅速恢复到正常水平，同时使风机正常地输出有功功率。

传统的串电阻风机保护装置仅适用于风电场功率因数为0.9-1的场合，本发明则可在低功率因数优化控制的基础上，实现功率因数0.4-1的较宽范围内风机的故障穿越能力。为了突出本发明的宽功率因数范围适用特点，下面模拟了风机在正常工况情形下，选择功率因数为0.65，风机输出有功功率为0.6MW，输出无功功率为0.7MVar时，同时电网发生三相电压对称跌落40％的故障状态，分别采用传统串电阻方案和本发明进行了如下的对比仿真验证。

图11至图18是在0.9s后PCC处三相电压对称跌落40％时，本发明与传统串电阻方案的补偿效果对比图。图11为传统串级电阻方案补偿后，机端电压出现严重波动，这是因为只有风机机端电压和风机输出电流同向时，电阻才会起到提升机端电压幅值作用；机端电压和输出电流方向相反时，电阻的串入会加大机端电压的跌落程度。由图12至图14可以看出，机端电压的波动引起风机输出有功功率和无功功率的波动，同时引起风机转子电流感生出较大的暂态电流。由图15至图18所示可知，采用本发明方案后，风机机端电压始终维持在额定值，风机能够正常向电网输送0.6MW的有功功率和0.7MVar的无功功率，由于机端电压稳定，所以也保证了三相转子电流在电网电压故障时也能维持在稳定状态。

Claims (5)

1.一种适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置，该保护装置连接在风电场风机升压变压器高压侧机端汇流母线与电网汇流母线之间，其特征在于，该保护装置为三单相结构，每一单相结构相同，每一单相结构包括继电器(1)、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、绝缘栅双极型晶体管T和电阻R，所述电阻R的阻值连续可调；

第一功率二极管D1的阳极连接电网汇流母线，第一功率二极管D1的阴极连接第二功率二极管D2的阴极，第二功率二极管D2的阳极连接机端汇流母线，第二功率二极管D2的阳极连接第四功率二极管D4的阴极，第四功率二极管D4的阳极连接第三功率二极管D3的阳极，第三功率二极管D3的阴极连接第一功率二极管D1的阳极；

绝缘栅双极型晶体管T的集电极连接第一功率二极管D1的阴极，绝缘栅双极型晶体管T的发射极连接第四功率二极管D4的阳极，电阻R与绝缘栅双极型晶体管T相并联；

继电器(1)一端连接电网汇流母线，继电器(1)另一端连接机端汇流母线。

2.根据权利要求1所述的适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置，其特征在于，绝缘栅双极型晶体管T的栅极采用PWM驱动控制。

3.一种适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护方法，该保护方法基于权利要求2所述的适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置实现，其特征在于，所述保护方法包括以下步骤：

步骤一：电网电压正常时，采集机端汇流母线电压值和电网汇流母线值，经快速傅里叶变换获得机端汇流母线正常电压幅值|v_WTG|^*和电网汇流母线正常电压幅值|v_PCC|^*；

步骤二：采集机端汇流母线当前电流值i_WTG、机端汇流母线当前电压值v_WTG和电网汇流母线当前电压值v_PCC，经快速傅里叶变换获得机端汇流母线当前电流幅值|i_WTG|、机端汇流母线当前电压幅值|v_WTG|和电网汇流母线当前电压幅值|v_PCC|；

步骤三：将电网汇流母线当前电压幅值|v_PCC|与电网汇流母线正常电压幅值|v_PCC|^*进行比较，进行电网故障判断；当判断电网故障发生时，执行步骤四；

步骤四：计算当前电网电压跌落深度，再根据电网电压跌落深度进行计算，获得PWM驱动信号的占空比，使电阻R的阻值获得调整，串入机端汇流母线与电网汇流母线之间，实现对风电场电网电压的故障保护。

4.根据权利要求3所述的适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护方法，其特征在于，步骤三中进行电网故障判断的具体方法为：

当|v_PCC|<0.9|v_PCC|^*时，判定电网故障发生。

5.根据权利要求4所述的适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护方法，其特征在于，步骤四中，获得PWM驱动信号的占空比的具体方法为：

当前电网电压跌落深度k为：

$k=\frac{|v_{PCC}{|}^{*}-|v_{PCC}|}{|v_{PCC}{|}^{*}};$

根据电网电压跌落深度k计算获得机端汇流母线与电网汇流母线之间串入的等效电阻初值R_eq0：

$R_{eq0}=\frac{k|v_{WTG}{|}^{*}}{\left|i_{WTG}\right|};$

将机端汇流母线正常电压幅值|v_WTG|^*与机端汇流母线当前电压幅值|v_WTG|进行比较，获得故障电压误差，再将该故障电压误差经过PI环节调节，得到电阻R的调整值△R，计算获得当前等效电阻R_eq：

R_eq＝R_eq0+△R；

由此获得PWM驱动信号的占空比D：

$D=1-\frac{R_{eq}}{R};$

再根据机端汇流母线当前电流值i_WTG与机端汇流母线当前电压值v_WTG的符号，对PWM驱动信号的占空比D进行修正，获得最终的占空比D：

$D=\left\{\begin{array}{cc}1-\frac{R_{eq}}{R},& i_{WTG}.v_{WTG}>0\\ 1,& i_{WTG}.v_{WTG}\&le;0\end{array}\right..$