CN107658905B - 一种基于双馈风电场的电网故障穿越***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于双馈风电场的电网故障穿越***和方法，所述***包括：多个双馈异步风力发电机、逆变单元、隔离变压器、整流单元、串联补偿器和耦合变压器；隔离变压器包括至少一个副边绕组；任一发电机的直流侧连接对应一个逆变单元；多个逆变单元级联后与隔离变压器的原边绕组连接；隔离变压器的任一副边绕组连接对应一个整流单元，任一整流单元连接串联补偿器，任一串联补偿器连接对应耦合变压器的原边；三个耦合变压器的副边分别与双馈风电场和电网连接的三相线路串联。本发明提供的***和方法，撤除了传统补偿装置直流侧储能装置，降低了生产成本，通过串联补偿器注入补偿电压，保证双馈风电场的故障穿越运行。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子应用技术领域，尤其涉及一种基于双馈风电场的电网故障穿越***和方法。
背景技术
双馈异步风力发电机(DFIG，Double-Fed Induction Generator)是一种绕线式感应发电机，具备有功和无功功率独立控制、可变速运行及励磁变流器容量小等特点，是变速恒频风力发电机组的核心部件，也是风力发电机组国产化的关键部件之一。
目前，以双馈风电场为主的大型并网风电场容量不断提升，使得该类型发电***与电网的相互影响越来越重要。由于双馈异步风力发电机的定子直接与电网相连，当电网发生故障，导致电网电压骤降时，发电机极易产生过电压和过电流，因此应采取有效的措施避免电网故障时转子过电压、过电流问题，使得双馈异步发电机风电***具备一定的故障穿越能力，如何进一步提高双馈风场在电网故障情况的不间断运行能力成为当前研究的热点问题。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在电网故障容易导致双馈异步风力发电机过电压过电流的问题，提供了一种基于双馈风电场的电网故障穿越***。
一方面，本发明提出一种基于双馈风电场的电网故障穿越***，包括：多个双馈异步风力发电机、多个逆变单元、一个隔离变压器、至少一个整流单元、至少一个串联补偿器和三个耦合变压器；所述隔离变压器由一个原边绕组和至少一个副边绕组构成；所述串联补偿器由逆变器和滤波器构成；每一所述双馈异步风力发电机对应一个所述逆变单元，任一双馈异步风力发电机的直流侧连接对应逆变单元的输入侧；所述多个逆变单元的输出侧级联后与所述隔离变压器的原边绕组连接；隔离变压器的每一副边绕组对应一个所述整流单元和一个串联补偿器，所述隔离变压器的任一副边绕组连接对应整流单元的输入侧，任一所述整流单元的输出侧连接对应串联补偿器的输入侧，任一所述串联补偿器的输出侧连接对应耦合变压器的原边；所述三个耦合变压器的副边分别与所述双馈风电场和电网连接的三相线路串联。
优选地，还包括三个旁路开关，每一所述旁路开关对应一个所述耦合变压器，任一所述旁路开关与对应的所述耦合变压器的副边并联；当电网状态正常时，所述旁路开关闭合。
优选地，所述隔离变压器的副边绕组、整流单元和串联补偿器的数量为三个。
优选地，所述逆变单元为H桥逆变单元；所述整流单元为不控整流单元。
优选地，所述串联补偿器中的逆变器为全桥逆变单元，所述逆变器中的开关为IGBT。
另一方面，本发明提出一种基于上述***的电网故障穿越方法，包括：S1，电网发生故障时，解除串联补偿器中的逆变器的开关封锁，控制所述串联补偿器向双馈风电场和电网连接的线路注入补偿电压；其中，所述串联补偿器的能量由多个双馈异步风力发电机的直流侧通过逆变单元后级联，再经过隔离变压器和整流单元提供。
优选地，还包括：S01，实时检测所述电网的电压，通过均方值法计算电网电压的跌落深度；S02，根据所述电网电压的跌落深度判断电网的故障情况。
优选地，所述步骤S1还包括：当电网发生故障时，断开与耦合变压器的副边并联的旁路开关。
优选地，所述步骤S1中控制所述串联补偿器向所述电网注入控制电压的大小进一步包括：根据双馈异步风力发电机的定子电压和电流，获取定子磁链的正序分量以及负序分量与暂态直流分量的和；将所述正序分量以及负序分量与暂态直流分量的和，分别与对应的参考值比较，并经过PI调节得到调制电压信号；对所述调制电压信号进行限幅和SPWM调制，获取串联补偿器中逆变器的控制脉冲；根据所述控制脉冲控制所述串联补偿器中的逆变器输出电压的大小，抑制定转子过电流。
优选地，所述步骤S1前还包括：通过PI调节和PR控制器实现所述多个双馈异步风力发电机的直流侧电压的稳定输出。
本发明提供的一种基于双馈风电场的电网故障穿越***和方法，通过多个DFIG级联后经过隔离变压器为串联补偿器提供能量，代替了传统补偿装置直流侧的储能装置，降低了生产成本。电网发生故障时，通过串联补偿器向风电场与电网连接的线路中注入适当的补偿电压，抑制双馈风机的转子过电流和过电压，保证双馈风电场的故障穿越运行。
附图说明
图1为本发明具体实施例的一种基于双馈风电场的电网故障穿越***的结构示意图；
图2为双馈异步风力发电机的变流器的结构示意图；
图3为本发明具体实施例的一种基于双馈风电场的电网故障穿越***的结构示意图；
图4为H桥逆变单元的结构示意图；
图5为不控型全桥整流单元的结构示意图；
图6为本发明具体实施例的故障判断和串联补偿器的控制框图；
图7为本发明具体实施例的双馈异步风力发电机直流侧电压的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明具体实施例的一种基于双馈风电场的电网故障穿越***的结构示意图，如图1所示，基于双馈风电场的电网故障穿越***，包括：多个双馈异步风力发电机、多个逆变单元、一个隔离变压器、至少一个整流单元、至少一个串联补偿器和三个耦合变压器；所述隔离变压器由一个原边绕组和至少一个副边绕组构成；所述串联补偿器由逆变器和滤波器构成；每一所述双馈异步风力发电机对应一个所述逆变单元，任一双馈异步风力发电机的直流侧连接对应逆变单元的输入侧；所述多个逆变单元的输出侧级联后与所述隔离变压器的原边绕组连接；隔离变压器的每一副边绕组对应一个所述整流单元和一个串联补偿器，所述隔离变压器的任一副边绕组连接对应整流单元的输入侧，任一所述整流单元的输出侧连接对应串联补偿器的输入侧，任一所述串联补偿器的输出侧连接对应耦合变压器的原边；所述三个耦合变压器的副边分别与所述双馈风电场和电网连接的三相线路串联。
具体地，所述基于双馈风电场的电网故障穿越***包括多个双馈异步风力发电机(DFIG，Double-Fed Induction Generator)，DFIG是目前应用最为广泛的风力发电机，由定子绕组直连定频三相电网的绕线型异步发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT电压源变流器组成，图2为双馈异步风力发电机的变流器的结构示意图，参考图2，安装在转子绕组上的电压源变流器将DFIG产生的交流电压整流为直流电压。本发明具体实施例中，将DFIG的直流侧，即DFIG变流器的直流母线与逆变单元连接，由于所述***中包括多个DFIG，则所述***中对应包括与DFIG数量相同的逆变单元，所述逆变单元将DFIG直流侧的直流电压逆变成交流电压。
此外，所述多个逆变单元的输出侧为级联结构，并与隔离变压器的原边绕组连接。所述多个逆变单元将对应的多个DFIG直流侧的电压经过逆变后通过级联进行叠加，输入到所述隔离变压器的原边。
所述隔离变压器的副边包括至少一个副边绕组，级联后的交流电压经过转换后由副边绕组输出，此处隔离变压器用于电气隔离，同时通过原边和副边绕组线圈的匝数比控制副边绕组输出交流电压的大小，并通过确定副边绕组的数量确定对应的串联补偿器的个数。
所述隔离变压器的副边绕组的数量与整流单元和串联补偿器的数量一致，每一副边绕组对应一个整流单元和一个串联补偿器。副边绕组输出的交流电压通过整流单元转换为直流电压，随后输入串联补偿器。
所述串联补偿器包括逆变器和滤波器。首先直流电压通过逆变器转换为交流电压，随后逆变器输出的交流电压经过滤波器滤波，此处所述逆变器能够通过控制脉冲来实现对逆变器输出电压大小的控制，此外，所述滤波器优选为电感电容滤波器(LC滤波器)，但不限于此。
所述串联补偿器的输出与耦合变压器的原边相连，所述耦合变压器共有三个，三个耦合变压器的副边分别与所述双馈风电场和电网连接的三相线路中的一相串联。
综上，多个DFIG的直流侧通过逆变单元后级联，经过隔离变压器和整流单元后与串联补偿器连接，为串联补偿器提供能量。
本发明具体实施例中，多个DFIG级联后经过隔离变压器为串联补偿器提供能量，代替了传统补偿装置直流侧的储能装置，降低了生产成本。电网发生故障时，通过串联补偿器向风电场与电网连接的线路中注入适当的补偿电压，抑制双馈风机的转子过电流和过电压，保证双馈风电场的故障穿越运行。
本发明具体实施例中，将多个DFIG的直流侧通过逆变单元后级联，为串联补偿器提供能量。其中多个DFIG直流侧电压逆变后的级联提高了传输到串联补偿器的能量，规避了额外储能装置造成成本的增加和新一级变换器的加入带来的功率的损耗和效率的降低，拓宽了串联补偿器的调节范围，提高了串联补偿器的调节能力。
基于上述具体实施例，图3为本发明具体实施例的一种基于双馈风电场的电网故障穿越***的结构示意图，如图3所示，一种基于双馈风电场的电网故障穿越***，还包括三个旁路开关，每一所述旁路开关对应一个所述耦合变压器，任一所述旁路开关与对应的所述耦合变压器的副边并联；当电网状态正常时，所述旁路开关闭合。
具体地，所述三个旁路开关分别与三个耦合变压器的副边并联。
当电网电压正常时，所述三个旁路开关闭合，耦合变压器被旁路，电流通过旁路开关而不经过耦合变压器的副边。
当电网发生故障时，所述三个旁路开关断开，将耦合变压器的副边接入所述双馈风电场和电网连接的三相线路中，串联补偿器通过耦合变压器向风电场与电网连接的线路中注入适当的补偿电压，保证双馈风电场的故障穿越运行。
本发明具体实施例中，旁路开关的应用，在电网正常运行状态下，减小了线路的损耗。
基于上述任一具体实施例，一种基于双馈风电场的电网故障穿越***，所述隔离变压器的副边绕组、整流单元和串联补偿器的数量为三个。
具体地，参考图3，所述隔离变压器的副边绕组、整流单元和串联补偿器的数量为三个，三个串联补偿器的输出分别用于补偿所述双馈风电场和电网连接的三相线路中的一相，各相独立控制，不存在耦合的现象，实现了不对称的电压补偿。
基于上述任一具体实施例，图4为H桥逆变单元的结构示意图，图5为不控型全桥整流单元的结构示意图，参考图4和图5，一种基于双馈风电场的电网故障穿越***，所述逆变单元为H桥逆变单元；所述整流单元为不控整流单元。
具体地，所述逆变单元为H桥逆变结构，采用单极性载波水平移相正弦脉宽调制技术，通过控制载波比的大小，实现逆变单元最大电平输出。
所述整流单元为不控整流结构，采用不控型器件实现整流操作，本发明具体实施例中采用二极管构建全桥整流结构，简化了***的控制策略，降低了制造成本。
基于上述任一具体实施例，一种基于双馈风电场的电网故障穿越***，所述串联补偿器中的逆变器为全桥逆变单元，所述逆变器中的开关为IGBT。
基于上述任一***具体实施例，一种基于双馈风电场的电网故障穿越方法，包括：S1，电网发生故障时，解除串联补偿器中的逆变器的开关封锁，控制所述串联补偿器向双馈风电场和电网连接的线路注入补偿电压；其中，所述串联补偿器的能量由所述多个双馈异步风力发电机的直流侧通过逆变单元后级联，再经过隔离变压器和整流单元提供。
具体地，当发现当前电网存在故障时，解除串联补偿器中逆变器的开关封锁，多个DFIG直流侧的电压通过逆变单元转换为交流电压后级联接入隔离隔离变压器的原边，将所述隔离隔离变压器的副边输出的交流电压经过整流单元转换为直流电压输入串联补偿器，为串联补偿器提供能量，经由串联补偿器逆变和滤波后，将串联补偿器输出的交流电压即补偿电压，通过耦合变压器注入双馈风电场和电网连接的线路。
本发明具体实施例中，多个DFIG级联后经过隔离变压器为串联补偿器提供能量，代替了传统补偿装置直流侧的储能装置，降低了生产成本。电网发生故障时，通过串联补偿器向风电场与电网连接的线路中注入适当的补偿电压，抑制双馈风机的转子过电流和过电压，保证双馈风电场的故障穿越运行。
基于上述任一具体实施例，一种基于双馈风电场的电网故障穿越方法，还包括：S01，实时检测所述电网的电压，通过均方值法计算电网电压的跌落深度；S02，根据所述电网电压的跌落深度判断电网的故障情况。
具体地，电网电压跌落是最为常见的电网故障，通常将跌落时电压均方根值与额定电压均方根值的比值定义为跌落深度，根据电网电压的跌落深度，判断所述电网的故障情况。
基于上述任一具体实施例，一种基于双馈风电场的电网故障穿越方法，所述步骤S1还包括：当电网发生故障时，断开与耦合变压器的副边并联的旁路开关。
具体地，当电网发生故障时，旁路开关断开，将耦合变压器的副边接入所述双馈风电场和电网连接的三相线路中，串联补偿器通过耦合变压器向风电场与电网连接的线路中注入适当的补偿电压，保证双馈风电场的故障穿越运行。
基于上述任一具体实施例，图6为本发明具体实施例的故障判断和串联补偿器的控制框图，如图6所示，一种基于双馈风电场的电网故障穿越方法，所述步骤S1中控制所述串联补偿器向所述电网注入控制电压的大小进一步包括：根据双馈异步风力发电机的定子电压和电流，获取定子磁链的正序分量以及负序分量与暂态直流分量的和；将所述正序分量以及负序分量与暂态直流分量的和，分别与对应的参考值比较，并经过PI调节得到调制电压信号；对所述调制电压信号进行限幅和SPWM调制，获取串联补偿器中逆变器的控制脉冲；根据所述控制脉冲控制所述串联补偿器中的逆变器输出电压的大小，抑制定转子过电流。
具体地，参考图6，首先，检测双馈异步风力发电机定子电压ugabc及电流isabc，转换为αβ静止坐标系下的定子电压usαβ及电流isαβ，根据usαβ和isαβ计算DFIG的定子磁链，其中所述定子磁链包含正序磁链分量、负序磁链分量及暂态直流磁链分量。
随后，定子磁链通过正向和反向坐标系变换及滤波后，得到正序分量以及负序分量和暂态直流分量之和。
将所述正序分量以及负序分量与暂态直流分量的和分别与对应的参考值比较，将比较结果分别进行PI调节和正反向坐标系变换，将上述结果之和作为调制电压信号ui。
将调制电压信号ui通过限幅和SPWM调制，获取串联补偿器中逆变器的控制脉冲。
在所述电网发生故障时，串联补偿器中逆变器的开关解锁，根据所述控制脉冲控制所述串联补偿器中的逆变器输出电压的大小，抑制定转子过电流。故障恢复后，控制电机的平衡，加快机组迅速恢复正常运行。
本发明具体实施例中，根据DFIG的定子电压电流对串联补偿器输出电压的大小进行控制，抵消DFIG产生的暂态磁链负序和直流分量，抑制DFIG转子过电流和电压，保护功率器件，避免发电机受到大电流的冲击而遭到损坏，提高了双馈风电场的稳定性和安全性。
基于上述任一具体实施例，图7为本发明具体实施例的双馈异步风力发电机直流侧电压的控制框图，如图7所示，一种基于双馈风电场的电网故障穿越方法，所述步骤S1前还包括：通过PI调节和PR控制器实现所述多个双馈异步风力发电机的直流侧电压的稳定输出。
具体地，检测双馈异步风力发电机的变流器直流侧电压udc与参考值udc *，将两者的偏差经过PI调节后进行坐标转换，获取αβ静止坐标系下的α轴参考电流iα *，β轴的电流参考值iβ *设为0。参考电流iα *、iβ *和实际电流iα、iβ比较后经过PR控制器得到调制电压uα和uβ，再通过两电平PWM发生器得到开关管的脉冲信号，控制变流器的整流侧稳定直流电压。
本发明具体实施例中对DFIG直流侧电压的输出进行了闭环控制，增加了向串联补偿器提供能量的稳定性，提高了串联补偿器的补偿精度。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于双馈风电场的电网故障穿越***的电网故障穿越方法，其特征在于，包括：
S1，电网发生故障时，解除串联补偿器中的逆变器的开关封锁，控制所述串联补偿器向双馈风电场和电网连接的线路注入补偿电压；其中，所述串联补偿器的能量由多个双馈异步风力发电机的直流侧通过逆变单元后级联，再经过隔离变压器和整流单元提供；
所述S1中，所述控制所述串联补偿器向双馈风电场和电网连接的线路注入补偿电压，包括：
根据双馈异步风力发电机的定子电压和电流，获取定子磁链的正序分量以及负序分量与暂态直流分量的和；
将所述正序分量以及负序分量与暂态直流分量的和，分别与对应的参考值比较，并经过PI调节得到调制电压信号；
对所述调制电压信号进行限幅和SPWM调制，获取串联补偿器中逆变器的控制脉冲；
根据所述控制脉冲控制所述串联补偿器中的逆变器输出电压的大小，抑制定转子过电流；
所述电网故障穿越***包括：
多个双馈异步风力发电机、多个逆变单元、一个隔离变压器、至少一个整流单元、至少一个串联补偿器和三个耦合变压器；
所述隔离变压器由一个原边绕组和至少一个副边绕组构成；所述串联补偿器由逆变器和滤波器构成；
每一所述双馈异步风力发电机对应一个所述逆变单元，任一双馈异步风力发电机的直流侧连接对应逆变单元的输入侧；所述多个逆变单元的输出侧级联后与所述隔离变压器的原边绕组连接；
隔离变压器的每一副边绕组对应一个所述整流单元和一个串联补偿器，所述隔离变压器的任一副边绕组连接对应整流单元的输入侧，任一所述整流单元的输出侧连接对应串联补偿器的输入侧，任一所述串联补偿器的输出侧连接对应耦合变压器的原边；
所述三个耦合变压器的副边分别与所述双馈风电场和电网连接的三相线路串联。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
S01，实时检测所述电网的电压，通过均方值法计算电网电压的跌落深度；
S02，根据所述电网电压的跌落深度判断电网的故障情况。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：当电网发生故障时，断开与耦合变压器的副边并联的旁路开关。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1前还包括：
通过PI调节和PR控制器实现所述多个双馈异步风力发电机的直流侧电压的稳定输出。
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