低电压穿越控制方案 【技术领域】
本发明关于风力发电技术，尤指一种低电压穿越控制方案。
背景技术
当今世界风力发电技术的迅猛发展，装机容量快速上升，风力发电在电网供电中所占比例不断提高，因此，风力发电机组的并网质量以及运行状态对电网的稳定性至关重要。在运行过程中，电网故障可能会导致电压跌落，这会给风力发电设备带来一系列暂态过程，例如出现过电压、过电流或转速上升等现象。所以，为保证风力发电设备的安全运行，风力发电设备的控制装置会在监测到电网电压跌落时将风力发电机解列，即使风力发电机断开与电网的连接。
但是，在风力发电占电网供电比例较大的情况下，由于电网电压跌落故障引起的大量风力发电机解列会导致电力系统潮流的大幅变化甚至引起大面积停电带来频率的稳定性问题。因而出现了风力发电设备的低电压穿越(LowVoltage Ride Through，LVRT)技术，即：使风力发电设备在电网电压跌落时，能在电压跌落设定值和设定时间内保持并网，支持电网电压恢复，直到电网恢复正常。对于目前风力发电机的主流机型双馈感应发电机(Double Fed InductionGenerator，DFIG)的运行特性和并脱网特性则显得尤为重要。现有的双馈感应发电机组大都采用晶闸管(SCR)撬棒，当电网电压跌落时一定限值时晶闸管触发保护变频器，但是不具备低电压穿越功能。而具有LVRT功能的双馈感应发电机大都采用低压旁路系统在转子侧采用Crowbar主动撬棒技术，常用的有IGBT型Crowbar电路、混合桥型Crowbar电路、带有旁路电阻的Crowbar电路。但是这些控制技术存在着需要增加新的保护装置从而增加的成本，并且当电网故障时虽然励磁变流器和转子绕组得到了保护，但此时按感应电动机方式运行的机组将从系统中吸收大量的无功功率，这将导致电网电压稳定性的进一步恶化。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种用于双馈感应发电机的低电压穿越控制方案，利用该控制方案可以有效保证电网电压的稳定性。
本发明中的低电压穿越控制方案包括如下步骤：
1)由控制电路监测连接在风力发电机转子与电网之间的变频器组的直流母线电压和电网电压；
2)判断监测到的变频器组的直流母线电压高于设计值，由控制电路控制连接在所述风力发电机转子上的Crowbar保护电路中的晶闸管闭合进行分流保护；
3)在所述晶闸管闭合后，由所述控制电路控制连接在所述风力发电机定子与电网之间的定子断路器断开所述风力发电机定子与电网的连接；
4)在所述定子断路器断开所述电网与所述风力发电机定子之间的连接后，由所述控制电路进一步控制所述Crowbar保护电路中的分流电路的断路器先断开再闭合，所述晶闸管自动断开，从而恢复所述分流电路的保护功能；
5)保持上述状态，直到所述控制电路监测到电网电压恢复，快速使发电机同步控制断路器闭合，恢复正常工作。
所述变频器组包括有串联在所述风力发电机转子与电网之间的机侧变频器及网侧变频器，在第1)步骤中监测的直流母线电压为所述网侧变频器的直流母线电压，并在所述网侧变频器与所述电网之间串联有在正常工作状态下为常闭状态的变频器网侧断路器。
在第1)步骤中所述控制电路中用于监测直流母线电压的是电压监测单元。
在第2)步骤中用于分流保护的是Crowbar保护电路中的分流电路，该分流电路包括分别与所述晶闸管正极与负极串联的整流桥与释放电阻，及用于将整流桥与释放电阻连接至所述风力发电机的转子与所述变频器组之间的连接点的断路器。
第3)步骤中所述控制电路中用于控制所述定子断路器断开的是定子控制单元。
第4)步骤中所述控制电路用于进一步控制所述断路器作先断开后闭合动作的是撬棍开关控制单元。
本发明中的低电压穿越控制方案能够有效提高风力发电机的并网时间、发电量、有效减少变频器组的损坏、减少电网恢复瞬间风机无功、有功的抖动、从电网吸收无功以及对电网提供有力支撑，增强电网的稳定性。
【附图说明】
图1为本发明中低电压穿越控制方案的电路图；
图2为本发明中低电压穿越控制方案的电路图，该图中示出控制电路的框图。
【具体实施方式】
下面将结合附图对本发明中的具体实施例作进一步详细说明。
如图1所示，以1.5MW的双馈变速恒频感应风力发电机组为例，用于变速恒频感应风力发电机的低电压穿越控制方案由如下系统实现，该系统包括有定子断路器1、变频器网侧断路器2、组成变频器组的机侧变频器3和网侧变频器4、撬棍(Crowbar)保护电路及控制电路，其中机侧变频器3与网侧变频器4串联后与风力发电机G的转子连接，同时经变频器网侧断路器2与电网12连接，如图2所示，利用该变频器网侧断路器2可以在必要时控制整个变频器组脱网。在电网12与风力发电机G的定子之间由定子断路器1连接。定子断路器1与变频器网侧断路器2在正常工作过程中均处于常闭状态，分别串联在风力发电机G地定子、转子与电网12之间。
Crowbar保护电路由晶闸管7和分流电路组成，其中分流电路包括有整流桥6、断路器5和释放电阻8。晶闸管7又可以称为可控硅，具有正极、负极和门极，晶闸管7的正极和负极分别串联整流桥6和释放电阻8，门极与控制电路(也称控制模块)9连接，断路器5连接至风力发电机G的转子与变频器组之间的连接点，该断路器5在正常工作过程中处于常闭状态。分流电路起到旁路分流的作用，从而可以对变频器组起到旁路分流的作用。
如图2所示，控制电路9包括有电压监测单元91、定子控制单元92、撬棍开关控制单元93(也称转子控制单元)和晶闸管控制单元94。其中，电压监测单元91与电网和变频器直流母线相连，用于监测电网的电压值及变频器组直流母线的电压值，当电网电不正常时，变频器组的直流母线电压能快速发生变化；晶闸管控制单元94与电压监测单元91和晶闸管7的门极分别相连，当电压监测单元91监测到变频器组(即网侧变频器4)的直流母线电压值超过限值(设计值)，由晶闸管控制单元94控制晶闸管7闭合，使分流电路能够对风力发电机变频器组进行分流保护。定子控制单元92与晶闸管控制单元94、电压监测单元91、定子断路器1分别相连，当晶闸管控制单元94控制晶闸管7闭合之后，由定子控制单元92控制定子断路器1断开。由于撬棍开关控制单元93与定子控制单元92和断路器5分别相连接，当定子断路器1断开后，由撬棍开关控制单元93进一步控制断路器5先作断开再作闭合的操作。
本发明中低电压穿越控制系统的具体工作流程如下：
当电压监测单元91监测到变频器直流母线的电压高于保护限值，由晶闸管控制单元94控制晶闸管7闭合，具体可以通过晶闸管7的门极通入正向电压来触发，由于此时断路器5处于闭合状态，所以晶闸管7正极有正向电压，当晶闸管7门极通入正向电压时晶闸管7即闭合。
晶闸管7闭合，使得分流电路连入风力发电机G转子的回路，对变频器组进行旁路分流，从而避免过电流和过电压对变频器组的损坏，使风力发电机在电网电压跌落时不必脱网，实现了低电压穿越(LVRT)功能。
当晶闸管控制单元94控制晶闸管7闭合后，由定子控制单元92立即控制定子断路器1断开，定子断路器1断开使得风力发电机G的定子与电网断开连接，从而避免了电网吸收无功功率。
当定子断路器1断开之后，撬棍开关控制单元93控制断路器5先断开再闭后的动作，断路器5断开使得晶闸管7由于正极的正电压瞬间消失而自动断开，断路器5闭合后恢复Crowbar保护电路的保护功能。一直保持保护定子断路器1断开、断路器5闭合这种状态到电网的电压恢复，由电压监测单元91监测到电网的电压值恢复后由变频器组控制风力发电机同定子控制单元92控制定子断路器1闭合恢复正常工作。
经过上述操作之后，低电压穿越控制系统又恢复到正常的工作状态，当监测到下一次电网电压跌落时再重复上述操作。
综上所述，本发明中的低电压穿越控制方案具有以下优点：
1、当由于电网电压跌落导致变频器直流母线电压高于设定门限值以上时，可以触发晶闸管闭合，利用分流电路来保护变频器组，避免变频器组由于过电压、过电流而损坏；
2、定子断路器能够在进行低电压保护的同时断开定子与电网的连接，从而避免从电网吸收无功功率，并且定子在电网故障时脱网，可以减少电网恢复时由于电网的突变引发的风力发电机无功、有功的抖动，直至电网的电压恢复之后才闭合定子与电网的连接，可以避免恢复的瞬间冲击；
3、变频器组在低电压穿越过程中始终保持并网状态，即没有脱离与电网的连接，因此可以通过转子向电网提供无功功率，支撑电网电压恢复；
4、本发明中的低电压穿越控制方案以简单优化的电路结构和控制策略实现了对双馈感应风力发电机的LVRT控制，能够提高风力发电机的并网时间，发电量，在电网电压跌落时有效减少变频器组的损坏，且具备良好的LVRT能力，对电网提供有力支撑，增强了电网的稳定性。
5、本发明中的低电压穿越控制方案尤其适用于兆瓦(MW)级的双馈变速恒频风力发电机组，例如：1.5MW、3MW的风力发电机组，但并不限于此，还可以广泛适用于各种双馈感应式风力发电设备。