一种风力发电低电压穿越综合调控装置.pdf

低电压穿越系统当检测到电网发生电压跌落故障后，综合调控装置马上投入使用。逆变器从直流储能装置处获得稳定的直压，通过逆变产生补偿电压，再经过滤波器串联接入系统。补偿电压与原电网跌落后的电压相加，与电网正常运行时电压相等，使风机端保持正常运行；同时固定电容器补偿无功，耗能电阻负责消耗电压暂降时风机端发出的有功功率。

权利要求书1.  一种风力发电低电压穿越综合调控装置，其特征在于，风电机组低电压穿越系统包括：电网、低电压穿越综合调控装置和风电机组，低电压穿越系统当检测到电网发生电压跌落故障后，逆变器从直流储能装置处获得稳定的直压，通过逆变产生补偿电压，再经过滤波器串联接入系统，补偿电压与原电网跌落后的电压相加，与电网正常运行时电压相等，使风机端保持正常运行；同时固定电容器补偿无功，耗能电阻负责消耗电压暂降时风机端发出的有功功率。2.  如权利要求1所述的风力发电低电压穿越综合调控装置，其特征在于，风力机吸收的功率                                                为式中：—风机吸收的风功率，W；—空气密度，kg/m3r—风机半径，mv—风速，m/s—风能利用系数—叶尖速比，是叶尖速度与风速之比，—桨距角，半径r处叶片旋转平面与桨叶截面弦长之间的夹角。3.  如权利要求2所述的风力发电低电压穿越综合调控装置，其特征在于，在Crowbar电路中，采用常规的二极管整流器，二极管整流器的平均输出电压与其输入的线电压之间的关系为Crowbar电路中二极管整流电路的负载等效为阻性负载，即式中，—Crowbar电路整流输出电流—Crowbar电路整流输出电压—Crowbar电路耗能电阻阻值—转子相电压—转子线电压—Crowbar电路等效耗能电阻阻值Crowbar电路工作流程如下：当机端电压跌落到0．8pu以下时：(1)故障发生瞬间，检测到电网电压跌落，网侧变换器LVRT控制启动；(2)Crowbar保护启动，转子侧变换器闭锁；(3)短路故障切除；(4)网侧变换器LVRT控制退出；(5)故障切除后1-2个周波后，Crowbar保护解除，转子侧换流器解锁；(6)DFIG机组恢复正常控制，当机端电压并未降落至0．8pu以下，则略去上述步骤中第二步和第五步，只保留网侧变换器的LVRT控制策略，同时利用DFIG自身的控制能力恢复至稳定运行状态。4.  如权利要求3所述的风力发电低电压穿越综合调控装置，其特征在于，主要控制策略可以分为两部分：第一部分是电压补偿，第二部分是有功消耗，电压补偿，首先从风机端电压处提取相位，作为参考电压波形的相位，然后给一个标准正弦波，再赋予这个正弦波一个幅值，这个幅值是电压暂降电压的幅值，这样就形成了串联补偿参考电压，它与实际补偿电压进行比较，所得误差经过PI环节放大，最后与三角波进行比较得到电压补偿控制信号发送给IGBT，通过上述控制可以得到一个新的实际电压补偿值，通过反馈继续与参考电压值进行比较，形成闭环控制，使实际电压补偿值不断向参考值靠拢，直到完全相同，PI控制环节上下限为1，三角波正负幅值也为1，有功功率消耗控制，当电网发生电压暂降故障时，风机母线断开与电网的连接，风机发出的有功直接经过低电压穿越综合调控装置，在直压侧耗能电阻处进行消耗，并且通过IGBT控制，调控IGBT控制信号，控制电阻通断时间，进行有功精确消耗，耗能电阻IGBT控制信号主要由高、低电平脉冲信号与三角波比较得到，设在故障时，高电平信号与三角波进行对比，随着高电平大小的变化，可以控制通断的时间，当高电平信号大小一直为1时，控制信号一直为l，IGBT持续开通，耗能电阻以满功率消耗有功；当高电平信号大小减小时，与三角波比较后就会出现脉冲调制信号，不再是满功率工作，随着有功大小变化而进行控制，调整高电平信号大小。5.  如权利要求4所述的风力发电低电压穿越综合调控装置，其特征在于，还包括直流侧保护电路，与crowbar电路协同工作，在直流侧增加斩波电路，当电网电压跌落时，转子侧过流，此时投入卸荷负载，消耗掉直流侧多余的能量，则可以保持电压稳定，进一步在直流侧增加斩波电路进行耗能吸收，同时，在直流侧还采用能量存储设备，将故障期间的过剩能量储存起来，并在故障结束后将这些能量送入电网，在交流电路中提出了一种刹车阻抗，在系统发生故障时，风电机端串联上刹车阻抗，短路电流流经刹车阻抗，吸收电网故障时不能传递到电网的一部分过剩功率，从而提升机端电压、防止转子失速，通过多个开关与刹车阻抗并联的结构串联接入风机输电线路中，正常运行时，开关闭合，刹车阻抗不进行工作，在电网故障或低电压运行时，根据风电机的输出参数选择需要采用的刹车阻抗数量，从而打开相应的开关进行功率吸收。6.  如权利要求5所述的风力发电低电压穿越综合调控装置，其特征在于，电网电压跌落后，限制逆变器电流不变以保护其安全运行:式中为电压跌落后的电网电压，为电网额定电压，为跌落后逆变器输出有功功率，为电网电压跌落前逆变器输出的有功功率，为逆变器输出电流，通过控制机侧整流器减少发电机输出功率，使得，即可保持直流侧功率平衡，限制直流电压升高，实现风电系统的低电压穿越。

说明书一种风力发电低电压穿越综合调控装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体的来说，是一种风力发电低电压穿越综合调控装置。
背景技术
电网电压跌落时，由于受变换器通流能力的限制，网侧逆变器注入电网功率减小。而此刻机侧整流器的功率并没有改变，造成直流侧的过电压。如果维持直流侧电压稳定，则必然造成逆变器过电流。过电压和过电流都将导致电力电子器件的损坏，为了保护变换器不被损坏，风力发电机组将在电压跌落时退出运行。电网穿透率小时，风力发电机组在电压跌落时退出运行还是可以接受的。然而，随着风力发电规模的不断扩大，若风电机组在电压跌落时仍然采取被动保护式脱网，则会增加整个系统的恢复难度，甚至使故障更加严重，最终导致系统其他机组全部解列。目前在风力发电技术发展领先的一些国家，如丹麦、德国等己相继制定了新的电网运行准则，定量给出了风电系统离网的条件(如最低电压跌落深度和跌落持续时间)，只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力机脱网，当电压在凹陷部分时，发电机应提供无功功率。这就要求风电系统具有较强的低电压穿越能力，能方便地为电网提供无功支持。因此必须研究低电压穿越的措施，实现电网电压跌落时风力发电机不脱网运行。
发明内容
基于现有技术存在的不足，本发明提出了一种风力发电低电压穿越综合调控装置。
风电机组低电压穿越系统主要工作模块有三部分，电网、低电压穿越综合调控装置、风电机组。直流能源供给装置与逆变器直压侧和耗能电阻模块相连，为两者提供稳定的直压。
低电压穿越系统当检测到电网发生电压跌落故障后，综合调控装置马上投入使用。逆变器从直流储能装置处获得稳定的直压，通过逆变产生补偿电压，再经过滤波器串联接入系统。补偿电压与原电网跌落后的电压相加，与电网正常运行时电压相等，使风机端保持正常运行；同时固定电容器补偿无功，耗能电阻负责消耗电压暂降时风机端发出的有功功率。
风力机运行中，在忽略尾流损失、叶尖损失和轮毂损失(即认为叶片根端在r=O处)后，风轮吸收的风功率主要受三个因素的影响：风速v，桨距角                                                和叶尖速比。
风力机吸收的功率为

式中—风机吸收的风功率，W；
—空气密度，kg/m3
r—风机半径，m
v—风速，m/s
—风能利用系数
—叶尖速比，是叶尖速度与风速之比，
—桨距角，半径r处叶片旋转平面与桨叶截面弦长之间的夹角
当电网电压跌落时，网侧变流器输出的功率受到限制，这会造成直流侧电压的上升，因此直流侧须采取措施保持功率平衡，限制其电压升高。为提高直驱风电系统的低电压穿越能力，通常增加过电压保护电路，故障期间由Crowbar电路吸收多余的能量，并通过与网侧变流器的配合，保持直流电压恒定，使风电系统可以继续安全的并网运行。
而Crowbar电路中耗能电阻为其重要的组成部分，耗能电阻的阻值选择直接决定着低电压穿越过程中，有功功率能否被可靠的消耗。
首先，在Crowbar电路中，采用常规的二极管整流器，二极管整流器的平均输出电压与其输入的线电压之间的关系为

Crowbar电路中二极管整流电路的负载可等效为阻性负载，即



式中，—Crowbar电路整流输出电流
—Crowbar电路整流输出电压
—Crowbar电路耗能电阻阻值
—转子相电压
—转子线电压
—Crowbar电路等效耗能电阻阻值
Crowbar电路工作流程如下：
当机端电压跌落到0．8pu以下时：
(1)故障发生瞬间，检测到电网电压跌落，网侧变换器LVRT控制启动；
(2)Crowbar保护启动，转子侧变换器闭锁；
(3)短路故障切除；
(4)网侧变换器LVRT控制退出；
(5)故障切除后1-2个周波后，Crowbar保护解除，转子侧换流器解锁；
(6)DFIG机组恢复正常控制。
当机端电压并未降落至0．8pu以下，则略去上述步骤中第二步和第五步，只保留网侧变换器的LVRT控制策略，同时利用DFIG自身的控制能力恢复至稳定运行状态。
在风电机低电压穿越中，控制方法采用电压补偿控制策略，在电网发生电压暂降故障时维持风机端电压稳定，以及消耗风机发出的有功功率。
主要控制策略可以分为两部分：第一部分是电压补偿，第二部分是有功消耗。
电压补偿
为了选择补偿参考电压，首先从风机端电压处提取相位，作为参考电压波形的相位，然后给一个标准正弦波。再赋予这个正弦波一个幅值，这个幅值是电压暂降电压的幅值，这样就形成了串联补偿参考电压。它与实际补偿电压进行比较，所得误差经过PI环节放大，最后与三角波进行比较得到电压补偿控制信号发送给IGBT。通过上述控制可以得到一个新的实际电压补偿值，通过反馈继续与参考电压值进行比较，这样就形成了一个闭环控制，使实际电压补偿值不断向参考值靠拢，直到完全相同。PI控制环节上下限为1，三角波正负幅值也为1。
有功功率消耗控制
当电网发生电压暂降故障时，风机母线断开与电网的连接，风机发出的有功直接经过低电压穿越综合调控装置，在直压侧耗能电阻处进行消耗。电阻大小与风机端输出有功功率有着密切关系，满足欧姆定理。并且通过IGBT控制，可以实时跟踪风机端发出有功功率大小，做到精确跟踪，调控IGBT控制信号，控制电阻通断时间，进行有功精确消耗，耗能电阻IGBT控制信号主要由高、低电平脉冲信号与三角波比较得到，设在故障时，一直是高电平信号与三角波进行对比，随着高电平大小的变化，可以控制通断的时间。当高电平信号大小一直为1时(此时设三角波上下幅值为1)，那么控制信号一直为l，IGBT持续开通，耗能电阻以满功率消耗有功；当高电平信号大小减小时，与三角波比较后就会出现脉冲调制信号，不再是满功率工作，这需要精确跟踪风机端发出有功，随着有功大小变化而进行控制，调整高电平信号大小。
进一步的，本发明还提出了直流侧保护电路，与crowbar电路协同工作，减轻crowbar的工作负荷，维持低电压穿越的稳定进行，由于在电网电压跌落时，转子侧过流，电网侧变流器输出功率受到限制，能量在直流侧积累会造成直流侧电压升高，可能会损坏直流侧电容和功率器件，为了克服此问题，在直流侧增加斩波电路，当电网电压跌落时，转子侧过流，此时投入卸荷负载，消耗掉直流侧多余的能量，则可以保持电压稳定，即除去crowbar电路耗能之外，进一步在直流侧增加斩波电路进行耗能吸收。同时，在直流侧还采用能量存储设备，该系统可将故障期间的过剩能量储存起来，并在故障结束后将这些能量送入电网。采用直流侧保护电路与crowbar电路协同工作，弥补了Crowbar单独运行时须在不同运行状态间切换的问题，既避免了工况切换造成的暂态过程，且可对系统进行持续调控。
通过采用crowbar电路与直流侧保护协同控制，从而提供了直流侧以及并联的低电压穿越保障方式，此外，基于并联软启动的原理，本发明在交流电路中提出了一种刹车阻抗，即在电网低电压运行时，在风机向电网输入功率的电路中加入刹车阻抗，从而进行紧急吸能或缓冲。
其原理是在电网发生故障切除后，在送端电厂母线上短时间投入电抗器，吸收过程能量，使得发电机组在故障切除后快速减速，达到提高发电机暂态稳定的目的。串联刹车阻抗方法的是在系统发生故障时，风电机端串联上刹车阻抗，短路电流流经刹车阻抗，吸收电网故障时不能传递到电网的一部分过剩功率，从而提升机端电压、防止转子失速。进一步的，可以通过多个开关与刹车阻抗并联的结构串联接入风机输电线路中，正常运行时，开关闭合，刹车阻抗不进行工作，在电网故障或低电压运行时，根据风电机的输出参数选择需要采用的刹车阻抗数量，从而打开相应的开关进行功率吸收。
电网电压跌落后，需要限制逆变器电流不变以保护其安全运行:

式中为电压跌落后的电网电压，为电网额定电压，为跌落后逆变器输出有功功率，
为电网电压跌落前逆变器输出的有功功率，为逆变器输出电流。由于发电机、整流器功率没有改变，引起直流环节功率不平衡，导致了直流电压的升高危及电力电子器件的安全。通过控制机侧整流器减少发电机输出功率，使得，即可保持直流侧功率平衡，限制直流电压升高，实现风电系统的低电压穿越。
附图说明
图1是风力发电低电压穿越综合调控装置crowbar耗能电阻及其等效电阻示意图
图2是风力发电低电压穿越综合调控装置直流侧保护及刹车电阻电路。
具体实施方式
一种风力发电低电压穿越综合调控装置，风电机组低电压穿越系统主要工作模块有三部分，电网、低电压穿越综合调控装置、风电机组。直流能源供给装置与逆变器直压侧和耗能电阻模块相连，为两者提供稳定的直压。
低电压穿越系统当检测到电网发生电压跌落故障后，综合调控装置马上投入使用。逆变器从直流储能装置处获得稳定的直压，通过逆变产生补偿电压，再经过滤波器串联接入系统。补偿电压与原电网跌落后的电压相加，与电网正常运行时电压相等，使风机端保持正常运行；同时固定电容器补偿无功，耗能电阻负责消耗电压暂降时风机端发出的有功功率。
风力机运行中，在忽略尾流损失、叶尖损失和轮毂损失(即认为叶片根端在r=O处)后，风轮吸收的风功率主要受三个因素的影响：风速v，桨距角和叶尖速比。
风力机吸收的功率为

式中—风机吸收的风功率，W；
—空气密度，kg/m3
r—风机半径，m
v—风速，m/s
—风能利用系数
—叶尖速比，是叶尖速度与风速之比，
—桨距角，半径r处叶片旋转平面与桨叶截面弦长之间的夹角
当电网电压跌落时，网侧变流器输出的功率受到限制，这会造成直流侧电压的上升，因此直流侧须采取措施保持功率平衡，限制其电压升高。为提高直驱风电系统的低电压穿越能力，通常增加过电压保护电路，故障期间由Crowbar电路吸收多余的能量，并通过与网侧变流器的配合，保持直流电压恒定，使风电系统可以继续安全的并网运行。
而Crowbar电路中耗能电阻为其重要的组成部分，耗能电阻的阻值选择直接决定着低电压穿越过程中，有功功率能否被可靠的消耗。
如图1所示，首先，在Crowbar电路中，采用常规的二极管整流器，二极管整流器的平均输出电压与其输入的线电压之间的关系为

Crowbar电路中二极管整流电路的负载可等效为阻性负载，即



式中，—Crowbar电路整流输出电流
—Crowbar电路整流输出电压
—Crowbar电路耗能电阻阻值
—转子相电压
—转子线电压
—Crowbar电路等效耗能电阻阻值
Crowbar电路工作流程如下：
当机端电压跌落到0．8pu以下时：
(1)故障发生瞬间，检测到电网电压跌落，网侧变换器LVRT控制启动；
(2)Crowbar保护启动，转子侧变换器闭锁；
(3)短路故障切除；
(4)网侧变换器LVRT控制退出；
(5)故障切除后1-2个周波后，Crowbar保护解除，转子侧换流器解锁；
(6)DFIG机组恢复正常控制。
当机端电压并未降落至0．8pu以下，则略去上述步骤中第二步和第五步，只保留网侧变换器的LVRT控制策略，同时利用DFIG自身的控制能力恢复至稳定运行状态。
在风电机低电压穿越中，控制方法采用电压补偿控制策略，在电网发生电压暂降故障时维持风机端电压稳定，以及消耗风机发出的有功功率。
主要控制策略可以分为两部分：第一部分是电压补偿，第二部分是有功消耗。
电压补偿
为了选择补偿参考电压，首先从风机端电压处提取相位，作为参考电压波形的相位，然后给一个标准正弦波。再赋予这个正弦波一个幅值，这个幅值是电压暂降电压的幅值，这样就形成了串联补偿参考电压。它与实际补偿电压进行比较，所得误差经过PI环节放大，最后与三角波进行比较得到电压补偿控制信号发送给IGBT。通过上述控制可以得到一个新的实际电压补偿值，通过反馈继续与参考电压值进行比较，这样就形成了一个闭环控制，使实际电压补偿值不断向参考值靠拢，直到完全相同。PI控制环节上下限为1，三角波正负幅值也为1。
有功功率消耗控制
当电网发生电压暂降故障时，风机母线断开与电网的连接，风机发出的有功直接经过低电压穿越综合调控装置，在直压侧耗能电阻处进行消耗。电阻大小与风机端输出有功功率有着密切关系，满足欧姆定理。并且通过IGBT控制，可以实时跟踪风机端发出有功功率大小，做到精确跟踪，调控IGBT控制信号，控制电阻通断时间，进行有功精确消耗，耗能电阻IGBT控制信号主要由高、低电平脉冲信号与三角波比较得到，设在故障时，一直是高电平信号与三角波进行对比，随着高电平大小的变化，可以控制通断的时间。当高电平信号大小一直为1时(此时设三角波上下幅值为1)，那么控制信号一直为l，IGBT持续开通，耗能电阻以满功率消耗有功；当高电平信号大小减小时，与三角波比较后就会出现脉冲调制信号，不再是满功率工作，这需要精确跟踪风机端发出有功，随着有功大小变化而进行控制，调整高电平信号大小。
如图2所示，进一步的，本发明还提出了直流侧保护电路，与crowbar电路协同工作，减轻crowbar的工作负荷，维持低电压穿越的稳定进行，由于在电网电压跌落时，转子侧过流，电网侧变流器输出功率受到限制，能量在直流侧积累会造成直流侧电压升高，可能会损坏直流侧电容和功率器件，为了克服此问题，在直流侧增加斩波电路，当电网电压跌落时，转子侧过流，此时投入卸荷负载，消耗掉直流侧多余的能量，则可以保持电压稳定，即除去crowbar电路耗能之外，进一步在直流侧增加斩波电路进行耗能吸收。同时，在直流侧还采用能量存储设备，该系统可将故障期间的过剩能量储存起来，并在故障结束后将这些能量送入电网。采用直流侧保护电路与crowbar电路协同工作，弥补了Crowbar单独运行时须在不同运行状态间切换的问题，既避免了工况切换造成的暂态过程，且可对系统进行持续调控。
通过采用crowbar电路与直流侧保护协同控制，从而提供了直流侧以及并联的低电压穿越保障方式，此外，基于并联软启动的原理，本发明在交流电路中提出了一种刹车阻抗，即在电网低电压运行时，在风机向电网输入功率的电路中加入刹车阻抗，从而进行紧急吸能或缓冲。
其原理是在电网发生故障切除后，在送端电厂母线上短时间投入电抗器，吸收过程能量，使得发电机组在故障切除后快速减速，达到提高发电机暂态稳定的目的。串联刹车阻抗方法的是在系统发生故障时，风电机端串联上刹车阻抗，短路电流流经刹车阻抗，吸收电网故障时不能传递到电网的一部分过剩功率，从而提升机端电压、防止转子失速。进一步的，可以通过多个开关与刹车阻抗并联的结构串联接入风机输电线路中，正常运行时，开关闭合，刹车阻抗不进行工作，在电网故障或低电压运行时，根据风电机的输出参数选择需要采用的刹车阻抗数量，从而打开相应的开关进行功率吸收。
电网电压跌落后，需要限制逆变器电流不变以保护其安全运行:

式中为电压跌落后的电网电压，为电网额定电压，为跌落后逆变器输出有功功率，
为电网电压跌落前逆变器输出的有功功率，为逆变器输出电流。由于发电机、整流器功率没有改变，引起直流环节功率不平衡，导致了直流电压的升高危及电力电子器件的安全。通过控制机侧整流器减少发电机输出功率，使得，即可保持直流侧功率平衡，限制直流电压升高，实现风电系统的低电压穿越。
以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。