[发明专利]复合型风力发电机组低电压穿越控制装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于可再生能源领域，涉及风力发电机组低电压穿越控制技术，特别涉及一种复合型风力发电机组低电压穿越控制装置及控制方法。

背景技术

随着风电功率的迅速增加，风电在电力系统中所占比重越来越大，由于风电并网引起的问题也日益受到广泛的关注。低电压穿越是风电机组并网最为突出和迫切需要解决的问题。当系统电压由于故障等原因发生跌落时，会给风机带来一系列的暂态过程，如出现过电压、过电流或风机转速上升等问题，对风机及其控制系统的安全造成严重的威胁。所以，一般情况下若电网出现故障风机就实施被动式自我保护而立即解列，而当电网电压发生跌落后，风机的大量切除会导致局部电网发生有功缺额，对电网的稳定性和电能质量构成严重威胁，造成巨大损失。各国相继制定了定量的风电并网导则，对风电机组拖网的条件提出了越来越高的约束和要求。

目前市场上最常见的的风机类型有三种，即直接并网的定速异步电机(FSIG)，同步直驱式风机(PMSG)和双馈异步式风机(DFIG)。其中FSIG和DFIG都是定子侧直接联接电网，电网电压降落会直接反映在定子端电压上，导致定子磁链出现直流成分甚至负序分量，进而引起转子过电压和过电流。DFIG转子侧接有变流器，对过电压过电流的承受能力比较弱，而且变流器输入输出功率不匹配会导致直流母线电压的剧烈变化，对直流电容和变流器都造成严重危害。另外由于定子电压跌落时，电机输出功率降低，若对捕获率不控制，必然导致电机转速上升。对于PMSG，发电机和电网不存在直接耦合，但仍然存在功率不匹配将导致直流母线电压上升的问题。

由于DFIG是目前最广泛使用的风机，而且DFIG在低电压故障发生的时候问题最严重复杂，很多学者对低电压穿越问题都以DFIG为主要研究对象。目前比较常见的解决方法主要有两种，一种是改进DFIG的控制策略，例如改进的矢量控制和鲁棒控制器。另一种是加装硬件设备。虽然改进的矢量控制和鲁棒控制无需增加任何硬件设备，而是通过对网侧变流器和转子侧变流器控制策略的改进使DFIG实现LVRT，但其控制效果往往受到励磁变频器容量的限制，在一些严重故障下无法实现LVRT运行。加装CROWBAR和串联补偿是硬件LVRT的主要方式。其中使用CROWBAR的优点是可以确保励磁变频器的安全，加快故障电流的衰减，缺点是CROWBAR动作期间将短接DFIG转子绕组，使DFIG变为并网笼型异步发电机，需从电网吸收大量无功功率以作励磁，这将非常不利于电网故障的迅速恢复。

随着电力电子技术的迅猛发展，大功率电力电子器件的成本越来越低，这就为电力电子器件为主体的新型控制装置提供了越来越广阔的平台。基于开关器件的控制装置具有速度快，精度高，控制方便灵活等诸多优点，成为克服低电压穿越问题极具潜力的解决方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在电网低电压运行时，实现跌落电压的补偿并向系统输出无功功率，可以使风机在电网故障期间安全稳定的运行，并且帮助系统从故障中恢复。

本发明的技术方案是：本发明是一种复合型风力发电机组低电压穿越控制装置，该低电压穿越控制装置包括串联变流器、串联耦合变压器、并联变流器、并联耦合变压器、直流环节、旁路开关和控制器，其中：串联耦合变压器的副边接在风机系统和升压变压器之间，串联耦合变压器的原边与串联变流器连接；并联耦合变压器的原边与并联变流器连接，并联耦合变压器的副边并联接在升压变压器的低压侧；串联变流器和并联变流器直流侧均接到直流环节；控制器的控制端分别接串联变流器、并联变流器和直流环节；旁路开关并联在串联耦合变压器的副边两端；该低电压穿越控制装置整体接在风机系统和升压变压器的低压侧之间。

所述串联变流器包括功率器件、电阻元件、电感元件和电容元件；功率器件按照三相全桥整流电路的方式连接，电阻元件一端与三相桥式电路输出的一相连接，另一端与电感元件串联，电感元件再串联电容元件，电容元件两端与串联耦合变压器原边两侧并联。

所述的旁路开关所使用的器件为双向晶闸管器件。

所述的风力发电低电压穿越控制装置的控制方法为：控制器实时采集升压变压器低压侧的三相电压，通过计算和分析判断是否发生故障，当发生故障时旁路开关关断，启动串联电压补偿，使风机端电压维持在无故障水平。检测风机向电网输出电流，实时提供无功和谐波补偿。风机由于故障未能及时输出的功率存储到该装置的直流环节。