[发明专利]一种具备可靠低电压穿越能力的双馈变流器

说明书

技术领域

本发明设计一种具备完美低电压穿越功能的双馈风力发电机组变流器装置，适用于双馈风力发电机组。

背景技术

随着风力发电的迅速发展，风电装机容量不断增大，在发电容量中所占的比例也不断提高。当电力系统中风电装机容量比例较大时，电力系统故障导致电压跌落后，风电场切除会严重影响系统运行的稳定性。有研究表明，当风力发电机具有低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力时，能提高整个电力系统的稳定性。因此世界上风电装机比例较大的国家，如丹麦、德国、美国等颁布的风电并网规定中，都要求风电机组都具备LVRT能力，保证电力系统发生故障后风电机组能够不间断并网运行。

尽管各国对风电机组低电压穿越能力的要求各不相同，但都包含如下几个方面的内容，以我国颁布的风电场接入电力系统技术规定（GBT_19963-2011）为例：

a）风电场必须具有在电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行625ms的低电压穿越能力；

b）风电场电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保持并网运行；

c）风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场必须不间断并网运行。

d) 有功功率在故障清除后应快速恢复，自故障清除时刻开始，以至少10％额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。

e) 当风电场并网点电压处于标称电压的20％～90％区间内时，风电场应能够通过注入无功电流支撑电压恢复；自并网点电压跌落出现的时刻起，动态无功电流控制的响应时间不大于75ms，持续时间应不少于550ms。

风电场注入电力系统的动态无功电流IT≥1.5×（0.9-UT）IN ，（0.2≤UT≤0.9）。其中UT为风机机端并网点电压有效值。

如附图1所示，目前市场上绝大多数的双馈变流器目前可以通过在转子侧加入有源Crowbar(Active Crowbar)或直流母线加Chopper来使其具备LVRT能力，存在以下缺点：一是控制比较复杂，穿越过程中需要从电网吸收无功功率，风场电压在恢复时存在的高电压仍会使双馈变流器故障脱网，特别在风场电压不对称跌落、双馈发电机转速接近同步速时不容易顺利穿越。二是这种方案还需要风力发电机组主控系统和变桨系统的密切配合，要实现整个机组的低电压顺利穿越是一件很复杂的事情。三是这种方案在电网电压跌落会对机械传动系统造成较大的转矩冲击和震荡，影响机械部分的使用寿命甚至导致损坏。四是在有功功率恢复速度、动态无功电流响应速度和无功电流容量方面都很难满足GBT_19963-2011的要求。因此设计一种能够保证双馈风力发电机组能够在任何电压跌落情况下都能够顺利穿越的新型双馈变流器，对于电网和机组的稳定运行有着十分重要的意义。

发明内容

    本发明的目的在于：针对目前传统双馈变流器在电网电压跌落进行低电压穿越时冲击转矩大、可靠性差等问题，提供一种新颖的使双馈风电机组具有完美低电压穿越能力的双馈变流器和其控制方法,适用于各种双馈发电机组。

本发明是这样实现的：一种具备可靠低电压穿越能力的新型双馈变流器，设有A端口、B端口、C端口，其特征在于，双馈变流器包括定子侧动态耗能单元DPC、网侧变流器GSC、机侧变流器RSC、直流卸荷单元DBU、并网快速开关GK、暂态无功电流补偿单元TSTATCOM（Transient STATCOM）、AD/DC整流开关EK、网侧滤波器LB和控制器KZQ；其中：

定子侧动态耗能单元DPC、AC/DC整流开关EK的一端以及并网快速开关GK的一端通过A端口直接与双馈发电机的定子连接；暂态无功电流补偿单元TSTATCOM的交流端由B端口与电网侧连接；网侧变流器GSC的交流侧经过滤波器LB通过B端口与电网连接，机侧变流器RSC的交流侧由C端口与双馈发电机的转子连接，网侧变流器GSC与机侧变流器RSC之间为公共直流母线，直流卸荷单元DBU位于公共直流母线上；并网快速开关GK 串接在A端口与B端口之间；AC/DC整流开关EK的交流端通过A端口与定子侧连接，直流端与公共直流母线连接；

所述的定子侧动态耗能单元DPC、网侧变流器GSC和机侧变流器RSC、直流卸荷单元DBU、并网快速开关GK、暂态无功电流补偿单元TSTATCOM、AC/DC整流开关EK的工作状态均受控于控制器KZQ。

    在本发明中，并网快速开关GK包括晶闸管或功率器件组合后的双向交流开关DW，配有快速关断电路，通过控制器KZQ进行电流检测和保护。