[发明专利]风电机组综合串联补偿电压穿越装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电电压穿越技术领域，具体的是风力发电机组高/低电压穿越(Low/High voltage ride through，LVRT/HVRT)以及在电网电压谐波畸变情况下平缓转矩波动控制技术。

背景技术

风电场一般地处偏僻，远离负荷中心，过去为了保护风电机组，风电场一般通过频繁切机来躲避电网故障对风电机组的影响。随着风电机组的装机容量越来越大，传统的风电机组自我保护将对电网的安全稳定运行造成重大的影响，特别是在电力系统出现扰动和故障的情况下，其对电力系统的影响越发突出，严重故障将导致电网电压奔溃。出于电力系统安全运行的角度考虑，各国对风电机组制造商提出了更多新的要求，先后出台了风电并网标准，概括起来主要涉及有功功率控制、无功功率控制、电压控制、频率控制、低电压穿越（low voltage ride through，LVRT）等方面。

分析2011年中国西北电网以及张北风电场风机大规模脱网事故机理，可以发现，首先电网故障造成电压跌落，在故障期间，风电机组因不具备低压穿越能力而发生脱网。事故前各风电场出力较大，投入了大量无功补偿以支撑风电有功功率的输送；但是所投入的无功补偿装置主要是固定电容补偿器组(FC)和机械投切电容器组(MSC),缺乏电压快速调整能力。事故期间，大量风电机组因不满足低电压穿越要求而脱网，故障切除后，系统电压回升，而各风电场升压站的电容器组扔挂网运行，造成大量无功功率过剩，引起系统电压升高。由于系统电压升高，电网内部分风电机组由于过电压保护(超过1.1pu)而切机脱网。

另外，对于双馈异步发电机组（doubly fed induction generator，DFIG）由于定子绕组直接挂网，且小容量励磁变换器控制能力有限，在电网电压谐波畸变情况下，容易造成其输出功率波动，电流谐波，转矩持续脉动等负面效应。其中造成的转矩脉动对风电机组昂贵的齿轮箱传轴系统危害极大，是DFIG运行机械故障的主要源头之一，对于笼型异步风电机组(squirrel cage induction generator，SCIG)其转矩在电网电压谐波畸变情况下也存在同样转矩波动问题。因此，广义的电压穿越还需要考虑电网电压不平衡且畸变等复杂情况下对风电机组的危害影响最小。

发明内容

要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明的风电机组综合串联补偿电压穿越装置及控制方法解决现有技术中存在的以下3个技术问题：（1）电网故障造成电压跌落时，风电机组因不具备低压穿越能力而发生脱网；（2）电网故障切除后无功功率过剩引起系统电压升高，风电机组由于过电保护而切机脱网，即高压穿越能力差；（3）电网电压谐波畸变情况下，输出功率波动，电流谐波，转矩持续脉动等负面效应对风电机组齿轮箱传轴系统造成极大危害。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

风电机组综合串联补偿电压穿越装置，该风电机组综合串联补偿电压穿越装置安装于风力发电机及其控制装置与电网公共连接PCC点之间的三相电路上，包括三相标准变换器、串联耦合变压器、双向充放电电路、直流母线电容和旁路开关；

所述三相电路的每相电路上均串接有串联耦合变压器的副边，串联耦合变压器的副边上均并联有旁路开关，串联耦合变压器的原边与三相标准变换器的相应相进行连接；

所述三相标准变换器与直流母线电容并联；直流母线电容存储能量，作为提供补偿电压的装置，经三相标准变化器将直流电压逆变成交流电压后叠加在电网公共连接PCC点。

所述双向充放电电路包括双向充放电控制电路与双向DC/DC变换器串联连接组成，其中双向充放电控制电路包括超级电容与DC/DC充/放电电感串联组成，双向充放电电路与所述直流母线电容并联。

进一步的，在本发明中，所述串联耦合变压器的原边经过滤波回路三相标准变换器相连接。滤波回路可滤除高频分量。

进一步的，在本发明中，所述旁路开关6为1个标准IGBT开关和4个相同的二极管组成的H型桥式电路结构，所述4个二极管构成2个桥臂，所述标准IGBT开关并接在两个桥臂中间，其中IGBT的集电极C与桥臂中的二极管阴极相连，而IGBT的发射极E与桥臂中的二极管阳极相连；所述H型桥式电路结构中将两路桥臂中二极管串接的两个中间连接点分别接在串联耦合变压器的副边两端。只要断开IGBT的触发信号即可实现旁路开关6的断开。旁路开关6可以减少因风电机组综合串联补偿电压穿越装置的接入而引起的损耗。