專利名稱：雙饋感應風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越的裝置及方法
技術領域：
本專利屬于新能源發(fā)電技術領域，尤其涉及一種雙饋感應風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越的裝置及方法。
背景技術：
隨著我國風力發(fā)電市場的不斷擴大，風力發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占比重逐年上升， 其對于電網的影響已經不可忽略。因此，世界各國對風力發(fā)電系統(tǒng)提出了必須具備低電壓穿越能力的要求，即在電網電壓一定跌落范圍內，風力發(fā)電機必須保持與電網相連，且要能向電網提供一定的無功功率(電壓)支撐。雙饋感應風力發(fā)電機(Doubly-Fed Induction Generator，簡稱DFIG)由于其變頻器容量小，且能對有功功率和無功功率實現解耦控制等優(yōu)點，廣泛應用于風力發(fā)電系統(tǒng)中。然而，由于雙饋感應風力發(fā)電機定子與電網直接相連接，當電網電壓發(fā)生跌落時， 會在定轉子側產生很大的瞬態(tài)電流，同時由于風力機調節(jié)速度較慢，而電網電壓此時已經較低，無法輸送到電網的能量會導致直流母線電容快速充電使直流母線電壓迅速上升。該電磁暫態(tài)過程會嚴重威脅雙饋感應風力發(fā)電機系統(tǒng)的正常運行。因此，研究雙饋感應風力發(fā)電機在電網故障情況下的低電壓穿越能力成為當前一大熱點?，F有文獻研究表明，在電網故障情況下，依靠改進控制策略只能在一定程度上起到作用，但由于變換器容量及電機參數等因素的限制，一旦發(fā)生較為嚴重的電壓跌落，單純依靠控制策略的改進難以實現低電壓穿越，必須增加硬件輔助電路，常用的有使用撬棒保護(Crowbar Protection)裝置。很多文獻都考慮了撬棒電阻阻值對雙饋感應風力發(fā)電機組低電壓穿越能力的影響。概括地說，首先，撬棒電阻阻值越大，轉子的最大電流就越小，因此撬棒電阻阻值的設計首先要滿足電網低電壓發(fā)生時轉子電流的最大值小于器件所允許的安全電流，由此可得到撬棒電阻的最小阻值；其次，如果撬棒電阻阻值太小，則會在撬棒保護動作過程中通過反向二極管對轉子勵磁變換器中的直流母線電容進行充電，造成直流母線電壓過高進而危害變換器安全，因此撬棒電阻上的電壓應該小于直流母線可以承受的最大電壓值，由此可以計算出撬棒電阻阻值的最大值。綜上可知，撬棒電阻的選擇需滿足以下兩個條件
a.阻值需足夠大以限制故障發(fā)生時的最大瞬態(tài)定轉子電流，
b.阻值需足夠小以防止直流母線電壓升至太高。撬棒電阻的影響在低電壓穿越過程中至關重要，但尚未有文獻給出合適的確定撬棒電阻的方案。因此，在雙饋感應風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越技術研究中，十分有必要優(yōu)化現有撬棒保護裝置拓撲結構，選取合適的撬棒電阻，并進行有效的低電壓穿越流程安排以保證風電機組安全并盡可能地協(xié)助故障電網恢復。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于撬棒電阻阻值實時調節(jié)的雙饋感應風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越的裝置及方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的
一種雙饋感應風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越的裝置，它主要由雙饋感應風力發(fā)電機，轉子勵磁變換器，撬棒保護裝置，du/dt電感，LCL濾波器和系統(tǒng)控制器等組成；其中，雙饋感應風力發(fā)電機的轉子三相繞組通過du/dt電感與轉子勵磁變換器一側相連，轉子勵磁變換器的另一側通過LCL濾波器與并網變壓器連至電網；撬棒保護裝置的三相輸入端通過du/ dt濾波器與雙饋感應風力發(fā)電機的轉子三相繞組相連接，在連接上與轉子勵磁變換器構成并聯(lián)關系；系統(tǒng)控制器與轉子勵磁變換器和撬棒保護裝置相連接；轉子勵磁變換器由網側變換器、直流母線電容和轉子側變換器組成。進一步地，所述撬棒保護裝置包括三相不控整流橋、撬棒電阻和開關等；其中，三相不控整流橋是大功率二極管構成的全橋式不控整流電路，撬棒電阻是由電阻
與并聯(lián)有斬波器的電阻爲串聯(lián)構成的電阻支路，電阻兄的阻值小于電阻爲；三相不控
整流橋的正輸出端與撬棒電阻的一端相連，撬棒電阻的另一端通過開關與三相不控整流橋的負輸出端相連。一種應用上述裝置的雙饋感應風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越的方法，該方法包括以下步驟
(1)當電網低電壓發(fā)生導致雙饋感應風力發(fā)電機轉子電流上升到等于或大于設定上限值時，系統(tǒng)控制器封鎖轉子側變換器脈沖并導通撬棒保護裝置開關，即投入撬棒保護裝置， 同時將轉子側變換器的有功功率指令設為零，并將轉子電流環(huán)PI調節(jié)器積分項輸入設為零；
(2)撬棒保護裝置開關導通后，網側變換器在滿足必要的有功功率需求外，盡其所能地向電網提供無功功率支持；同時通過對撬棒電阻等效阻值的實時調節(jié)，可以在直流母線電壓波動不大的情況下，較好地抑制住轉子電流的沖擊，并較快地使轉子電流衰減到安全范圍內，從而獲得較理想的低電壓穿越性能；
(3)當雙饋感應風力發(fā)電機轉子電流衰減到小于或等于設定下限值，系統(tǒng)控制器關斷撬棒保護裝置開關即切除撬棒保護裝置，同時開啟轉子側變換器脈沖，轉子側變換器恢復工作并迅速為電網提供一定無功功率，協(xié)助電網恢復；
(4)電網電壓恢復并且撬棒保護裝置被切除后，將轉子電流環(huán)PI調節(jié)器積分項輸入恢復為指令電流和反饋電流的差值，網側變換器緩慢恢復額定無功功率指令，同時轉子側變換器緩慢恢復額定無功功率指令和有功功率指令，隨后系統(tǒng)恢復額定運行狀態(tài)。進一步地，所述步驟(2)通過以下子步驟來實現
(1)根據雙饋感應風力發(fā)電機系統(tǒng)的額定轉子電流幅值和最大允許直流母線電壓，確
定分別為以三相轉子電流最大幅值和直流母線電壓為變量的函數/(I4L)和/(『4)； 函數/(I4L=)和分別為I^Lk和4的正關系線性函數和負關系線性函數，即
權利要求
1.一種雙饋感應風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越的裝置，其特征在于，它主要由雙饋感應風力發(fā)電機，轉子勵磁變換器，撬棒保護裝置，du/dt電感，LCL濾波器和系統(tǒng)控制器等組成；其中，雙饋感應風力發(fā)電機的轉子三相繞組通過du/dt電感與轉子勵磁變換器一側相連，轉子勵磁變換器的另一側通過LCL濾波器與并網變壓器連至電網；撬棒保護裝置的三相輸入端通過du/dt濾波器與雙饋感應風力發(fā)電機的轉子三相繞組相連接，在連接上與轉子勵磁變換器構成并聯(lián)關系；系統(tǒng)控制器與轉子勵磁變換器和撬棒保護裝置相連接；轉子勵磁變換器由網側變換器、直流母線電容和轉子側變換器組成。
2.根據權利要求1所述雙饋感應風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越的裝置，其特征在于，所述撬棒保護裝置包括三相不控整流橋、撬棒電阻和開關等；其中，三相不控整流橋是大功率二極管構成的全橋式不控整流電路，撬棒電阻是由電阻為與并聯(lián)有斬波器的電阻爲串聯(lián)構成的電阻支路，電阻戽的阻值小于電阻i三相不控整流橋的正輸出端與撬棒電阻的一端相連，撬棒電阻的另一端通過開關與三相不控整流橋的負輸出端相連。
3.一種應用權利要求1所述裝置的雙饋感應風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)當電網低電壓發(fā)生導致雙饋感應風力發(fā)電機轉子電流上升到等于或大于設定上限值時，系統(tǒng)控制器封鎖轉子側變換器脈沖并導通撬棒保護裝置開關，即投入撬棒保護裝置， 同時將轉子側變換器的有功功率指令設為零，并將轉子電流環(huán)PI調節(jié)器積分項輸入設為零；(2)撬棒保護裝置開關導通后，網側變換器在滿足必要的有功功率需求外，盡其所能地向電網提供無功功率支持；同時通過對撬棒電阻等效阻值的實時調節(jié)，可以在直流母線電壓波動不大的情況下，較好地抑制住轉子電流的沖擊，并較快地使轉子電流衰減到安全范圍內，從而獲得較理想的低電壓穿越性能；(3)當雙饋感應風力發(fā)電機轉子電流衰減到小于或等于設定下限值，系統(tǒng)控制器關斷撬棒保護裝置開關即切除撬棒保護裝置，同時開啟轉子側變換器脈沖，轉子側變換器恢復工作并迅速為電網提供一定無功功率，協(xié)助電網恢復；(4)電網電壓恢復并且撬棒保護裝置被切除后，將轉子電流環(huán)PI調節(jié)器積分項輸入恢復為指令電流和反饋電流的差值，網側變換器緩慢恢復額定無功功率指令，同時轉子側變換器緩慢恢復額定無功功率指令和有功功率指令，隨后系統(tǒng)恢復額定運行狀態(tài)。
4.根據權利要求3所述的雙饋感應風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越的方法，其特征在于， 所述步驟(2)通過以下子步驟來實現(1)根據雙饋感應風力發(fā)電機系統(tǒng)的額定轉子電流幅值和最大允許直流母線電壓，確定分別為以三相轉子電流最大幅值和直流母線電壓為變量的函數/(I4LJ和/(&)； 函數/(I4LJ和分別為和K；的正關系線性函數和負關系線性函數，即其中，KL為從du/dt電感與轉子勵 茲變換器 接端測得WH相轉子電流信號分別取絕對值后的最大值，即三相轉子電流最大幅值，4為額定轉子電流幅值，雄為最大允許直流母線電壓，Gv為從轉子勵磁變換器直流母線電容兩端測得的直流母線電壓，為額定直流母線電壓；(2)采用加權的方法對函數/(KLt)和/(F&)進行綜合運算處理，得到變電阻信號； 變電阻信號可由以下公式得到其中，G為考慮轉子電流影響的權重系數；(3)將上述變電阻信號計算公式得到的結果做輸出限幅，進而得到等效撬棒電阻阻值， 實現撬棒電阻阻值的實時調節(jié)將變電阻信號計算公式得到的結果做輸出限幅，輸出下限值為0，輸出上限值為1，得到最終用于計算等效撬棒電阻阻值的變電阻信號飾，進而得到等效撬棒電阻的阻值為Rcm =戰(zhàn) xRi ；其中，盡、爲和撬棒電阻的關系如圖2所示，其阻值選取過程如下 首先，撬棒電阻阻值的設計首先要滿足故障發(fā)生時轉子電流的最大值小于器件所允許的安全電流即由此式可以計算出撬棒電阻的最小值,即及CSmki = J(二 f _ (^cr^!φ)2 ；“φ V mI其次，撬棒電阻上的電壓應該小于直流母線可以承受的電壓值,即由此式可運算出撬棒電阻的最大值Acsmx上述四式中，^ =4,為單相總漏感，4,, 4f.分別為定子相漏感和轉子相漏感， Us為定子相電壓峰值，c^ , ^分別為轉子速旋轉角速度和同步旋轉角速度將電阻4取為撬棒電阻Sce的最小值將電阻i取為撬棒電阻Acs的最大值與最小值的差值，即馬=h ,乓=Rcm從-；此時，撬棒電阻阻值理論上能取到從 -^CSmm到及CSmk的不同值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙饋感應風力發(fā)電機系統(tǒng)低電壓穿越的裝置及方法，本發(fā)明通過撬棒電阻等效阻值的實時調節(jié)，有效結合了使用大值電阻與使用小值電阻的優(yōu)點，可以在直流母線電壓波動不大的情況下，較好地抑制住轉子電流的沖擊，并較快地將轉子電流衰減到安全范圍內，有效地保護了轉子勵磁變換器，降低了對電網和機械系統(tǒng)的暫態(tài)沖擊；同時通過電網電壓跌落期間轉子側變換器和網側變換器的協(xié)同無功功率補償，有效協(xié)助了電網電壓的安全穩(wěn)定與恢復。
文檔編號H02P9/10GK102214931SQ20111013448
公開日2011年10月12日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權日2011年5月24日
發(fā)明者任遠, 章瑋 申請人:浙江大學