[發明專利]風力發電機組高低電壓穿越裝置、系統及其方法

在審

• 申請號: 201310403016.2
• 申請日: 2013-09-06
• 公開（公告）號: CN103441530A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 羅成;盛建科;胡佑群;劉志星;王躋;邢云龍
• 申請（專利權）人: 南車株洲電力機車研究所有限公司
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 趙洪

技術領域

本發明涉及風力發電領域，尤其是涉及一種應用于風力發電機組的高、低電壓穿越裝置、系統及其方法。

背景技術

在世界提倡綠色能源的今天，風力發電作為一種可再生的新能源得到了飛速的發展，同時風力發電在電網供電所占的比例也在不斷的提高。在風力發電機組運行過程中，電網故障可能會導致電網電壓突然上升或跌落，從而導致風力發電設備短時出現過壓、過流或轉速上升等現象，使大量風力發電機組脫網，且使電力系統的穩定性變差。因此，風力發電機組的并網質量及運行的穩定性非常重要。現在并網風機要求通過國家電科院的低電壓穿越測試已成一項國家強制標準，所以低電壓穿越的設備基本每臺風機都必須具備，但高電壓穿越由于沒有國家強制要求，所以具備高電壓穿越功能的設備較少，研究也少。

基于雙饋型變流器的雙饋風力發電機組，通過控制轉子電流來控制整機功率，定子直接與電網相連。當電網電壓發生突然升高或跌落時，其轉子端會出現過壓、過流，并使連接網側變流器和機側變流器的母線電壓升高，這會對變流器的安全構成嚴重威脅，如不采取措施會導致變流器損壞，降低電網的穩定性。當電網電壓出現跌落時，雙饋風力發電機在額定電壓下穩態運行時，其定子磁鏈矢量幅值恒定且以同步速旋轉。同時，磁鏈感應出一個直流電流分量，該電流會感應出一個反作用磁場，以保持磁鏈不能突變。由于定子電阻和定子繞組漏感的存在，?使得該直流電流分量會以指數形式衰減，直到磁鏈矢量幅值過渡到對應的低電壓運行時的幅值為止。因此，定子磁鏈中的直流分量是導致低電壓穿越技術難以實現的根本原因。由于雙饋風力發電機轉子轉速及轉差率較高，從而引起轉子側過電壓。而且由于定子電阻和繞組間漏感較小，定子磁鏈直流分量只能通過該漏感耦合，導致定、轉子側過電流，轉子側也存在磁鏈過渡過程，使其過電流更加嚴重。

為了保護特殊工況（如高、低電壓穿越）下的風力發電機和變流器，目前，在雙饋風力發電機組中一般都裝有低電壓穿越裝置，即在瞬態故障下一般使用轉子電流旁路措施來保護發電機轉子和變流器。較多采用的就是主動式crowbar電路，其原理是把被動式crowbar電路的晶閘換成全控型電力電子器件，當電網發生故障時，控制機側變流器關閉，同時開通crowbar電路，把發電機轉子側的能量消耗掉。當電網恢復時，控制crowbar電路關閉，并開啟機側變流器，對電網提供無功支持，幫助電網快速恢復，從而實現低電壓穿越功能。為了實現轉子電流旁路措施，現在多采用全控型電力電子器件作為受控開關，但隨著風機容量的增加，對全控型電力電子器件提出了更高的容量要求。并且，隨著旁路電流的變大，由于電路中存在的雜散電容、電感等，對低電壓穿越裝置的性能要求也越來越高。

在現有技術當中，由徐州中礦大傳動與自動化有限公司、北京洲能科技發展有限公司于2012年02月07日申請，并于2012年04月11日公開，公布號為CN102412597A的中國發明專利申請，公開了一種雙饋風力發電系統低電壓穿越控制方法和裝置，適用于大功率風力發電領域。其方法實現由跌落檢測部分、跌落判斷部分和觸發動作部分來完成，如附圖1所示，其裝置包括雙向變流器、變流器控制器和有源撬棒（Crowbar）模塊。該發明申請采用Crowbar?電路來實現對低電壓穿越的控制，有效防止了二次過流，有利于電網的恢復，穿越能力強、效果好。但是，該發明申請在應用到大容量風力機組時，采取多Crowbar并聯的方式，增加了控制難度和系統的復雜性。同時，其只能應對低電壓穿越，當風機進行高電壓穿越時，還需要另外一套設備。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種風力發電機組高低電壓穿越裝置、系統及其方法，使風力發電機組同時具備高、低電壓穿越能力，使風力發電機在電力系統故障期間，保持了網側變流器的持續運行，并且可以較快地使機側變流器重新啟動，為電網故障的快速恢復提供了強有力的支持。

為了實現上述發明目的，本發明具體提供了一種風力發電機組高低電壓穿越裝置的技術實現方案，一種風力發電機組高低電壓穿越裝置，包括：高低壓穿越電路、斬波電路和控制單元，所述高低壓穿越電路連接在變流器與發電機之間，所述斬波電路連接在所述變流器的直流母線上，所述控制單元連接在所述變流器的直流母線上，所述控制單元還與所述高低壓穿越電路和所述斬波電路相連。所述高低壓穿越電路進一步包括全控型電力電子開關器件電路和耗能電阻。所述全控型電力電子開關器件電路進一步包括斬波管和續流管，所述斬波管和續流管串聯，所述斬波管與所述耗能電阻并聯；