[发明专利]双馈感应风力发电机系统低电压穿越的装置及方法

说明书

技术领域

本专利属于新能源发电技术领域，尤其涉及一种双馈感应风力发电机系统低电压穿越的装置及方法。

背景技术

随着我国风力发电市场的不断扩大，风力发电在电力系统中所占比重逐年上升，其对于电网的影响已经不可忽略。因此，世界各国对风力发电系统提出了必须具备低电压穿越能力的要求，即在电网电压一定跌落范围内，风力发电机必须保持与电网相连，且要能向电网提供一定的无功功率(电压)支撑。双馈感应风力发电机（Doubly-Fed Induction Generator，简称DFIG）由于其变频器容量小，且能对有功功率和无功功率实现解耦控制等优点，广泛应用于风力发电系统中。

然而，由于双馈感应风力发电机定子与电网直接相连接，当电网电压发生跌落时，会在定转子侧产生很大的瞬态电流，同时由于风力机调节速度较慢，而电网电压此时已经较低，无法输送到电网的能量会导致直流母线电容快速充电使直流母线电压迅速上升。该电磁暂态过程会严重威胁双馈感应风力发电机系统的正常运行。因此，研究双馈感应风力发电机在电网故障情况下的低电压穿越能力成为当前一大热点。

现有文献研究表明，在电网故障情况下，依靠改进控制策略只能在一定程度上起到作用，但由于变换器容量及电机参数等因素的限制，一旦发生较为严重的电压跌落，单纯依靠控制策略的改进难以实现低电压穿越，必须增加硬件辅助电路，常用的有使用撬棒保护（Crowbar Protection）装置。很多文献都考虑了撬棒电阻阻值对双馈感应风力发电机组低电压穿越能力的影响。概括地说，首先，撬棒电阻阻值越大，转子的最大电流就越小，因此撬棒电阻阻值的设计首先要满足电网低电压发生时转子电流的最大值小于器件所允许的安全电流，由此可得到撬棒电阻的最小阻值；其次，如果撬棒电阻阻值太小，则会在撬棒保护动作过程中通过反向二极管对转子励磁变换器中的直流母线电容进行充电，造成直流母线电压过高进而危害变换器安全，因此撬棒电阻上的电压应该小于直流母线可以承受的最大电压值，由此可以计算出撬棒电阻阻值的最大值。综上可知，撬棒电阻的选择需满足以下两个条件：

a.      阻值需足够大以限制故障发生时的最大瞬态定转子电流，

b.     阻值需足够小以防止直流母线电压升至太高。

撬棒电阻的影响在低电压穿越过程中至关重要，但尚未有文献给出合适的确定撬棒电阻的方案。因此，在双馈感应风力发电机系统低电压穿越技术研究中，十分有必要优化现有撬棒保护装置拓扑结构，选取合适的撬棒电阻，并进行有效的低电压穿越流程安排以保证风电机组安全并尽可能地协助故障电网恢复。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于撬棒电阻阻值实时调节的双馈感应风力发电机系统低电压穿越的装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种双馈感应风力发电机系统低电压穿越的装置，它主要由双馈感应风力发电机，转子励磁变换器，撬棒保护装置，du/dt电感，LCL滤波器和系统控制器等组成；其中，双馈感应风力发电机的转子三相绕组通过du/dt电感与转子励磁变换器一侧相连，转子励磁变换器的另一侧通过LCL滤波器与并网变压器连至电网；撬棒保护装置的三相输入端通过du/dt滤波器与双馈感应风力发电机的转子三相绕组相连接，在连接上与转子励磁变换器构成并联关系；系统控制器与转子励磁变换器和撬棒保护装置相连接；转子励磁变换器由网侧变换器、直流母线电容和转子侧变换器组成。

进一步地，所述撬棒保护装置包括三相不控整流桥、撬棒电阻和开关等；其中，三相不控整流桥是大功率二极管构成的全桥式不控整流电路，撬棒电阻是由电阻                                                与并联有斩波器的电阻串联构成的电阻支路，电阻的阻值小于电阻；三相不控整流桥的正输出端与撬棒电阻的一端相连，撬棒电阻的另一端通过开关与三相不控整流桥的负输出端相连。

一种应用上述装置的双馈感应风力发电机系统低电压穿越的方法，该方法包括以下步骤：

（1）当电网低电压发生导致双馈感应风力发电机转子电流上升到等于或大于设定上限值时，系统控制器封锁转子侧变换器脉冲并导通撬棒保护装置开关，即投入撬棒保护装置，同时将转子侧变换器的有功功率指令设为零，并将转子电流环PI调节器积分项输入设为零；