[发明专利]风力发电机组高低电压穿越装置、系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电领域，尤其是涉及一种应用于风力发电机组的高、低电压穿越装置、系统及其方法。

背景技术

在世界提倡绿色能源的今天，风力发电作为一种可再生的新能源得到了飞速的发展，同时风力发电在电网供电所占的比例也在不断的提高。在风力发电机组运行过程中，电网故障可能会导致电网电压突然上升或跌落，从而导致风力发电设备短时出现过压、过流或转速上升等现象，使大量风力发电机组脱网，且使电力系统的稳定性变差。因此，风力发电机组的并网质量及运行的稳定性非常重要。现在并网风机要求通过国家电科院的低电压穿越测试已成一项国家强制标准，所以低电压穿越的设备基本每台风机都必须具备，但高电压穿越由于没有国家强制要求，所以具备高电压穿越功能的设备较少，研究也少。

基于双馈型变流器的双馈风力发电机组，通过控制转子电流来控制整机功率，定子直接与电网相连。当电网电压发生突然升高或跌落时，其转子端会出现过压、过流，并使连接网侧变流器和机侧变流器的母线电压升高，这会对变流器的安全构成严重威胁，如不采取措施会导致变流器损坏，降低电网的稳定性。当电网电压出现跌落时，双馈风力发电机在额定电压下稳态运行时，其定子磁链矢量幅值恒定且以同步速旋转。同时，磁链感应出一个直流电流分量，该电流会感应出一个反作用磁场，以保持磁链不能突变。由于定子电阻和定子绕组漏感的存在， 使得该直流电流分量会以指数形式衰减，直到磁链矢量幅值过渡到对应的低电压运行时的幅值为止。因此，定子磁链中的直流分量是导致低电压穿越技术难以实现的根本原因。由于双馈风力发电机转子转速及转差率较高，从而引起转子侧过电压。而且由于定子电阻和绕组间漏感较小，定子磁链直流分量只能通过该漏感耦合，导致定、转子侧过电流，转子侧也存在磁链过渡过程，使其过电流更加严重。

为了保护特殊工况（如高、低电压穿越）下的风力发电机和变流器，目前，在双馈风力发电机组中一般都装有低电压穿越装置，即在瞬态故障下一般使用转子电流旁路措施来保护发电机转子和变流器。较多采用的就是主动式crowbar电路，其原理是把被动式crowbar电路的晶闸换成全控型电力电子器件，当电网发生故障时，控制机侧变流器关闭，同时开通crowbar电路，把发电机转子侧的能量消耗掉。当电网恢复时，控制crowbar电路关闭，并开启机侧变流器，对电网提供无功支持，帮助电网快速恢复，从而实现低电压穿越功能。为了实现转子电流旁路措施，现在多采用全控型电力电子器件作为受控开关，但随着风机容量的增加，对全控型电力电子器件提出了更高的容量要求。并且，随着旁路电流的变大，由于电路中存在的杂散电容、电感等，对低电压穿越装置的性能要求也越来越高。

在现有技术当中，由徐州中矿大传动与自动化有限公司、北京洲能科技发展有限公司于2012年02月07日申请，并于2012年04月11日公开，公布号为CN102412597A的中国发明专利申请，公开了一种双馈风力发电系统低电压穿越控制方法和装置，适用于大功率风力发电领域。其方法实现由跌落检测部分、跌落判断部分和触发动作部分来完成，如附图1所示，其装置包括双向变流器、变流器控制器和有源撬棒（Crowbar）模块。该发明申请采用Crowbar 电路来实现对低电压穿越的控制，有效防止了二次过流，有利于电网的恢复，穿越能力强、效果好。但是，该发明申请在应用到大容量风力机组时，采取多Crowbar并联的方式，增加了控制难度和系统的复杂性。同时，其只能应对低电压穿越，当风机进行高电压穿越时，还需要另外一套设备。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种风力发电机组高低电压穿越装置、系统及其方法，使风力发电机组同时具备高、低电压穿越能力，使风力发电机在电力系统故障期间，保持了网侧变流器的持续运行，并且可以较快地使机侧变流器重新启动，为电网故障的快速恢复提供了强有力的支持。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种风力发电机组高低电压穿越装置的技术实现方案，一种风力发电机组高低电压穿越装置，包括：高低压穿越电路、斩波电路和控制单元，所述高低压穿越电路连接在变流器与发电机之间，所述斩波电路连接在所述变流器的直流母线上，所述控制单元连接在所述变流器的直流母线上，所述控制单元还与所述高低压穿越电路和所述斩波电路相连。所述高低压穿越电路进一步包括全控型电力电子开关器件电路和耗能电阻。所述全控型电力电子开关器件电路进一步包括斩波管和续流管，所述斩波管和续流管串联，所述斩波管与所述耗能电阻并联；