[发明专利]适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置及方法，属于风力发电机保护技术领域。

背景技术

双馈风力发电机在电网发生电压跌落故障时会引起转子瞬时过电流、过电压及直流母线电压波动等问题，这些问题的产生不但会对发电机及与其相连的变流器造成严重的后果，更为严重的是，风机的解列还可能使电网系统发生更大范围的解列甚至产生电网瘫痪。

现有用于电机保护的电网电压故障保护装置为串联电阻保护装置，其采用串级的方式，由多级电阻串接组成，各级电阻分别并联双向固态开关。在电网正常时，所有双向固态开关导通，一旦检测到电网电压跌落时，依据跌落程度的大小，关断相应双向固态开关使得相应阻值的电阻接入电网。这种方式接入电阻的阻值为分段变化的，因此无法做到对电压的精细补偿，并且它同时需要配合使用大量的双向晶闸管，造成硬件成本较高。它在即使电网电压正常时，也需要晶闸管处于导通状态，这不但增加了开关管损耗，也影响了晶闸管的使用寿命，使保护装置的可靠性下降。同时，现有这种保护装置的串电阻方案由于未考虑风机工作在功率因数较低状态时，串电阻的控制策略优化问题，导致电阻对机端电压补偿效果严重下降。

发明内容

本发明目的是为了解决现有风电场电网电压故障保护装置成本高，并在风机功率因数较低状态时对机端电压补偿效果差的问题，提供了一种适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置及方法。

本发明所述适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置，该保护装置连接在风电场风机升压变压器高压侧机端汇流母线与电网汇流母线之间，该保护装置为三单相结构，每一单相结构相同，每一单相结构包括继电器、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、绝缘栅双极型晶体管T和电阻R，

第一功率二极管D1的阳极连接电网汇流母线，第一功率二极管D1的阴极连接第二功率二极管D2的阴极，第二功率二极管D2的阳极连接机端汇流母线，第二功率二极管D2的阳极连接第四功率二极管D4的阴极，第四功率二极管D4的阳极连接第三功率二极管D3的阳极，第三功率二极管D3的阴极连接第一功率二极管D1的阳极；

绝缘栅双极型晶体管T的集电极连接第一功率二极管D1的阴极，绝缘栅双极型晶体管T的发射极连接第四功率二极管D4的阳极，电阻R与绝缘栅双极型晶体管T相并联；

继电器一端连接电网汇流母线，继电器另一端连接机端汇流母线。

绝缘栅双极型晶体管T的栅极采用PWM驱动控制。

一种适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护方法，该保护方法基于上述的适用宽功率因数范围的风电场电网电压故障保护装置实现，所述保护方法包括以下步骤：

步骤一：电网电压正常时，采集机端汇流母线电压值和电网汇流母线值，经快速傅里叶变换获得机端汇流母线正常电压幅值|v_WTG|^*和电网汇流母线正常电压幅值|v_PCC|^*；

步骤二：采集机端汇流母线当前电流值i_WTG、机端汇流母线当前电压值v_WTG和电网汇流母线当前电压值v_PCC，经快速傅里叶变换获得机端汇流母线当前电流幅值|i_WTG|、机端汇流母线当前电压幅值|v_WTG|和电网汇流母线当前电压幅值|v_PCC|；

步骤三：将电网汇流母线当前电压幅值|v_PCC|与电网汇流母线正常电压幅值|v_PCC|^*进行比较，进行电网故障判断；当判断电网故障发生时，执行步骤四；

步骤四：计算当前电网电压跌落深度，再根据电网电压跌落深度进行计算，获得PWM驱动信号的占空比，使电阻R的阻值获得调整，串入机端汇流母线与电网汇流母线之间，实现对风电场电网电压的故障保护。

步骤三中进行电网故障判断的具体方法为：

当|v_PCC|＜0.9|v_PCC|^*时，判定电网故障发生。

步骤四中，获得PWM驱动信号的占空比的具体方法为：

当前电网电压跌落深度k为：