[发明专利]基于定子串阻抗的双馈风电机组高低电压穿越系统及方法

说明书

本发明提供了一种基于定子串阻抗的双馈风电机组高低电压穿越系统及方法，包括连接电网的DFIG定子回路，所述DFIG定子回路包括依次连接的滤波电感、网测变流器、转子侧变流器和双馈风电机，所述双馈风电机和滤波电感之间串有串联阻抗保护电路，所述串联阻抗保护电路包括并联连接的快速开关和阻抗支路，所述阻抗支路包括串联连接的阻抗电感和阻抗电阻。本发明解决了DFIG的包括高、低压故障在内的电网综合故障穿越，实现故障期间DFIG定子电压的完全补偿，使DFIG满足额定工作条件，解决高、低电压故障期间DFIG对电网的全功率定子无功支撑问题。

技术领域

本发明涉及故障电网下的双馈风力发电系统的运行领域，具体地，涉及一种基于定子串联阻抗的双馈风电机组高低电压穿越方法。

背景技术

作为风力发电的主流机型，双馈感应风力发电机组(DFIG)由于其可变速恒频运行、所需变流器容量小、成本低等优点，在目前风电装机容量中占有较大的比重。

随着装备Crowbar电路的DFIG机组的广泛制造和使用，多数DFIG已初步满足电网低电压故障下的不脱网运行要求，但在风电占比持续扩大的环境下，Crowbar电路的固有缺陷日益凸显。电网遭遇低电压故障时，Crowbar电路需及时投入，双馈风机转子被短路。从风机和变流器角度看，变流器失去了控制转子电流的能力，无法调节定子有功、无功电流输出，风机转速功率平衡被打破导致转速上升。从电网角度看，转子短路的DFIG作感应电机运行，在电网故障期间吸收无功，不利电网电压恢复。另外，Crowbar电路主要作用在于限制低电压故障时的转子过流，因此不能在电网高电压故障下对机组提供保护。总体而言，当前的Crowbar故障穿越方案只能满足最低限度的低压穿越能力，局限明显。

保障电网安全运行对DFIG机组提出了更为严格的要求。2011年颁布的国家标准GBT-19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》除了规定DFIG应满足低压不脱网运行以外，还要求风电场在故障期间对电网提供动态无功支撑，且动态无功电流I_T满足：I_T≥1.5×(0.9-U_T)I_N。其中U_T为风电场并网点电压标幺值，I_N为风电场额定电流。2016年的中国能源行业标准NB/T 31099-2016《风力发电场无功配置及电压控制技术规定》进一步对风电场的高电压穿越能力提出了明确要求，要求能够穿越过最高1.2倍的故障电压。为满足以上的无功支撑需求和高电压穿越需求，包括保护电路结构和保护控制策略在内的保护措施急需改进。

目前，国内外对DFIG的故障穿越已有较多的研究，对DFIG的无功调节机理亦有阐明，但对于电网故障下DFIG动态无功支撑能力的分析较少，这可能与Crowbar电路的固有限制有关。需要探索并设计适用于电网电压骤升、骤降的新型电路拓扑和控制策略。相关文献使用大容量的静止无功补偿器，在高电压故障时吸收感性无功电流，使并网点电压下降。相关文献使用动态电压恢复器，在低电压穿越期间维持风机出口电压。相关文献提出利用动态电压调节器，在低电压故障期间对机组定子电压进行完全补偿，并结合超级电容器储能，实现了DFIG的电压骤升、骤降下的安全运行，但额外的变压器和逆变桥结构复杂，成本较高。相关文献在电压骤升时控制网侧变流器吸收无功电流，利用网侧变流器进线电抗分压，维持直流母线电压稳定，同时定子亦为故障电网提供动态无功支撑。但其未能解决定子绕组过压问题，并且不能提供全额无功功率支撑。相关文献增加了转子串联电阻和直流chopper电路，实现了DFIG的低电压安全穿越，改善了机组的转速稳定性和瞬态特性。相关文献讨论了通过定子串联阻抗解决双馈风机低电压穿越的可行性，利用网侧变流器的容量提供了无功支撑，但未充分利用转子变流器的控制能力，使阻抗整定值过大。相关文献提出一种电阻与电容串联的改进Crowbar电路结构，利用电容发出无功的特性减小故障期间DFIG从电网吸收的无功功率，结构简洁，但未根本解决故障穿越期间转子不可控问题。