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高压变频器在风力发电系统中的应用

发布日期:2020-07-30   来源:《变频器世界》20-04期   作者:徐福敏   浏览次数:460
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【摘   要】:随着风场规模地日益扩大,风力发电设备并网后在整个电网中的比例不断增大,针对设备中常见的电网电压跌落故障,本文在研究风力发电功率变换器的低电压穿越技术的基础上,提出了一种双馈风力发电机系统。系统主要包括低电压穿越电路,阻值可调的撬棒电路,吸收回路等,配合相应调控方法,根据转子侧过剩能量的大小,选择性触发撬棒回路,并实时调整撬棒电路中的耗能电阻阻值,减少由于频繁切换带大阻值的撬棒电路而造成的发电机组暂态、不稳定过程时间,避免损坏机侧高压变频器和转子绕组,尽最大可能为电网提供无功支撑。

 

关键词:风力发电设备;低电压穿越技术撬棒电路;高压变频器

Abstart: With the increasing scale of wind farms, the proportion of wind power generation equipment in the whole power grid is increasing. Aiming at the common grid voltage sags in the equipment, this paper proposes a doubly fed wind power generator system based on the study of low voltage ride through technology of wind power converter. The system mainly includes low-voltage through circuit, crowbar circuit with adjustable resistance, absorption circuit, etc. according to the amount of excess energy on the rotor side, the crowbar circuit is selectively started, and the energy dissipation resistance value in the crowbar circuit is adjusted in real time to reduce the transient and unstable process time of the generator set caused by frequent switching of crowbar circuit with large resistance To avoid damaging the high voltage inverter and rotor winding at the generator side and provide reactive power support for the power grid as much as possible.
Keywords: Wind power equipment; low voltage ride through technology; crowbar circuit; high voltage inverter

0 引言

随着国内外风电机组大规模并网发电,当风电场电网电压出现短路导致严重跌落或扰动时,可能造成大规模的风电机组脱网,直接造成发电机及变流器等系统设备的损坏,甚至造成电网崩溃[1]并且,风力发电设备并网后占整个电网的比例增大,单个风力发电机发生故障都会引起整个风场故障,甚至造成整个电网解列。而作为风力发电设备中最常见的故障就是电网电压跌落,因此具有低电压穿越能力已经成为决定电网安全的重要因素,也成为风力发电变流器进入市场的准入条件。所以研究风力发电功率变换器的低电压穿越能力是必要的。风电场运行的风电机组必须具有一定低电压穿越能力,保障电机组在上述电网故障发生时能顺利穿越故障,保障风电机组和电网安全[2]由此可见,风电机组低电压穿越技术研究已经成为国内外学者研究热点之一。

1 现阶段的实际应用

1.1 现阶段的技术方案

所谓的低电压穿越技术就是:在风力发电机并网点电压跌落的时候,风机能够保持并网,甚至向电网提供一定的无功功率,支持电网恢复,直到电网恢复正常。最常见的低电压穿越技术方案主要采用主动或被动撬棒电路相关技术[3],一般的低电压穿越电路包括风力发电机和电网之间的机侧变频器和网侧变频器以及用于设置在风力发电机转子侧的撬棒电路,通过撬棒电路实现低电压穿越。

1.2现阶段存在的问题

对于传统的低电压穿越技术方案[4],撬棒电路中的消耗电阻阻值不可调,而由于电网电压跌落程度、发电机组的发电量是随机变化的,固定消耗电阻的撬棒电路导致无法有效调节转子侧、直流母线上的过电压、过电流,且无法向电网提供有效的无功支撑,同时可能造成频繁的切入和切除撬棒电路,引起发电机组的暂态、不稳定现象。同时,由于撬棒电路与变频器并联连接在转子绕组上,触发撬棒电路时,机组过剩功率大量消耗在撬棒电路中,导致风电机组无法向电网提供有效的无功支撑,不利用电网的恢复。

2 双馈风力发电机系统

2.1系统组成

基于上述弊端,提出了一种双馈风力发电系统。该系统的具体实施案例以双馈发电机为核心的风力发电系统,其中双馈发电机DFIG的转子通过变频器与电网连接,定子通过并网开关与电网连接,发电机处于同步转速以下发电时,转子从电网吸收电能,定子产出电量,通过并网开关向电网送电发电机处于超同步转速发电时,转子和定子同时向电网发送电能。

如图1所示,在该双馈风力发电机系统中,整体电路由撬棒电路和吸收电路构成。撬棒电路由三相整流桥、大功率泄放电阻以及选择开关构成,其中三相整流端与发电机的转子出线端一一连接,大功率泄放电阻与选择开关串联连接在三相整流桥正负直流端之间;吸收回路由可控二极管、电容以及消耗电阻构成,其中可控二极管的正极与选择开关的进线端连接,电容和消耗电阻并联且设置在可控二极管负极与所述三相整流桥直流正极端之间。


                                             

1 双馈风力发电机电路图


对于该双馈风力发电机系统电路,在三相整流桥的直流正负端之间并联设置两组电阻和可控晶体管,分别为R3、T3和R4、T4,其中R3阻值为最大阻值的消耗电阻,用于最大功率吸收转子侧的过剩能量。

2.2实现原理

在该双馈风力发电机系统中,将撬棒电路交流侧连接在发电机转子绕组出线端、直流侧连接在变频器直流母线上,将每组可控晶体管的控制端连接在同一个控制器上,这样便能实现变频器直流母线电压的测量。将测量值传送到控制器上,控制器根据直流母线电压的大小,分配每组可控晶体管的导通时间,调控撬棒电路中直流侧之间的瞬时合成电阻值,进而柔性调节直流母线上的电压,使其保持在正常承受范围内。同时通过侧变频器向电网提供无功支撑,直到故障排除电网电压恢复。

当直流母线上的电压超出变频器直流母线最大承受电压时,锁闭网侧变频器和机侧变频器,撬棒电路独立消耗转子侧的过剩能量,同时将合成电阻调整最大,进行最大负荷的卸载,直到直流母线电压回落到低于最大承受电压,重新启动网侧变频器和机侧变频器,再进行对变频器直流母线电压测量,进而实现对发电系统的运行稳定性控制。

2.3具体控制方法

在该双馈风力发电机系统中,当电网电压跌落瞬间,同步测量变频器直流母线电压及撬棒回路直流侧电压。如果变频器直流母线电压增大到耗能电阻触发电压时,选择性导通IGBT开关管,耗能电阻消耗直流母线间的过剩能量,通过控制IGBT开关的导通时间来限制直流母线电压升高,使得直流母线电压保持在正常波动范围内。

如果撬棒回路直流侧电压增大到触发电压时,闭合断路器,断开IGBT开关管,导通选择开关,触发撬棒回路,大功率泄放电阻导通,消耗转子侧的过剩能量,限制变频器直流母线电压升高当撬棒回路直流侧电压回落到低于触发电压时,先断开选择开关,切除大功率泄放电阻,再断开断路器切除撬棒回路,并选择性导通IGBT开关管。

如果撬棒回路直流侧电压进一步升高并超过撬棒回路的触发电压一定比例时,保持选择开关的导通状态,断开断路器,锁闭机侧变频器,撬棒回路独立消耗转子侧的过剩能量,直到撬棒回路直流侧电压回落到低于撬棒回路的触发电压,断开选择开关,切除撬棒回路。

进一步而言,可以选择性触发撬棒回路,按照过剩能量从小到大,依次通过斩波电路来抑制变频器直流母线电压升高;再触发撬棒电路,并接入到变频器直流母线上,通过大功率泄放电阻吸收过剩能量,抑制直流母线电压进一步升高,同时通过网侧变频器向电网提供无功支撑;当有过大的过剩能量时,撬棒回路从变频器直流母线上切除,撬棒回路独自消耗转子侧的过剩能量。并且通过阻值可调的撬棒电路及其调控方法,根据转子侧过剩能量的大小,实时调整撬棒电路中消耗阻值的大小,有效消耗转子侧的过剩能量,保护转子和变频器的运行安全;避免了切换带大阻值消耗电阻的撬棒电路,从而减少了切换时造成的暂态和不稳定过程的时间,有效提高了发电系统的运行稳定性。减少了由于投入撬棒电路造成的暂态过程,保护发电系统免受过大能量冲击,避免损坏机侧变频器和转子绕组,助其电压的恢复,有效提高了机组的低电压穿越能力;在撬棒电路直接连接转子侧和变频器直流母线侧,机侧变频器和撬棒电路的三相整流桥并联,有效减小了两者上的电流,提高耐电流的能力,减少对变频器的冲击,同时省去了变频器的直流斩波电路。

3 结论

本文所提出的双馈风力发电机系统,与低电压穿越电路及其控制方法,在减少投入成本的基础上,提高了直流母线电压的调控能力,增强了电网的抗故障能力对于电网的稳定性发展具有一定的借鉴意义。

参考文献                                                                                                                                                                                

[1] 孙重亮,谢兵红.基于风力发电系统状态监测和故障诊断技术探究[J].电子测试,2019(17):106-107.

[2] 龙晓雷,赖逸洋,郑欣.船舶岸电系统变电方案分析与设计[J].电工技术,2018(09):72-75.

[3] 姜传,肖湘宁.应用撬棒电路的双馈型风力发电机低电压穿越分析[J].电网与清洁能源,2012,28(01):80-83.

[4] 刘一星,蔡梅园,陈宝刚,罗元宏,刘静.双馈风力发电机组低电压穿越电气模型[J].船舶工程,2019,41(S1):272-275+278.

 
 
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