CN102136737B - 双馈型风电变流器低电压穿越拓扑结构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于双馈型风力发电机低电压穿越的变流器拓扑结构及其控制方法，低电压穿越变流器拓扑结构主要由双向可控硅构成的三角形结构和电压源型背靠背变流器构成；其特征是三个双向可控硅和电阻依次连接构成三角形结构，且三角形结构的三个顶点分别与双馈电机转子侧变流器的三个交流输出点相连接。本发明针对双馈型风力发电机低电压穿越时对转子侧变流器的容量需求，采用在双馈电机转子侧变流器中增加由双向可控硅构成的三角形结构，通过三角形结构中的可控硅与双馈电机转子侧变流器桥臂开关的配合控制，形成主动式撬棒和协同控制两种工作模式，增加对双馈电机转子电流的处理能力，进而通过低成本、高可靠性的变流器结构变化，较好地实现了双馈型风力发电机的低电压穿越功能。
Description
技术领域
本发明属于风力发电领域，尤其是一种双馈型风力发电机低电压穿越的变流器拓扑结构及其控制方法。
技术背景
双馈型风力发电机是目前兆瓦级变速恒频风力发电机的主流机型，随着风电电网穿透率的提高，风力发电机的低电压穿越(LVRT)功能是当前风力发电机的必备功能。如德国E.ON Netz电网公司在2006年颁布的并网导则(Grid code for high and extra high voltage)，国家电网公司企业标准(Q/GDW392-2009)等都对风力发电机的LVRT功能提出了具体要求。因双馈型风力发电机中双馈电机的特殊驱动拓扑结构，使其背靠背驱动变流器难以满足LVRT时的电流容量需求，这也使得LVRT问题成为双馈型风力发电机的技术瓶颈问题。
LVRT所带来的挑战性及其解决的迫切性，使得双馈型风电变流器的LVRT问题成为当前研究的热点问题。附加硬件的LVRT变流器拓扑变化主要有转子回路附件硬件和定子回路附加硬件两类：转子回路附加硬件主要有配置撬棒(Crowbar)电路方案(蒋雪冬，赵舫.应对电网电压骤降的双馈感应风力发电机Crowbar控制策略[J]电网技术，2008，32(12)：84-89；周维来，孙敬华，张哲等.一种双馈风电变流器Crowbar保护装置[P]，200910072960)，以及2009年3月发表在电力系统会议与展览上的串联阻抗网络方案(Wenzhong Gao，Ge Wang，Jiaxin Ning Development of low voltage ride-through control strategy for wind power generation using real time digital simulator[C] Proceedings ofIEEEPSCE，Seattle，USA，Mar.15-18，2009：1-6)等；而定子回路附加硬件主要有2005年11月发表在欧洲电力电子与应用会议上的串联电力电子开关方案(Andreas Dittrich，Alexander StoevComparison of fault ride-through strategies for wind turbines with DFIM generators[C]Proceedings ofEuropeanConference on Power Electronics and Applications，Dresden，Germany，Nov 11-14，2005：1-8.)，发表在电气与电子工程师协会工业应用期刊第45卷第5期上的串联变流器方案(Patrick S.Flannery，and Giri Venkataramanan.Unbalanced voltage sag ride-through of a doubly fed induction generator wind turbine with series grid-side converter[J].IEEE Transactionson Industry Applications，2009，45(5)：1879-1887)以及发表在电气与电子工程师协会能量转换期刊第25卷第4期上的增设无源阻抗网络方案(Xiangwu Yan，Giri Venkataramanan，Patrick S.Flannery，Yang Wang，et al.Voltage-sag tolerance of DFIG wind turbine with a series grid side passive-impedance network[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2010，25(4)：1048-1056.)等。
配置Crowbar电路的转子回路附加硬件解决方案是当前研究较多的一种LVRT拓扑方案。其中，被动式撬棒(Passive Crowbar)是较早用于风电变流器在电网故障时自我保护的 硬件设备，但这种自我保护方式无法实现LVRT。随着风电并网要求的提高，使得定子脱网不能接受，采用IGBT等全控器件构成的主动式撬棒(Active Crowbar)成为近年研究LVRT的技术方案之一。但撬棒的高耐冲击电流需求使得IGBT等全控器件的设计困难、成本较高，而且撬棒动作期间，因DFIG处于不控状态而引发的无功功率问题、电磁转矩冲击问题等使其难以满足日趋苛刻的风电并网导则。如德国电网公司E.ON Netz规定在电网电压变化超过±10％时，风电机组必须提供电压控制，并要求电压每跌落1％风电机组的无功电流要增加2％，且必要时应能提供100％额定电流的无功功率输出。
为克服配置撬棒电路方案存在的不足，近年来其它更为复杂的附加硬件方案的研究日益活跃。如转子回路串电阻或阻感网络的转子回路附加硬件方案，力图在电网故障时限制转子电流进而抑制撬棒动作，但附设硬件的快速投入控制问题、参数设计问题等限制了其应用；定子回路附加串联电力电子开关的定子回路附加硬件方案，力图在电网故障时短暂脱网以克服无功功率吸收和电磁转矩冲击问题，但快速电力电子开关的设计问题及其对稳态运行效率的影响同样限制了其应用；串联变流器或附加无源阻抗网络的定子回路附加硬件方案，理论上具有较好的LVRT潜力，但其所需附加硬件过多、成本较高、设计较为困难。纵观这些附加硬件的解决方案，虽然能克服撬棒电路存在的不足，但所附加的硬件越来越复杂，且成本影响越来越大。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种成本低、结构简单、可靠性高的双馈型风电变流器低电压穿越的拓扑结构及其控制方法，以期提高双馈型风电变流器的低电压穿越性能。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明双馈型风电变流器低电压穿越的拓扑结构，是采用由转子侧变流器、中间直流环节，以及用于稳定中间直流环节电压的网侧变流器构成的电压源背靠背变流器结构，其结构特点是在所述转子侧变流器中设置一三角形结构，所述三角形结构中每个支路是由双向可控硅SCR和电阻串联连接，所述三角形结构中的三个顶点分别与转子侧变流器的三个交流输出点相连接。
本发明双馈型风电变流器低电压穿越的拓扑结构的特点也在于：
所述三角形结构中电阻的阻值为零或不为零。
所述三角形结构包括具有等效电气性能的其它电路结构。
本发明双馈型风电变流器低电压穿越拓扑结构控制方法的特点是具有如下两种工作模 式：
主动式撬棒模式：触发三角形结构中三条支路双向可控硅导通，从而将双馈电机转子绕组通过三角形结构构成回路，以旁路双馈电机转子的暂态电流，待暂态电流衰减后，通过转子侧变流器M中相应桥臂上的开关管动作，禁止已触发导通的双向可控硅，进而以半控器件双向可控硅实现了常规以全控器件才能实现的主动式撬棒电路功能；
协同动作模式：任何时刻仅有三角形结构中的一条支路的可控硅处于导通状态，且导通支路为连接于双馈电机转子三相绕组中最大电流对应相与最小电流对应相之间的支路，而其它支路的可控硅皆处于禁止状态，随着双馈电机转子三相电流大小关系的变化，通过控制转子侧变流器M中相应开关管的动作关断当前处于导通状态的可控硅，同时触发导通与当前双馈电机转子绕组中最大电流相与最小电流相相对应支路的可控硅。
本发明通过在双馈电机转子侧变流器附加由可控硅构成的三角形结构，一方面可利用转子侧变流器开关动作对三角形结构可控硅的强迫换流实施低成本、高可靠的主动式撬棒功能，另一方面可通过三角形结构中可控硅与转子侧变流器桥臂开关的协同动作起到等效增加转子侧变流器电流控制能力的功能。与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明采用低成本、高可靠性的半控型电力电子器件可控硅SCR实现了主动式撬棒(Active Crowbar)的功能；
2、本发明通过三角型结构中的可控硅与双馈电机转子侧变流器桥臂协同动作，能够等效增加转子侧变流器的电流承载力，从而改善低电压穿越性能；
3、本发明拓扑结构成本低、可靠性高、结构简单，可广泛应用于双馈型风力发电机的低电压穿越中。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中双馈电机转子三相电流波形示意图。
具体实施方式
参见图1，本实施例中双馈型风电变流器低电压穿越的拓扑结构是采用由转子侧变流器M、中间直流环节，以及用于稳定中间直流环节电压的网侧变流器N构成的电压源背靠背变流器结构，在转子侧变流器M中设置一三角形结构，三角形结构中每个支路是由双向可控硅SCR和电阻串联连接，三角形结构中的三个顶点分别与转子侧变流器M的三个交流输出点相连接。
具体实施中，三角形结构中电阻的阻值为零或不为零，三角形结构也包括具有等效电气 性能的其它电路结构。
本实施例中的双馈型风电变流器低电压穿越拓扑结构的控制方法具有如下两种工作模式：
主动式撬棒模式：触发三角形结构中三条支路双向可控硅导通，从而将双馈电机转子绕组通过三角形结构构成回路，以旁路双馈电机转子的暂态电流，待暂态电流衰减后，通过转子侧变流器M中相应桥臂上的开关管动作，禁止已触发导通的双向可控硅，进而以半控器件双向可控硅实现了常规以全控器件才能实现的主动式撬棒电路功能。
例如需要禁止图1中连接A相与B相间的三角形结构支路，且当前该支路中的电流方向为图1中F所示的方向，依据可控硅的关断机理，通过开通转子侧变流器M中的开关S3和S4便可强迫该支路中可控硅SCR1关断，而若此时电流方向为图1中F相反的方向，则通过开通转子侧变流器M中的开关S1和S6便可强迫该支路中可控硅SCR1关断。
协同动作模式：任何时刻仅有三角形结构中的一条支路的可控硅处于导通状态，且导通支路为连接于双馈电机转子三相绕组中最大电流对应相与最小电流对应相之间的支路，而其它支路的可控硅皆处于禁止状态，随着双馈电机转子三相电流大小关系的变化，通过控制转子侧变流器M中相应开关管的动作关断当前处于导通状态的可控硅，同时触发导通与当前双馈电机转子绕组中最大电流相与最小电流相相对应支路的可控硅。
以图2中t1至t3时间段举例说明：在t1至t2时间段内B相电流iB最大，而C相电流iC最小，此时触发连接于B相和C相间的可控硅SCR2导通，而可控硅SCR1和SCR3则保持禁止状态，到t2时刻，A相电流iA成为最小电流，此时通过开通转子侧变流器M中的桥臂开关S5和S6将B相与C相间已触发导通的可控硅SCR2关断，并给B相与A相间的可控硅SCR1以有效触发信号使其导通，在t3时刻通过转子变流器M中的桥臂开关S1和S6的开通使其关断。
Claims (4)
1.一种双馈型风电变流器低电压穿越的拓扑结构，采用由转子侧变流器(M)、中间直流环节，以及用于稳定中间直流环节电压的网侧变流器(N)构成的电压源背靠背变流器结构，其特征是在所述转子侧变流器(M)中设置一三角形结构，所述三角形结构中每个支路是由双向可控硅SCR和电阻串联连接，所述三角形结构中的三个顶点分别与转子侧变流器(M)的三个交流输出点相连接。
2.根据权利要求1所述的双馈型风电变流器低电压穿越的拓扑结构，其特征是所述三角形结构中电阻的阻值为零或不为零。
3.根据权利要求1或2所述的双馈型风电变流器低电压穿越的拓扑结构，其特征是所述三角形结构包括具有等效电气性能的其它电路结构。
4.一种权利要求1所述双馈型风电变流器低电压穿越拓扑结构的控制方法，其特征具有如下两种工作模式：
主动式撬棒模式：触发三角形结构中三条支路双向可控硅导通，从而将双馈电机转子绕组通过三角形结构构成回路，以旁路双馈电机转子的暂态电流，待暂态电流衰减后，通过转子侧变流器(M)中相应桥臂上的开关管动作，禁止已触发导通的双向可控硅，进而以半控器件双向可控硅实现了常规以全控器件才能实现的主动式撬棒电路功能；
协同动作模式：任何时刻仅有三角形结构中的一条支路的可控硅处于导通状态，且导通支路为连接于双馈电机转子三相绕组中最大电流对应相与最小电流对应相之间的支路，而其它支路的可控硅皆处于禁止状态，随着双馈电机转子三相电流大小关系的变化，通过控制转子侧变流器(M)中相应开关管的动作关断当前处于导通状态的可控硅，同时触发导通与当前双馈电机转子绕组中最大电流相与最小电流相相对应支路的可控硅。
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