[发明专利]一种大型风力发电机组穿越电网低电压故障的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种兆瓦级大型双馈感应风力发电机组穿越电网低电压故障的方法。

背景技术

随着全球化学能源的日益枯竭，风力发电越来越受到人们的重视。在近20年里，风力发电机组不断向大型化发展，兆瓦级双馈感应风力发电机组已成为当前市场上的主流产品。

在发生低电压故障时，过去第一重要的是保护风力发电机组本身，允许风力发电机从电网解列，然而，随着风力发电机组份额的增加，从安全稳定角度考虑，大量的风电机组从电网解列已经是不可接受的了。国际上新提出的电网要求是：在发生故障时，MW级风力发电机应提供一定的短路电流以保证保护装置可靠动作，从而缩小电压骤降影响的范围；同时，参照同步发电机必需具有抵抗电压跌落冲击的能力，风电机组穿越低电压故障的规程要求用图形描述如图2所示，图2中，A区域内不允许风力发电机从电网解列，B区域内则允许风力发电机从电网解列。

综合考虑MW级双馈感应风力发电机自身的安全性和新的入网规程要求，风力发电机组应满足如下要求：

1)在电网故障电压骤降期间，风力发电机组应最大限度、不间断地向电网提供电流，以保证保护装置可靠动作。

2)风力发电机组齿轮箱和驱动轴的瞬时转矩不得过载200％-250％T_N，并且不允许有大的瞬时冲击转矩和极性反转，以免齿轮箱毁坏。

3)风力发电机组交流励磁变流器(MSC)及变换器直流(DC)母线瞬态电压应保持不超过变换器电压额定值，以免损坏转子侧、网侧电力电子变换器。

4)风力发电机组交流励磁变流器(MSC)瞬态电流应保持不超过2倍变换器电流额定值，以免损坏转子侧、网侧电力电子变换器。

5)为了成功抵御和穿越电网各类故障引起的低电压，可能需要采用功率变换器或辅助电路装置，但变换器或辅助电路装置容量应最小，控制尽量简单，以降低功率损耗及成本。

目前，双馈感应发电机(DFIG)穿越低电压故障的方案主要有以下几种：

1)增设无源转子泄放电路：

该方法是在转子侧与励磁变流器并联由晶闸管、电阻构成的转子泄放电路，具有穿越对称故障、电网电压低至15％U_N的能力。在故障期间，转子泄放电路迅速投入，转子电流被泄放电阻分流，避免了励磁变流器过流。但泄放电阻的取值是个问题，取值太大可能导致励磁变流器过压而损坏，取值太小可能引起大的转子电流，导致瞬时转矩过大。

2)增设有源转子泄放电路

该方法采用PWM的IGBT取代转子泄放电路的晶闸管，优点是低电压穿越能力有所提高，交流励磁变流器在故障初期100ms内可以调节转子电流，使发电机向电网提供无功，缺点是冲击力矩仍达到3T_N。

3)增设定子侧电力电子开关及转子泄放电路

该方法是在双馈感应发电机与电网之间串入反并联的GTO或SCR，同时转子侧与励磁变流器并联接入转子泄放辅助电路。研究表明在故障期间这种方案能使定子电流和转矩峰值限定在2倍左右，但转子泄放辅助电路必须具有紧急保护交流励磁变流器(MSC)的功能，而且，励磁变流器(MSC)必须增大容量以利于迅速吸收在故障期间的电磁储能，电网侧变换器(GSC)也需要增大容量，以保证在故障期间能最大程度地向电网提供故障动作电流。

4)修改交流励磁变流器(MSC)控制策略

该方法可以改进矢量控制算法，在小值故障(85％U_N)时，转子电流、电磁转矩幅值都有明显的降低，也可以控制发电机漏磁链以抵消定子磁链中的暂态直流分量对转子侧影响的励磁控制策略。这类方案的优点是只需修改励磁变流器的电流控制策略，不改变双馈感应发电机(DFIG)主电路，缺点是未考虑转轴及齿轮箱承受的瞬态转矩，有的存在转矩振荡、极性重复反转现象。

5)在定子侧串联变换器

这种方法具有较好的穿越低电压故障的能力。但因变换器固定地串接于定子侧，将降低双馈感应发电机(DFIG)系统的发电效率；另外，由于公共连接点(PCC)电压在故障期间是一个随机的瞬变量，在故障状态下基于公共连接点(PCC)电压矢量定向的定子磁链稳定动态控制则会带来新的问题。

总之，现有技术中的各个方案都存在各自的局限性，有必要进一步探索大型双馈感应风力发电机组抵御和穿越低电压新的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在电网故障期间既能确保双馈感应风力发电机组自身安全、又能使发电机最大限度地向电网提供电流、以确保线路保护装置能可靠动作的大型风力发电机组穿越电网低电压故障的方法。