專利名稱：低電壓穿越智能功率控制單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低電壓穿越智能功率控制單元，尤其是針對不具有低電壓穿越功能的各類風力發(fā)電機設(shè)計的低電壓穿越智能功率控制單元。即適用于改造現(xiàn)有的異步風力發(fā)電機，也可適用于改進含有變頻器的雙饋型風力發(fā)電機。
背景技術(shù)：
隨著風力發(fā)電的迅速發(fā)展，風電裝機容量不斷增大，在發(fā)電容量中所占的比例也不斷提高。當電力系統(tǒng)中風電裝機容量比例較大時，電力系統(tǒng)故障導(dǎo)致電壓跌落后，風電場切除會嚴重影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。有研究表明，當風力發(fā)電機具有低電壓穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力時，能提高整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此世界上風電裝機比例較大的國家，如丹麥、德國、美國等頒布的風電并網(wǎng)規(guī)定中，都要求風電機組都具備 LVRT能力，保證電力系統(tǒng)發(fā)生故障后風電機組能夠不間斷并網(wǎng)運行。盡管各國對風電機組低電壓穿越能力的要求各不相同，但都包含如下幾個方面的內(nèi)容，以我國頒布的風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定O1/GDW392-2009)為例，在風電場接入電力系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)定在明確要求a)風電場必須具有在電壓跌至20%額定電壓時能夠維持并網(wǎng)運行625ms的低電壓穿越能力；b)風電場電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時，風電場必須保持并網(wǎng)運行；c)風電場升壓變高壓側(cè)電壓不低于額定電壓的90%時，風電場必須不間斷并網(wǎng)運行。目前我國的風電機組主要的類型有以下四種恒速恒頻異步發(fā)電機組、有限變速異步發(fā)電機組、變速恒頻雙饋發(fā)電機組和變速恒頻直驅(qū)發(fā)電機組。其中恒速恒頻異步發(fā)電機組和有限變速異步發(fā)電機組本身不具備LVRT能力；變速恒頻雙饋發(fā)電機組目前可以通過在轉(zhuǎn)子側(cè)加入Crowbar來使其具備LVRT能力，不僅需要對主控制器和變槳控制器等設(shè)備做較大改動，而且控制比較復(fù)雜，在穿越過程中還需要從電網(wǎng)吸收無功功率；變速恒頻直驅(qū)發(fā)電機組由于系統(tǒng)中采用了全功率變頻器，實現(xiàn)LVRT相對比較簡單。目前我國風電場中安裝的絕大多數(shù)風電機組都是恒速恒頻異步發(fā)電機組或者變速恒頻雙饋發(fā)電機組，而這些機組大多數(shù)都沒有低電壓穿越能力。因此對這些機組進行改造，使其具備低電壓穿越能力對于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行有著十分重要的意義。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于針對目前風力發(fā)電機并網(wǎng)運行中普遍存在的低電壓穿越能力差，尤其是恒速恒頻異步發(fā)電機組或者變速恒頻雙饋發(fā)電機組低電壓穿越能力差的實際問題，提供一種低電壓穿越智能功率控制單元及其應(yīng)用。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的一種低電壓穿越智能功率控制單元(Intelligent Power Control Unit for Low Voltage Ride Through,簡禾爾 IPCU,下同)， 其特征在于a) IP⑶設(shè)有A端口、B端口和C端口，控制單元中還設(shè)有穿越瞬間穩(wěn)定定子電壓及提供無功功率的內(nèi)置輔助變頻器和吸收有功功率的可控有功負載；b)所述A端口與所述B端口之間設(shè)有高速開關(guān)；c)所述A端口與所述C端口之間設(shè)有內(nèi)置輔助變頻器，其中，內(nèi)置輔助變頻器的交流母線與所述A端口連接，直流側(cè)與所述C端口連接；d)可控有功負載與內(nèi)置輔助變頻器的直流輸出端連接，使內(nèi)置輔助變頻器與可控有功負載依次串接在A端口與C端口之間；或自A端口通過三相橋式整流與可控有功負載連接，使內(nèi)置輔助變頻器支路與可控有功負載支路并聯(lián)。在本實用新型中所述的可控有功負載由制動開關(guān)和制動電阻組成，所述的制動開關(guān)為絕緣門極雙極性晶體管IGBT。在本實用新型中所述三相橋式整流電路交流側(cè)設(shè)有LC濾波電路。在本實用新型中所述的高速開關(guān)為門極可關(guān)斷晶閘管GT0，或者配有關(guān)斷電路的晶閘管。本實用新型的優(yōu)點在于IP⑶適用于各種類型風力發(fā)電機。采用IP⑶之后，風力發(fā)電系統(tǒng)將具有以下優(yōu)點風力發(fā)電系統(tǒng)將具有完美的低電壓穿越能力，包含零電壓跌落和電網(wǎng)跳閘等在內(nèi)的故障均能可靠穿越；對風力發(fā)電機的運行無影響，主控制器和變槳控制器不需要做任何的改動，應(yīng)用
非常簡單；故障結(jié)束后，風機恢復(fù)正常運行的速度快，故障后，風機能夠在^之內(nèi)恢復(fù)到之前的工作狀態(tài)，滿足電網(wǎng)對低電壓穿越的要求；對風機的機械傳動系統(tǒng)無影響，大大避免電網(wǎng)故障對軸系產(chǎn)生的扭曲、振蕩等影響，提高風機的使用壽命；故障期間可以給電網(wǎng)提供有功和無功支持(可選功能)；成本低、可靠性高。IP⑶選用的元件價格比較低，因此采用IP⑶改造風機的成本也很低，同時雙向晶閘管等元器件也能夠滿足并網(wǎng)風機高可靠性的要求。采用了 IP⑶后，由于在故障期間將電網(wǎng)和風機隔離開來，避免因電網(wǎng)電壓突變在電機的定轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的一系列復(fù)雜的電磁和機電暫態(tài)過程，在保證可靠穿越的前提下，不僅避免了傳動系統(tǒng)的沖擊，而且不需要修改主控制器和變槳控制器程序，大大簡化了整個風機系統(tǒng)的設(shè)計，提高了低電壓穿越過程的可靠性。

圖1是本實用新型在涉及的一種IP⑶實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型在涉及的另一種IPCU實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是IP⑶的一種應(yīng)用方式；圖4是IP⑶與輔助網(wǎng)側(cè)變頻器匹配的應(yīng)用方式；圖5是IPCU與雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器匹配的應(yīng)用方式；[0031]圖6是IPCU、網(wǎng)側(cè)變頻器和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的雙饋風力發(fā)電機變頻器匹配的應(yīng)用方式。
具體實施方式
附圖非限制性地公開了本實用新型實施例的具體結(jié)構(gòu)和其幾種應(yīng)用，
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的描述。由圖1可見，IP⑶設(shè)有A端口、B端口和C端口，控制單元中還設(shè)有穿越瞬間穩(wěn)定定子電壓及提供無功功率的內(nèi)置輔助變頻器AI和吸收有功功率的可控有功負載；所述A端口與所述B端口之間設(shè)有高速開關(guān)GK ；所述A端口與所述C端口之間設(shè)有內(nèi)置輔助變頻器 AI，其中，內(nèi)置輔助變頻器AI的交流母線與所述A端口連接，直流側(cè)與所述C端口連接；在本實施例中，可控有功負載與內(nèi)置輔助變頻器AI的直流輸出端連接，使內(nèi)置輔助變頻器AI與可控有功負載依次串接在A端口與C端口之間，所述的可控有功負載由制動開關(guān)Tk和制動電阻觀組成。具體實施時，所述的高速開關(guān)GK為門極可關(guān)斷晶閘管GTO或者配有關(guān)斷電路的晶閘管，制動開關(guān)I選擇IGBT。由圖2可見，IP⑶的另一種實施方式與圖1公開的實施方式存在的唯一差別在于 自A端口通過三相橋式整流RF與可控有功負載連接，使穩(wěn)定定子電壓及提供無功功率的內(nèi)置輔助變頻器AI支路與可控有功負載支路并聯(lián)。具體實施時，由于整流橋在工作的過程中會產(chǎn)生諧波電流，這些諧波會影響內(nèi)置輔助變頻器輸出的電壓質(zhì)量，因此，可以在三相橋式整流電路RF交流側(cè)設(shè)有LC濾波電路 FL。在圖1和圖2所述的IP⑶中，高速開關(guān)GK(門極可關(guān)斷晶閘管GTO或者配有關(guān)斷電路的晶閘管)的選擇應(yīng)該滿足關(guān)斷時間在Ims之內(nèi)，并與風力發(fā)電機的輸出電流匹配；制動開關(guān)Tk的選擇應(yīng)該滿足制動電路允許的最大電壓和電流的要求；制動電阻觀的選擇應(yīng)該滿足釋放能量大于風力發(fā)電機的輸出能量，內(nèi)置輔助變頻器AI的功率等級應(yīng)該與風力發(fā)電機匹配。圖3是IP⑶在風力發(fā)電機中的一種應(yīng)用，所述的IP⑶即可以選擇圖1所示的實施例，也可以采用實施例2所示的實施例，為了便于表述，僅以圖1所示實施例為例予以說明。在圖3中，IP⑶的A端口與風力發(fā)電機組定子繞組連接，B端口與電網(wǎng)連接。使用中，當電網(wǎng)正常工作時，IP⑶中的門極可關(guān)斷晶閘管GTO或者配有關(guān)斷電路的晶閘管導(dǎo)通，制動開關(guān)IGBT截止，由于電網(wǎng)中的奇次諧波比較少，濾波器基本不起作用， IPCU整體等效為閉合的交流開關(guān)。內(nèi)置輔助變頻器工作在準備模式，即控制其直流母線電壓保持恒定、輸出的無功功率等于0。此時內(nèi)置輔助變頻器基本不消耗有功和無功功率，對風力發(fā)電機的正常工作沒有影響。電網(wǎng)電壓跌落的深度對風力發(fā)電機的運行有很大影響，當?shù)渖疃炔淮髸r，電網(wǎng)電壓跌落對風力發(fā)電機正常運行的影響比較小，此時靠風機自身的能力就可以穿越過去。而深度很大時，可以根據(jù)風機的特點設(shè)定電壓跌落的容許范圍，該容許范圍一般為電網(wǎng)額定電壓的90%。當超過容許范圍時，IPCU強制關(guān)斷門極可關(guān)斷晶閘管GTO或者配有關(guān)斷電路的晶閘管，關(guān)斷過程可以在Ims左右完成。門極可關(guān)斷晶閘管GTO或晶閘管截止后，制動開關(guān)IGBT導(dǎo)通，由制動電阻提供了風力發(fā)電機的有功功率釋放通道，同時內(nèi)置輔助逆變器穩(wěn)定了電機定子電壓并提供了風力發(fā)電機運行所需的無功功率，使風力發(fā)電機的能夠穩(wěn)定運行。如果電網(wǎng)電壓能夠在低電壓穿越要求時間內(nèi)恢復(fù)正常，門極可關(guān)斷晶閘管GTO或晶閘管重新閉合，同時制動開關(guān)IGBT截止，使得風力發(fā)電機并入電網(wǎng)，恢復(fù)正常工作；如果電網(wǎng)電壓不能夠在低電壓穿越要求的時間內(nèi)恢復(fù)正常，IPCU也將停止工作，使得風力發(fā)電機脫網(wǎng)并停機。圖4所示的應(yīng)用方式與圖3的區(qū)別在于，IPCU的C端口與外接輔助變頻器的直流母線連接，在本實施例中，外接輔助變頻器為網(wǎng)側(cè)輔助變頻器，采用這種應(yīng)用方式的優(yōu)勢在于穿越過程中，網(wǎng)側(cè)輔助變頻器可以和制動電阻共同提供了風力發(fā)電機的有功功率釋放通道，同時，網(wǎng)側(cè)輔助變頻器也可以在故障穿越期間為電網(wǎng)提供有功和無功功率支持。圖5所示的應(yīng)用方式與圖4的區(qū)別在于，外接輔助變頻器為風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)雙饋變頻器，采用這種應(yīng)用方式的優(yōu)勢在于由于雙饋風力發(fā)電機本身就配有變頻器，這樣就可以充分利用已有的部件，減少改造成本。在穿越過程中，雙饋電機轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器仍然保持之前的控制策略，內(nèi)置輔助變頻器保持定子電壓穩(wěn)定并提供雙饋電機運行所需的無功功率。圖6所示的應(yīng)用方式實際上是圖4和圖5兩種應(yīng)用方式的結(jié)合，其結(jié)合點在于外接輔助變頻器是將網(wǎng)側(cè)輔助變頻器和轉(zhuǎn)子側(cè)雙饋變頻器的直流母線對接后，在與IPCU的C 端口連接。在這種實施方式中，雙饋電機轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器仍然保持之前的控制策略，制動電阻和網(wǎng)側(cè)輔助變頻器共同提供了風力發(fā)電機的有功功率釋放通道，內(nèi)置輔助變頻器保持定子電壓穩(wěn)定并提供雙饋電機運行所需的無功功率。同時，網(wǎng)側(cè)輔助變頻器也可以在故障穿越期間為電網(wǎng)提供有功和無功功率支持。
權(quán)利要求1.一種低電壓穿越智能功率控制單元，其特征在于a)低電壓穿越智能功率控制單元設(shè)有A端口、B端口和C端口，控制單元中還設(shè)有穿越瞬間穩(wěn)定定子電壓及提供無功功率的內(nèi)置輔助變頻器和吸收有功功率的可控有功負載；b)所述A端口與所述B端口之間設(shè)有高速開關(guān)；c)所述A端口與所述C端口之間設(shè)有內(nèi)置輔助變頻器，其中，內(nèi)置輔助變頻器的交流母線與所述A端口連接，直流側(cè)與所述C端口連接；d)可控有功負載與內(nèi)置輔助變頻器的直流輸出端連接，使內(nèi)置輔助變頻器與可控有功負載依次串接在A端口與C端口之間；或自A端口通過三相橋式整流與可控有功負載連接， 使內(nèi)置輔助變頻器支路與可控有功負載支路并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電壓穿越智能功率控制單元，其特征在于所述的可控有功負載由制動開關(guān)和制動電阻組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低電壓穿越智能功率控制單元，其特征在于所述的制動開關(guān)為絕緣門極雙極性晶體管IGBT。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電壓穿越智能功率控制單元，其特征在于所述三相橋式整流電路交流側(cè)設(shè)有LC旁路濾波電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4之一所述的低電壓穿越智能功率控制單元，其特征在于所述的高速開關(guān)為門極可關(guān)斷晶閘管GT0，或者配有反向關(guān)斷電路的晶閘管。
專利摘要本實用新型涉及的低電壓穿越智能功率控制單元IPCU設(shè)有A端口、B端口和C端口，以及穿越瞬間穩(wěn)定定子電壓及提供無功功率的內(nèi)置輔助變頻器和吸收有功功率的可控有功負載；A、B端口之間設(shè)有高速開關(guān)；A、C端口之間設(shè)有內(nèi)置輔助變頻器；內(nèi)置輔助變頻器與可控有功負載依次串接在A、C端口之間或自A端口通過三相橋式整流與可控有功負載連接，使內(nèi)置輔助變頻器支路與可控有功負載支路并聯(lián)。
文檔編號H02J3/38GK201966629SQ20102066279
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者廖恩榮, 李志國, 李更生, 王中, 辛志遠, 黃曉輝 申請人:南京颶能電控自動化設(shè)備制造有限公司