专利名称：一种风电变流器静态无功补偿系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种风电变流器静态无功补偿系统及方法，更具体的说，尤其涉及ー种利用变流器现有器件在风カ发电机脱网状态下进行补偿工作的风电变流器静态无功补偿系统及方法。
背景技术：
对于一定容量的电カ系统，若只依靠发电机这ー卩隹一有功电源来提供有功功率，也基本用其作为无功电源来提供无功功率的话，电カ系统之间由于无功功率不断地来回交换会引起发电、输电及供配电设备上的电压损耗和功率损失。同时由于系统容量是有功功 率和无功功率的矢量和，当无功功率增加时，有功功率也会減少，造成经济损失。因此无论何种电カ系统均需要无功补偿。风カ发电近年来在国内呈爆发式增长，风电在电カ系统中所占比重正日益増加。但由于风能固有的随机性、波动性等缺陷，风电稳定性较差，对电网的冲击性较大，尤其在电网故障情况下，风カ发电机短时间会吸收大量无功，可能将情况进ー步恶化。针对上述情况，在风电场中，通常会设置无功补偿装置。但随着风电场容量的扩大，风电场如何应对电网故障以及快速响应电网的无功补偿需要已经成为亟待解决的问题。在2009年I月20日申请的专利号为200920004211、2010年11月4日申请的专利号为201020591051、2011年8月23日申请的专利号为201120309542的三个实用新型专利中，采用的是在风电场的出口处进行集中无功补偿，但这种无功补偿方式只能減少装设点以上的线路和变压器因输送无功功率造成的损耗，不能減少用户内部向用电设备输送无功功率所造成的损耗，节电效益受到限制。在2008年11月21日申请的专利号为200820115643、2010年12月29日申请的专利号为201020699547的两个实用新型专利中，采用的是就地分散无功补偿方式，有利于对无功进行内部分区控制，实现无功负荷分区平衡，内部损耗明显降低，但这些方式増加了额外的无功补偿装置，造成单机成本増加。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了 ー种利用变流器现有器件在风カ发电机脱网状态下进行补偿工作的风电变流器静态无功补偿系统及方法。本发明的风电变流器静态无功补偿系统，变流器位于风カ发电机的输出端与变压器二次侧之间，变压器的一次侧为风场电网；变流器包括网侧功率模块、机侧功率模块和中央控制単元；网侧功率模块通过网侧滤波器与变压器相连接，机侧功率模块通过机侧滤波器与风カ发电机的输出端相连接；网侧功率模块与机侧功率模块通过包含电容组的直流母线相连接；其特别之处在于无功补偿系统包括带电容组的直流母线、网侧功率模块、网侧滤波器、中央控制单元、变压器以及设置于变压器二次侧的电压检测器和电流检测器，所述电压检测器和电流检测器的输出端均与中央控制单元相连接；中央控制单元连接有驱动电路，驱动电路控制网侧功率模块进行无功补偿；中央控制单元还连接有控制整个风カ发电机正常运行的风机主控系统。变流器通过对风力发电机输出的交流电的控制和转化，可有效地将其并入到电场电网中；网侧功率模块、机侧功率模块均由功率开关器件组成，可实现整流、逆变控制，实现风カ发电机的正常发电和并网。网侧滤波器、机侧滤波器实现滤波作用，包含电容组的直流母线实现直流稳压作用。利用变流器固有的直流母线、网侧功率模块、网侧滤波、中央控制単元、变压器、电压检测器以及电流检测器来构成无功补偿电路；在风カ发电机脱网状态下，由其对电网进行无功补偿，节约了成本，扩大了补偿范围。本发明的风电变流器静态无功补偿系统，所述网侧功率模块由三个全桥电路组成，每个全桥由两个依次串联的全控功率器件组成；三个全桥的正负极相连接后接于直流 母线的两端；所述全控功率器件的控制端均与驱动电路的输出端相连接。在无功补偿的过程中，通过对每个桥臂上全控功率器件导通状态的控制，来实现电网的无功补偿。本发明的风电变流器静态无功补偿系统，所述中央控制单元连接有进行远距离通讯的远程通讯单元。通过远程通讯单元，中央控制单元可实现远程的有线或无线通讯，便于远距离监测、操控变流器的工作。本发明的风电变流器静态无功补偿系统，所述风カ发电机上设置有与中央控制单元相连接的编码器，风カ发电机的输出侧设置有转子短路保护器。编码器实现对风カ发电机转速的检测，转子短路保护器实现对发电机转子回路的保护。本发明的风电变流器静态无功补偿系统，所述风カ发电机的控制端连接有风机主控系统，中央控制单元与风机主控系统的输出端相连接。中央控制单元实现对变流器的控制，风机主控系统实现对整个风カ发电系统的控制。本发明的风电变流器静态无功补偿方法，其特别之处在于，变流器在中央控制单元、风机主控系统的控制作用下实现无功补偿；中央控制单元的工作步骤如下a.判断有无补偿信号，中央控制单元判断是否接收到风机主控系统的无功补偿信号，如没有接收到无功补偿信号，则控制变流器按正常工作状态运行；如接收到无功补偿信号，则执行步骤b ；b.激活无功补偿状态，中央控制单元判断变流器的无功补偿状态能否激活，如不能，则重新激活；如能激活，则执行步骤c ;c.关断机侧功率模块，中央控制单元关断变流器的机侧功率模块，以备进行无功补偿；d.按设定值进行无功补偿，中央控制单元根据接收到的风机主控系统的初始设定值，控制变流器的网侧功率模块进行无功补偿；e.检测电压、电流信号，中央控制单元通过电压检测器、电流检测器检测电网的电压和电流信号ば.按电网实际情况补偿，中央控制单元通过采集到的电压、电流信号，通过驱动电路对网侧功率模块的控制，按实际情况对电网进行无功补偿；g.判断有无补偿停止信号，中央控制单元判断是否接收到风机主控系统的停止无功补偿信号，如接收到停止信号，则执行步骤h ;如没有接收到停止信号，则重复执行步骤e、f ;h.恢复正常状态，中央控制单元7控制变流器恢复正常工作状态，结束无功补偿；风机主控系统的工作步骤如下1).判断是否满足脱网条件，风机主控系统判断风电机组是否满足脱网条件，如不满足，则等待检测；如满足脱网条件，则执行步骤2);2).发送无功补偿信号，向中央控制单元发送无功补偿状态信号，以控制变流器进行无功补偿；3).发送无功补偿设定值，向中央控制单元发送无功补偿的初始设定值，以便中央控制单元以设定值进行无功补偿；4).判断脱网条件是否消失，风机主控系统判断风电机组的脱网条件是否消失；如没有消失，则继续判断；如脱网条件消失，则执行步骤5) ；5).发送停止无功补偿信号，风机主控系统向中央控制单元发出无功补偿的停止信号，以便变流器结束无功补偿。本发明的风电变流器静态无功补偿方法，所述步骤I)中满足风电机组脱网的条件为电网出现故障或风速不稳定导致风电机组满足脱网条件。本发明的有益效果是(I)本发明的补偿系统，通过利用现有变流器即可实现，基本无需增设其他模块，有效地节约了成本；(2)由于采用风カ发电机上的变流器来进行无功补偿，使得无功补偿范围较为宽泛；(3)作为无功补偿的网侧功率模块单元可以采用全功率器件，响应速度快(彡5ms)，损耗低(效率> 98%)； (4)中央控制单元可以采用PWM脉宽调制技术来实现无功补偿，具有良好的抑制谐波能力；(5)可增设远程通讯单元，具有远程监测、控制能力。(6)本发明的无功补偿方法，通过风机主控系统与中央控制单元的配合，有效地实现了风电机组脱网状态下的变流器的无功补偿，实现了电网故障时的快速响应以及电网故障时的无功补偿。(7)提高了风机的利用率并可以有效改善风电场电网不稳定的情况。
图I为风机发电系统的系统原理 图2为本发明中变流器作为无功补偿系统的原理 图3为本发明的中央控制单元的无功补偿工作流程 图4为本发明中风机主控系统的无功补偿工作流程图。图中1风カ发电机，2变压器，3网侧功率模块，4机侧功率模块，5网侧滤波器，6机侧滤波器，7中央控制单元，8转子短路保护器，9电压检测器，10电流检测器，11驱动电路，12远程通讯单元。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明作进ー步说明。如图I所示，给出了风机发电系统的系统原理图，其包括风カ发电机I、变压器2、网侧功率模块3、机侧功率模块4、网侧滤波器5、机侧滤波器6、中央控制单元7、转子短路保护器8、带电容组的直流母线、编码器。所示的风カ发电机为双馈风カ发电机系统，定子绕组的输出直接接于变压器2的二次侧绕组上，实现向电网的输电作用；转子绕组的输出通过变流器后接于变压器2的二次侧绕组上，变压器2的一次侧为风场电网；通过变流器对转子绕组上励磁电流的控制，来控制定子绕组输出符合向电网输入的交流电。变流器中的网侧功率模块3与机侧功率模块4通过直流母线相连接，直流母线上设置有电容组。机侧功率模块4通过机侧滤波器6与风カ发电机I的转子绕组相连接，网侧功率模块3通过网侧滤波器5与变压器2的二次侧绕组相连接，机侧滤波器6、网侧滤波器5实现滤波作用。通过网侧功率模块3、机侧功率模块4的整流、逆变作用，来实现对转子的控制，以便风力发电机I输出符合要求的三相电。中央控制单元7通过驱动电路11与网侧功率模块3、机侧功率模块4相连接，以便对功率模块上相应功率器件的控制。当风カ发电机I由于外界电网故障或风速不稳定而导致脱网时，如图2所示，带电容组的直流母线、网侧功率模块3、网侧滤波器5、中央控制单元7、变压器2、电压检测器9、电流检测器10就构成了无功补偿电路，实现对电网的无功补偿。电压检测器9、电流检测器10的输出端均与中央控制单元7的输入端线相连接，以便对电网的电压、电流信号的检测，实现根据电网的实时状态来进行无功补偿；由于采用现有电气设备进行补偿，有效地节约了成本。图2中所示的网侧功率模块3由三个全桥电路组成，每个全桥由两个依次串联的全控功率器件组成；三个全桥的正负极相连接后接于直流母线的两端，每个全控功率器件的控制端均与驱动电路11的输出端相连接；这样在驱动电路11输出信号的控制下，即可有序地控制相应的全控器件的截止和导通，实现无功补偿功能。为了增加远程监测和控制能力，还可设置与中央控制单元7相连接的远程通讯单元12。在风カ发电机I的输出端设置编码器，以便实现转速的測量；还可在风カ发电机I的转子绕组上设置转子短路保护器8，以便实现对发电机转子绕组的保护作用。变流器中的网侧功率模块3中的全控器件可以是IGBT或IGCT功率器件，变流器可以是双馈变流器，亦可 以是全功率变流器。风カ发电机I在风机主控系统的控制下完成发电和并网作业。在工作的过程中变流器的中央控制单元7将检测到的网侧电压、电流信号进行预处理，由风机主控系统计算出需要的无功功率补偿值，同时变流器根据主控无功功率设定值生成高频PWM信号至驱动电路，网侧功率模块3根据驱动信号进行开关动作，实现所需的无功补偿功能。采用PWM技术还可以根据需要输出与电网谐波反向的电流，抑制电网谐波。由于变流器采用全控型器件，可实现快速响应(< 5ms)，损耗低(效率彡98%)。还可设置防浪涌保护装置和冷却装置。防浪涌保护装置可以有效防止电网的冲击，減少故障状态下电网对变流器的损害。同时利用变流器本身的冷却装置可以实现智能温度控制，提高了功率器件的使用寿命，避免了普通无功补偿设备温升较高的弊端。能实现无功补偿的不仅仅局限于上述的双馈风カ发电机系统，还可以是全功率风力发电机系统。如图3所示，给出了本发明的中央控制单元的无功补偿工作流程图，其包括以下步骤
a.判断有无补偿信号，中央控制单元判断是否接收到风机主控系统的无功补偿信号，如没有接收到无功补偿信号，则控制变流器按正常工作状态运行；如接收到无功补偿信号，则执行步骤b ；
b.激活无功补偿状态，中央控制单元判断变流器的无功补偿状态能否激活，如不能，则重新激活；如能激活，则执行步骤c ；
c.关断机侧功率模块，中央控制单元关断变流器的机侧功率模块，以备进行无功补
偿；
d.按设定值进行无功补偿，中央控制单元根据接收到的风机主控系统的初始设定值，控制变流器的网侧功率模块进行无功补偿；
e.检测电压、电流信号，中央控制単元通过电压检测器、电流检测器检测电网的电压和电流信号；
f.按电网实际情况补偿，中央控制单元通过采集到的电压、电流信号，通过驱动电路(11)对网侧功率模块(3)的控制，按实际情况对电网进行无功补偿；
g.判断有无补偿停止信号，中央控制单元(7)判断是否接收到风机主控系统的停止无功补偿信号，如接收到停止信号，则执行步骤h ;如没有接收到停止信号，则重复执行步骤
e、f ；
h.恢复正常状态，中央控制单元7控制变流器恢复正常工作状态，结束无功补偿。如图4所示，给出了本发明中风机主控系统的无功补偿工作流程图，其包括以下步骤
1).判断是否满足脱网条件，风机主控系统判断风电机组是否满足脱网条件，如不满 足，则等待检测；如满足脱网条件，则执行步骤2)；
2).发送无功补偿信号，向中央控制单元(7)发送无功补偿状态信号，以控制变流器进行无功补偿；
3).发送无功补偿设定值，向中央控制单元(7)发送无功补偿的初始设定值，以便中央控制单元以设定值进行无功补偿；
4).判断脱网条件是否消失，风机主控系统判断风电机组的脱网条件是否消失；如没有消失，则继续判断；如脱网条件消失，则执行步骤5)；
5).发送停止无功补偿信号，风机主控系统向中央控制单元发出无功补偿的停止信号，以便变流器结束无功补偿。其中，步骤I)中满足风电机组脱网的条件为电网出现故障或风速不稳定导致风电机组满足脱网条件。
权利要求
1.一种风电变流器静态无功补偿系统，变流器位于风力发电机(I)的输出端与变压器(2)二次侧之间，变压器的一次侧为风场电网；变流器包括网侧功率模块(3)、机侧功率模块(4)和中央控制单元(7);网侧功率模块通过网侧滤波器(5)与变压器相连接，机侧功率模块通过机侧滤波器(6)与风力发电机的输出端相连接；网侧功率模块与机侧功率模块通过包含电容组的直流母线相连接；其特征在于无功补偿系统包括带电容组的直流母线、网侧功率模块、网侧滤波器、中央控制单元、变压器以及设置于变压器二次侧的电压检测器(9)和电流检测器(10)，所述电压检测器和电流检测器的输出端均与中央控制单元相连接；中央控制单元连接有驱动电路(11)，驱动电路控制网侧功率模块(3)进行无功补偿；中央控制单元还连接有控制整个风力发电机正常运行的风机主控系统。
2.根据权利要求I所述的风电变流器静态无功补偿系统，其特征在于所述网侧功率模块(3)由三个全桥电路组成，每个全桥由两个依次串联的全控功率器件组成；三个全桥的正负极相连接后接于直流母线的两端；所述全控功率器件的控制端均与驱动电路(11)的输出端相连接。
3.根据权利要求I或2所述的风电变流器静态无功补偿系统，其特征在于所述中央控制单元(7 )连接有进行远距离通讯的远程通讯单元(12)。
4.根据权利要求I或2所述的风电变流器静态无功补偿系统，其特征在于所述风力发电机(I)上设置有与中央控制单元(7)相连接的编码器，风力发电机的输出侧设置有转子短路保护器(8)。
5.一种基于权利要求I所述的风电变流器静态无功补偿系统的补偿方法，其特征在于，变流器在中央控制单元、风机主控系统的控制作用下实现无功补偿； 中央控制单元(7)的工作步骤如下 a.判断有无补偿信号，中央控制单元判断是否接收到风机主控系统的无功补偿信号，如没有接收到无功补偿信号，则控制变流器按正常工作状态运行；如接收到无功补偿信号，则执行步骤b; b.激活无功补偿状态，中央控制单元判断变流器的无功补偿状态能否激活，如不能，则重新激活；如能激活，则执行步骤c ； c.关断机侧功率模块，中央控制单元关断变流器的机侧功率模块，以备进行无功补偿； d.按设定值进行无功补偿，中央控制单元根据接收到的风机主控系统的初始设定值，控制变流器的网侧功率模块进行无功补偿； e.检测电压、电流信号，中央控制单元通过电压检测器、电流检测器检测电网的电压和电流信号； f.按电网实际情况补偿，中央控制单元通过采集到的电压、电流信号，通过驱动电路(11)对网侧功率模块(3)的控制，按实际情况对电网进行无功补偿； g.判断有无补偿停止信号，中央控制单元(7)判断是否接收到风机主控系统的停止无功补偿信号，如接收到停止信号，则执行步骤h ;如没有接收到停止信号，则重复执行步骤e、f ； h.恢复正常状态，中央控制单元7控制变流器恢复正常工作状态，结束无功补偿； 风机主控系统的工作步骤如下1).判断是否满足脱网条件，风机主控系统判断风电机组是否满足脱网条件，如不满足，则等待检测；如满足脱网条件，则执行步骤2)； 2).发送无功补偿信号，向中央控制单元(7)发送无功补偿状态信号，以控制变流器进行无功补偿； 3).发送无功补偿设定值，向中央控制单元(7)发送无功补偿的初始设定值，以便中央控制单元以设定值进行无功补偿； 4).判断脱网条件是否消失，风机主控系统判断风电机组的脱网条件是否消失；如没有消失，则继续判断；如脱网条件消失，则执行步骤5)； 5).发送停止无功补偿信号，风机主控系统向中央控制单元发出无功补偿的停止信号，以便变流器结束无功补偿。
6.根据权利要求5所述的风电变流器静态无功补偿方法，其特征在于所述步骤I)中满足风电机组脱网的条件为电网出现故障或风速不稳定导致风电机组满足脱网条件。
全文摘要
本发明的风电变流器静态无功补偿系统及方法，变流器包括网侧功率模块、机侧功率模块、中央控制单元、直流母线；特征在于补偿系统包括直流母线、网侧功率模块、网侧滤波器、中央控制单元、变压器、电压检测器和电流检测器，电压检测器和电流检测器均与中央控制单元相连接。补偿方法包括a.判断有无补偿信号；b.激活补偿状态；e.检测电压、电流信号；f.按电网实际情况补偿；g.判断有无补偿停止信号；h.恢复正常状态。(1)利用变流器实现补偿，节约了成本；(2)具有宽泛的补偿范围；(3)率器件响应速度快(≤5ms)，损耗低(效率≥98%)；(4)采用PWM脉宽调制技术使系统具有良好的谐波抑制能力。提高了风机的利用率并可以有效改善风电场电网不稳定的情况。
文档编号H02J3/18GK102769295SQ20121027286
公开日2012年11月7日 申请日期2012年8月2日 优先权日2012年8月2日
发明者于良峰, 吴得宗, 崔冬明, 巩源泉, 李刚强, 赵磊 申请人:济南轨道交通装备有限责任公司