专利名称：低电压穿越控制装置和风力发电设备的制作方法
技术领域：
本实用新型实施例涉及风力发电设备的低电压穿越控制技术，尤其涉及一种低电 压穿越控制装置和风力发电设备。
背景技术：
当今世界风电迅猛发展，装机容量快速上升，风力发电在电网供电中所占比例不 断提高，因此，风力发电机组的并网质量以及运行状态对电网的稳定性至关重要。在运行过 程中，电网故障可能会导致电压跌落，这会给风力发电设备带来一系列暂态过程，例如出现 过电压、过电流或转速上升等现象。所以，为保证风力发电设备的安全运行，风力发电设备 的控制装置会在监测到电网电压跌落时将风力发电机解列，即，使风力发电机断开与电网 的连接。但是，在风力发电占电网供电比例较大的情况下，由于电网电压跌落故障引起的 大量风力发电机解列会导致电力系统潮流的大幅变化甚至引起大面积停电带来频率的稳 定性问题。因而出现了风力发电设备的低电压穿越(LowVoltage Ride Through ；以下简称 LVRT)技术，即使风力发电设备在电网电压跌落时，能在电压跌落设定值和设定时间内保 持并网，支持电网电压恢复，直到电网恢复正常。风力发电设备具备有效的LVRT措施才能 够维护风场电网的稳定性。目前所使用的风力发电设备主要包括三种类型直接并网的定速异步发电机、永 磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator ；以下简称PMSG)以及双馈感 应发电机(Double Fed Induction Generator ；以下简称DFIG)。其中，DFIG是目前风电 的主流机型，其运行特性和并脱网特性显得尤为重要。采用DFIG的风力发电设备的基本结构如图1所示，包括叶轮10、传动装置11、双 馈感应发电机13和变频器组。变频器组又包括以直流母线14相连的机侧变频器3和网侧 变频器4。叶轮10通过传动装置11连接双馈感应发电机13的转子，带动转子转动，转子通 过机侧变频器3和网侧变频器4连接至电网12。双馈感应发电机13的定子直接连接至电 网12。传统DFIG风力发电设备中，为了能够在电压跌落时保护变频器组，通常还设置有 晶闸管7(SCR)撬棍(Crowbar)电路。如图1所示，晶闸管7联结至转子与变频器组之间的 连接点。当风力发电设备由于电网12电压跌落引发变频器组直流母线14过电压，控制装 置监测到变频器组的直流母线14过电压高于设定值时即触发晶闸管7闭合，从而将转子短 路，使双馈感应发电机13脱网。这种方案虽然能够避免过电流对变频器的损坏，但是不具 备LVRT功能。为实现LVRT功能，现有风力发电设备中通常采用低压旁路系统，即在转子侧采用 主动撬棍技术。常用的主动撬棍技术有绝缘栅双极型功率管(Insulated Gate Bipolar Transistor ；以下简称IGBT)型Crowbar电路、混合桥型Crowbar电路和带有旁路电阻的 Crowbar电路等，这种主动撬棍技术在电网出现电压跌落时将转子和变频器的电流通过旁路进行分流，所以既能够避免过电流影响，又可以不将风力发电机组从电网解列，从而实现了 LVRT功能。但是，在进行本实用新型的研究过程中，发明人发现现有实现LVRT功能的技术存 在如下缺陷相对于被动撬棍技术而言，这些主动撬棍技术需要增加新的保护装置，因而导 致结构复杂化，且增加了设备成本；采用上述技术，虽然变频器中的机侧变流器和双馈感应 发电机中的转子绕组得到了保护，但此时因为失去了变频器组的控制，双馈感应发电机的 定子电压高于通过励磁使发电机感应的电压，所以发电机的工作状态相当于电动机方式运 行，定子之间建立磁场所需的大量无功功率将从电网中吸收，这将导致电网电压稳定性的 进一步恶化。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种低电压穿越控制装置和风力发电设备，以实现双馈 感应风力发电设备的低电压穿越能力，且简化结构设计，减少从电网吸收的无功功率。为实现上述目的，本实用新型提供了一种低电压穿越控制装置，包括定子断路器，处于常闭状态，串联在双馈感应发电机的定子与电网之间；撬棍保护电路断路器，处于常闭状态，与双馈感应发电机的转子和变频器组之间 的连接点连接；晶闸管和分流电路，通过所述撬棍保护电路断路器串联至转子；控制模块，包括电压监测单元，定子控制单元、撬棍开关控制单元和晶间管控制单 元，其中，所述电压监测单元与电网和变频器组的直流母线相连，监测所述电网和直流母线 的电压值；所述晶闸管控制单元与所述电压监测单元和晶闸管分别相连，在所述电压监测单 元监测到直流母线的电压值高于设定门限值的状态下控制所述晶闸管闭合，以所述分流电 路对所述变频器组进行分流保护；所述定子控制单元与所述电压监测单元、晶间管控制单元和定子断路器分别相 连，在识别到所述晶间管控制单元已控制所述晶间管闭合的状态下，所述定子控制单元控 制所述定子断路器断开，且在所述电压监测单元监测到电网的电压值等于或大于设定门限 值的状态下控制所述定子断路器闭合；所述撬棍开关控制单元与所述定子控制单元和撬棍保护电路断路器分别相连，在 识别到所述定子控制单元已控制所述定子断路器断开的状态下，所述撬棍开关控制单元控 制所述撬棍保护电路断路器完成断开再闭合的操作。为实现上述目的，本实用新型还提供了一种包括本实用新型低电压穿越控制装置 的风力发电设备，该设备还包括叶轮、传动装置、双馈感应发电机以及由机侧变频器和网侧 变频器构成的变频器组，所述机侧变频器和所述网侧变频器通过直流母线相连；所述双馈 感应发电机的定子连接至电网；所述双馈感应发电机的转子通过变频器组连接至电网，其 中所述定子断路器串联在所述定子与电网之间；所述撬棍保护电路断路器与所述转子与 变频器组之间的连接点连接。由以上技术方案可知，本实用新型采用定子断路器在电网电压跌落时切断定子与电网连接的技术手段避免了风力发电设备在电网电压跌落时从电网吸收无功功率的不利 影响，另外，本实用新型以控制撬棍保护电路断路器断开再闭合的技术手段，既能够使分流 电路能够在电压跌落时分流，从而维持变频器组不脱网，实现低电压穿越功能，又可以在电 压恢复时以撬棍保护电路断路器闭合控制晶闸管，以便等待下一次电压跌落时进行保护。 本实用新型的低电压穿越控制装置结构简单，成本显著降低。
图1为现有技术中采用双馈感应发电机的风力发电设备的基本结构示意图；图2为本实用新型实施例一提供的低电压穿越控制装置应用于风力发电设备的 结构示意图；图3为本实用新型实施例三提供的风力发电设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的 实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。实施例一图2为本实用新型实施例一提供的低电压穿越控制装置应用于风力发电设备的 结构示意图。该控制装置具体可以应用于DFIG风力发电设备的电路之中。DFIG风力发电 设备的基本结构包括叶轮10、传动装置11、双馈感应发电机13和变频器组，变频器组通常 包括以直流母线14相连的机侧变频器3和网侧变频器4。叶轮10通过传动装置11连接双 馈感应发电机13的转子，带动转子转动。转子通过机侧变频器3和网侧变频器4连接至电 网12。双馈感应发电机13的定子直接连接至电网12。本实施例的控制装置具体包括定子断路器1、撬棍保护电路断路器5、晶闸管7和 分流电路、以及控制模块9，其中，晶闸管7和分流电路又可合称为撬棍保护电路。其中，定 子断路器1在正常工作过程中处于常闭状态，串联在双馈感应发电机13的定子与电网12 之间；撬棍保护电路断路器5在正常工作过程中处于常闭状态，与双馈感应发电机13的转 子与变频器组之间的连接点连接，能够将变频器组连接至电位较低的点，例如可以连接至 地线；晶闸管7和分流电路通过撬棍保护电路断路器5串联至转子，晶闸管7又可称为可控 硅，具有正极、负极和门极。分流电路具体包括整流桥6和释放电阻8，整流桥6能够将变频 器组的交流电转换为直流电进行分流。具体应用中，以晶闸管7的正极和负极串联整流桥 6和释放电阻8。控制模块9具体包括电压监测单元91、定子控制单元92、撬棍开关控制单 元93和晶闸管控制单元94。其中，电压监测单元91与电网12和变频器组的直流母线14 相连，用于监测电网12和直流母线14的电压值；晶闸管控制单元94与电压监测单元91和 晶闸管7分别相连，在电压监测单元91监测到直流母线14的电压值高于设定门限值的状 态下，控制晶间管7闭合，从而使分流电路能够对变频器组进行分流保护；定子控制单元92 与电压监测单元91、晶闸管控制单元94和定子断路器1相连，在识别到晶闸管控制单元94 已控制晶闸管7，使晶闸管7处于闭合的状态下，定子控制单元92控制定子断路器1断开；撬棍开关控制单元93与定子控制单元92和撬棍保护电路断路器5分别相连，在识别到定 子控制单元92已控制定子断路器1处于断开的状态下，撬棍开关控制单元93控制撬棍保 护电路断路器5完成断开再闭合的操作。此后，在电压监测单元91监测到电网12的电压 值等于或大于设定门限值的状态下，定子控制单元92还控制定子断路器1闭合。在上述技术方案中，分流电路起到旁路分流，从而对机侧变频器3旁路起到保护 作用。具体电路结构可以包括串联的整流桥6和释放电阻8，如图2所示。分流电路、晶闸 管7和撬棍保护电路断路器5为串联即可。具体应用中，在网侧变频器4与电网12之间设 置网侧断路器2，以便在必要的时候控制变频器组脱网。本实施例中低电压穿越控制装置的工作流程具体为当电压监测单元91监测到变频器组直流母线14的电压值高于设定门限值时，晶 闸管控制单元94即控制晶闸管7闭合，具体可以通过向晶闸管7的门极通入正向电压来触 发，由于此时撬棍保护电路断路器5处于闭合状态，所以晶闸管7正极有正向电压，当晶闸 管7门极通入正向电压时晶闸管7即闭合；晶闸管7闭合使得分流电路连入转子的回路，对变频器组进行旁路分流，从而避 免过电流和过电压对变频器组的损坏，使风力发电机组在电网12电压跌落时不必脱网，实 现了 LVRT功能；当晶闸管控制单元94控制晶闸管7闭合之后，定子控制单元92随后立即控制定 子断路器1断开，具体可以是在晶闸管7闭合的设定间隔时间之后即触发定子断路器1断 开，设定的间隔时间通常为毫秒级别。定子断路器1断开使得定子与电网12断开连接，则 避免了从电网12吸收无功功率，在晶闸管7闭合之后才控制定子断路器1断开，可以有效 避免定子断路器1先动作时导致变频器组受损的问题；当定子断路器1断开之后，撬棍开关控制单元93控制撬棍保护电路断路器5进行 断开再闭合的动作。由于定子已经断开与电网12的连接，所以此时电网12的低电压也不 会再对变频器组构成影响。撬棍保护电路断路器5的断开可以使晶闸管7的正极与正向电 压断开，从而使晶闸管7断开。当撬棍保护电路断路器5再闭合时，由于晶闸管7的门极已 经无正向电压输入所以晶闸管7不会再闭合。上述断开再闭合操作恢复了撬棍保护电路在 下一次电网电压跌落时的保护功能；保持上述状态，直到电网12的电压恢复，电压监测单元91监测到电网12的电压 值等于或大于设定门限值时，变频器组控制双馈感应发电机13进行同步，定子控制单元92 控制定子断路器1闭合，恢复正常的发电工作模式。经过上述操作之后，低电压穿越控制装置又恢复到正常工作状态，当监测到下一 次电网电压跌落时再重复执行上述操作。本实施例针对目前的主流机型DFIG风力发电设备提供了低电压穿越控制装置， 上述技术方案的优点在于1、当电网电压跌落到设定门限值以下时，可以触发晶闸管闭合， 以分流电路来保护变频器，避免变频器由于过电压、过电流而损坏；定子断路器能够在进行 低电压保护的同时断开定子与电网的连接，从而避免定子间产生磁场而从电网吸收无功功 率，并且，定子在电网故障时脱网，可以减少电网恢复时由于电网的突变引发的风机无功、 有功的抖动，直至电网的电压恢复之后才闭合定子与电网的连接，可以避免上述恢复瞬间 的冲击；变频器在低电压穿越过程中始终保持并网状态，即没有脱离与电网的连接，因此可以通过转子向电网提供无功功率，支撑电网电压恢复。综上所述，本实施例的技术方案以简单优化的电路结构和控制策略实现了对双馈 感应风力发电设备的LVRT控制，能够提高风力发电机的并网时间、发电量，在电网电压跌 落时有效减少变频器的损坏，且具备良好的LVRT能力，对电网提供有力支撑，增强了电网 的稳定性。本实施例的低电压穿越控制装置尤其适用于兆瓦(MW)级的双馈变速恒频风力发 电机组，例如，3MW的发电机组，但并不限于此，本实用新型实施例的技术方案可以广泛适用 于各种双馈感应式风力发电设备。实施例二本实用新型实施例二提供了风力发电设备的技术方案，该风力发电设备可以包括 本实用新型提供的低电压穿越控制装置，还包括叶轮10、传动装置11、双馈感应发电机13 以及由机侧变频器3和网侧变频器4构成的变频器组，机侧变频器3和网侧变频器4通过 直流母线14相连；双馈感应发电机13的定子连接至电网12 ；双馈感应发电机13的转子通 过变频器组连接至电网12，其中定子断路器1串联在定子与电网12之间；撬棍保护电路 断路器5与转子与变频器组之间的连接点连接。具体结构可参见本实用新型实施例一及附 图2所示的内容 。实施例三图3为本实用新型实施例三提供的风力发电设备的结构示意图，本实施例可以以 上述实施例二为基础，进一步的，在机侧变频器3和网侧变频器4之间的直流母线14上还 连接有电压控制单元15，该电压控制单元15在监测到直流母线14的电压值高于设定门限 值时控制与直流母线14连接的制动电阻(Dynamic Brake Resistor ；以下简称DBR)电路 16对变频器组进行降压，即控制直流母线14电压降低。采用本实施例的技术方案，可以在使用分流电路降压之前先对变频器组提供保 护，确保变频器组的安全运行。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制； 尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等 同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术 方案的精神和范围。
权利要求一种低电压穿越控制装置，其特征在于，包括定子断路器，处于常闭状态，串联在双馈感应发电机的定子与电网之间；撬棍保护电路断路器，处于常闭状态，与双馈感应发电机的转子和变频器组之间的连接点连接；晶闸管和分流电路，通过所述撬棍保护电路断路器串联至转子；控制模块，包括电压监测单元，定子控制单元、撬棍开关控制单元和晶闸管控制单元，其中，所述电压监测单元与电网和变频器组的直流母线相连，监测所述电网和直流母线的电压值；所述晶闸管控制单元与所述电压监测单元和晶闸管分别相连，在所述电压监测单元监测到直流母线的电压值高于设定门限值的状态下控制所述晶闸管闭合，以所述分流电路对所述变频器组进行分流保护；所述定子控制单元与所述电压监测单元、晶闸管控制单元和定子断路器分别相连，在识别到所述晶闸管控制单元已控制所述晶闸管闭合的状态下，所述定子控制单元控制所述定子断路器断开，且在所述电压监测单元监测到电网的电压值等于或大于设定门限值的状态下控制所述定子断路器闭合；所述撬棍开关控制单元与所述定子控制单元和撬棍保护电路断路器分别相连，在识别到所述定子控制单元已控制所述定子断路器断开的状态下，所述撬棍开关控制单元控制所述撬棍保护电路断路器完成断开再闭合的操作。
2.根据权利要求1所述的低电压穿越控制装置，其特征在于所述分流电路包括串联 的整流桥和释放电阻。
3.一种包括权利要求1或2所述的低电压穿越控制装置的风力发电设备，还包括叶轮、 传动装置、双馈感应发电机以及由机侧变频器和网侧变频器构成的变频器组，所述机侧变 频器和所述网侧变频器通过直流母线相连；所述双馈感应发电机的定子连接至电网；所述 双馈感应发电机的转子通过变频器组连接至电网，其特征在于所述定子断路器串联在所 述定子与电网之间；所述撬棍保护电路断路器与所述转子与变频器组之间的连接点连接。
4.根据权利要求3所述的风力发电设备，其特征在于所述直流母线上还连接有电压 控制单元，在监测到直流母线的电压值高于设定门限值时控制与直流母线连接的制动电阻 电路对所述直流母线进行降压。
专利摘要本实用新型涉及一种低电压穿越控制装置和风力发电设备。该控制装置包括定子断路器、撬棍保护电路断路器、晶闸管和分流电路、以及包括电压监测单元，定子控制单元、撬棍开关控制单元和晶闸管控制单元的控制模块，其中，在监测到直流母线的电压值高于设定门限值的状态下控制晶闸管闭合，以分流电路对变频器组进行分流保护；在晶闸管闭合的状态下，控制定子断路器断开，且随后控制撬棍保护电路断路器完成断开再闭合的操作；监测到电网的电压值等于或大于设定门限值的状态下控制定子断路器闭合。本实用新型以简单的结构实现了低电压穿越功能，且能避免从电网吸收无功功率造成电网波动的不利影响。
文档编号F03D9/00GK201570870SQ20092024713
公开日2010年9月1日 申请日期2009年11月18日 优先权日2009年11月18日
发明者苏丽营 申请人:华锐风电科技(集团)股份有限公司