变阻值撬棒保护电路及其变阻值撬棒阻值整定方法与流程

本发明涉及一种变阻值撬棒保护电路及其变阻值撬棒阻值整定方法。

背景技术

双馈感应发电机(doublyfedinductiongenerator，dfig)以其灵活高效的性能在风电领域应用广泛。电网发生故障时，目前商用兆瓦级dfig风电机组通常采用转子侧撬棒(crowbar)保护技术来保护机组并实现低电压穿越(low-voltageride-through，lvrt)。

目前国内外研究针对撬棒保护方案主要包括2种：

1)文献[1]和文献[2]提出的以限流为目标的传统撬棒保护方案：当转子电流ir大于动作阈值irth时，投入撬棒，闭锁转子侧变流器，直到故障切除后第2个周波切除撬棒。

2)文献[3]和文献[4]提出的以尽快恢复机组可控性的撬棒保护方案：当转子电流ir大于动作阈值irth时，投入撬棒，闭锁转子侧变流器；撬棒投入后，为尽快恢复转子励磁从而对故障电网进行支撑，当转子电流ir小于返回值irre，且保持2π/(1-s)ωs时，切除撬棒，重启转子侧变流器。

现有撬棒保护方案存在的不足：

1)以限流为目标的传统撬棒保护方案：给出的撬棒切除策略为故障切除后1～2周波，致使在故障切除后带撬棒运行的dfig会从电网吸收大量无功功率，延缓电网电压的恢复。

2)以尽快恢复机组可控性的主动式撬棒保护方案：给出的撬棒投切策略未能改善故障持续期间带撬棒运行的dfig稳态无功功率特性，也未能改善故障切除时机组的暂态无功功率特性。

3)上述2种撬棒保护方案给出的撬棒投切策略均未能兼顾故障持续期间和故障切除时dfig无功特性的改善。

4)上述2种撬棒保护方案中撬棒保护电路均采用固定定阻电阻值，无法在不同电网电压跌落水平和故障不同时期向故障电网提供有效的无功支撑。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种变阻值撬棒保护电路及其变阻值撬棒阻值整定方法，以解决撬棒保护电路采用固定撬棒电阻值，无法在不同电网电压跌落水平和故障不同时期向故障电网提供有效无功支撑的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种改善双馈感应发电机无功特性的变阻值撬棒保护电路，包括分别与所述双馈感应发电机转子绕组与转子侧变流器之间的a、b、c三相端子连接的撬棒保护电路；所述撬棒保护电路包括串联连接的定阻撬棒保护单元和变阻撬棒保护单元。

进一步地，所述定阻撬棒保护单元包括a相串联igbt功率开关s1、b相串联igbt功率开关s2和c相串联igbt功率开关s3；所述a相串联igbt功率开关s1、b相串联igbt功率开关s2和c相串联igbt功率开关s3均包括反向串接的第一igbt模块和第二igbt模块；所述第一igbt模块和第二igbt模块均包括并联连接的第一igbt和第二igbt，所述第一igbt的集电极与第二igbt的集电极连接形成第一节点，第一igbt的发射极与第二igbt的发射极连接第二节点；所述第一igbt模块的第二节点与第二igbt模块的第二节点连接，所述a相串联igbt功率开关s1、b相串联igbt功率开关s2和c相串联igbt功率开关s3的第一igbt模块的第一节点分别与双馈感应发电机转子绕组与转子侧变流器之间的a、b、c三相端子一一对应连接；所述a相串联igbt功率开关s1的第二igbt模块的第一节点串联有定子电阻ra′，b相串联igbt功率开关s2的第二igbt模块的第一节点串联有定子电阻rb′，c相串联igbt功率开关s3的第二igbt模块的第一节点串联有定阻电阻rc′。

进一步地，所述变阻撬棒保护单元包括a相并联igbt功率开关s4、b相并联igbt功率开关s5和c相并联igbt功率开关s6；所述a相并联igbt功率开关s4、b相并联igbt功率开关s5和c相并联igbt功率开关s6均包括反向串接的第三igbt模块和第四igbt模块；所述第三igbt模块和第四igbt模块均包括并联连接的第三igbt和第四igbt，所述第三igbt的集电极与第四igbt的集电极连接形成第三节点，第三igbt的发射极与第四igbt的发射极连接第四节点；所述第三igbt模块的第四节点与第四igbt模块的第四节点连接，所述a相并联igbt功率开关s4、b相并联igbt功率开关s5和c相并联igbt功率开关s6的第三igbt模块的第三节点分别与a相串联igbt功率开关s1、b相串联igbt功率开关s2和c相串联igbt功率开关s3一一对应连接；所述a相并联igbt功率开关s4的第三igbt模块的第三节点与第四igbt模块的第三节点之间并联有变阻电阻r″a，b相并联igbt功率开关s5的第三igbt模块的第三节点与第四igbt模块的第三节点之间并联有变阻电阻r″b，c相并联igbt功率开关s6的第三igbt模块的第三节点与第四igbt模块的第三节点之间并联有变阻电阻r″c，且三个所述变阻电阻r″a、变阻电阻r″b和变阻电阻r″c的末端出线短接。

本申请还提供了一种上述变阻值撬棒保护电路的变阻值撬棒阻值整定方法，包括以下步骤：

s1：令变阻值撬棒阻值为rcb，计算故障期间双馈感应发电机定子侧从电网吸收的无功功率qs；

s2：计算所述无功功率qs随变阻值撬棒阻值rcb的变化率δqs/δrcb，同时查找出使|δqs/δrcb|减小到无功改善设定条件k时的变阻值撬棒阻值rcb；

s3：计算当|δqs/δrcb|减小到无功改善设定条件k时，撬棒端电压峰值ucb,max＝|ir,max|rcb；

s4：判断步骤s3中所述撬棒端电压峰值ucb,max与安全裕度系数修正的转子电压最大允许值λur,max的大小关系。当ucb,max<λur,max，则变阻值撬棒阻值rcb为|δqs/δrcb|＝k时的变阻值撬棒阻值；反之，则变阻值撬棒阻值rcb为rcb＝λur,max/|ir,max|；

其中，|ir,max|为转子电流峰值绝对值，λ为安全裕度修正系数。

进一步地，所述步骤s1具体包括：

s11：令变阻值撬棒阻值为rcb，即根据撬棒保护电路可知：

s12：计算故障期间双馈感应发电机定子侧从电网吸收的无功功率qs，具体采用的公式为：

式(2)中，us为电网等值残压；r和x分别为撬棒投入时，从双馈感应发电机定子侧看过去的等值电阻和电抗，相应的表达式为：

式(3)中，rs，rr，xsl，xrl分别为定、转子电阻和漏抗；lm为励磁电抗；转子等效电阻rσ＝rcb+rr；s为转差率。

本发明的有益效果为：本发明通过在双馈风电系统中设置变阻撬棒保护单元不仅能有效缩短故障持续期间撬棒工作时间，减少带撬棒运行双馈感应发电机吸收的无功功率，支撑定子电压，同时也能最大限度降低故障切除时的双馈感应发电机无功振荡峰值，加速电网电压恢复，有助于提升风电场周边区域电网电压稳定性；并且，变阻撬棒保护单元还能够根据不同电网电压跌落水平和故障不同时期自适应调整撬棒动态变阻值以向故障电网提供有效的无功支撑，灵活性更高，适应性更强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例的原理图。

其中：1、风力机；2、齿轮箱；3、双馈感应发电机；4、转子侧变流器；5、网侧变流器；6、滤波电感；7、电网。

具体实施方式

如图1所示的一种变阻值撬棒保护电路，包括分别与所述双馈感应发电机转子绕组与转子侧变流器之间的a、b、c三相端子连接的撬棒保护电路；所述撬棒保护电路包括串联连接的定阻撬棒保护单元和变阻撬棒保护单元。

下面分别对定阻撬棒保护单元和变阻撬棒保护单元进行详细描述：

根据本申请的一个实施例，所述定阻撬棒保护单元包括a相串联igbt功率开关s1、b相串联igbt功率开关s2和c相串联igbt功率开关s3。

所述a相串联igbt功率开关s1、b相串联igbt功率开关s2和c相串联igbt功率开关s3均包括反向串接的第一igbt模块和第二igbt模块；所述第一igbt模块和第二igbt模块均包括并联连接的第一igbt和第二igbt，所述第一igbt的集电极与第二igbt的集电极连接形成第一节点，第一igbt的发射极与第二igbt的发射极连接第二节点；所述第一igbt模块的第二节点与第二igbt模块的第二节点连接，所述a相串联igbt功率开关s1、b相串联igbt功率开关s2和c相串联igbt功率开关s3的第一igbt模块的第一节点分别与双馈感应发电机转子绕组与转子侧变流器之间的a、b、c三相端子一一对应连接；所述a相串联igbt功率开关s1的第二igbt模块的第一节点串联有定子电阻ra′，b相串联igbt功率开关s2的第二igbt模块的第一节点串联有定子电阻rb′，c相串联igbt功率开关s3的第二igbt模块的第一节点串联有定阻电阻rc′。

根据本申请的一个实施例，所述变阻撬棒保护单元包括a相并联igbt功率开关s4、b相并联igbt功率开关s5和c相并联igbt功率开关s6。

所述a相并联igbt功率开关s4、b相并联igbt功率开关s5和c相并联igbt功率开关s6均包括反向串接的第三igbt模块和第四igbt模块；所述第三igbt模块和第四igbt模块均包括并联连接的第三igbt和第四igbt，所述第三igbt的集电极与第四igbt的集电极连接形成第三节点，第三igbt的发射极与第四igbt的发射极连接第四节点；所述第三igbt模块的第四节点与第四igbt模块的第四节点连接，所述a相并联igbt功率开关s4、b相并联igbt功率开关s5和c相并联igbt功率开关s6的第三igbt模块的第三节点分别与a相串联igbt功率开关s1、b相串联igbt功率开关s2和c相串联igbt功率开关s3一一对应连接；所述a相并联igbt功率开关s4的第三igbt模块的第三节点与第四igbt模块的第三节点之间并联有变阻电阻r″a，b相并联igbt功率开关s5的第三igbt模块的第三节点与第四igbt模块的第三节点之间并联有变阻电阻r″b，c相并联igbt功率开关s6的第三igbt模块的第三节点与第四igbt模块的第三节点之间并联有变阻电阻r″c，且三个所述变阻电阻r″a、变阻电阻r″b和变阻电阻r″c的末端出线短接。

该变阻值撬棒保护电路的工作原理为：

稳态运行时，全控型igbt功率开关s4、s5、s6导通，变阻电阻r″a、r″b、r″c被旁路。全控型igbt功率开关s1、s2、s3截止，整个变阻值撬棒电路与转子回路断开。

1)故障发生时，转子电流快速上升，当转子电流幅值ir超过撬棒动作阈值irth时，瞬时导通开关s1、s2、s3，投入定阻电阻ra′、rb′、rc′，同时闭锁转子侧变流器4，变阻值撬棒以传统撬棒保护模式运行。

2)随后检测双馈感应发电机定子吸收的无功功率qs，当qset2<qs<qset1且保持δt时，表明双馈感应发电机处于故障持续期，则断开开关s4、s5、s6，投入变阻电阻r″a、r″b、r″c，以改善机组运行电压无功特性。当转子电流降到其返回值irre且保持δt′时，切除撬棒，同时重启转子侧变流器4触发脉冲，机组运行于故障稳态。

根据dfig从电网吸收无功功率qs的大小以判定dfig是处在故障持续期还是故障切除时刻，进而控制撬棒保护电阻的投退，以减少dfig异步运行吸收的无功功率。

3)当判定qs<qset2时，表明故障已切除，为削减机组恢复励磁从电网吸收无功功率振荡峰值，瞬时断开开关s4、s5、s6，投入变阻电阻r″a、r″b、r″c，当转子电流降到其返回值irre且保持δt′时，切除撬棒，恢复正常励磁。

变阻值撬棒电阻采用动态变阻电阻能够根据不同电网电压跌落水平和故障不同时期动态调整撬棒保护的投入电阻值及撬棒的运行状态，进而能向故障电网提供有效的无功支撑。

此外，本申请还提供了一种上述变阻值撬棒保护电路的变阻值撬棒阻值整定方法，包括以下步骤：

s1：令变阻值撬棒阻值为rcb，计算故障期间双馈感应发电机定子侧从电网吸收的无功功率qs；

s2：计算所述无功功率qs随变阻值撬棒阻值rcb的变化率δqs/δrcb，同时查找出使|δqs/δrcb|减小到无功改善设定条件k时的变阻值撬棒阻值rcb；

s3：计算当|δqs/δrcb|减小到无功改善设定条件k时，撬棒端电压峰值ucb,max＝|ir,max|rcb；

s4：判断步骤s3中所述撬棒端电压峰值ucb,max与安全裕度系数修正的转子电压最大允许值λur,max的大小关系。当ucb,max<λur,max，则变阻值撬棒阻值rcb为|δqs/δrcb|＝k时的变阻值撬棒阻值；反之，则变阻值撬棒阻值rcb为rcb＝λur,max/|ir,max|；

其中，|ir,max|为转子电流峰值绝对值，λ为安全裕度修正系数。

根据本申请的一个实施例，所述步骤s1具体包括：

s11：令变阻值撬棒阻值为rcb，即根据撬棒保护电路可知：

s12：计算故障期间双馈感应发电机定子侧从电网吸收的无功功率qs，具体采用的公式为：

式(2)中，us为电网等值残压；r和x分别为撬棒投入时，从双馈感应发电机定子侧看过去的等值电阻和电抗，相应的表达式为：

式(3)中，rs，rr，xsl，xrl分别为定、转子电阻和漏抗；lm为励磁电抗；转子等效电阻rσ＝rcb+rr；s为转差率。

本发明通过在双馈风电系统中设置变阻撬棒保护单元不仅能有效缩短故障持续期间撬棒工作时间，减少带撬棒运行双馈感应发电机吸收的无功功率，支撑定子电压，同时也能最大限度降低故障切除时的双馈感应发电机无功振荡峰值，加速电网电压恢复，有助于提升风电场周边区域电网电压稳定性；并且，变阻撬棒保护单元还能够根据不同电网电压跌落水平和故障不同时期自适应调整撬棒动态变阻值以向故障电网提供有效的无功支撑，灵活性更高，适应性更强。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。