低电压穿越系统及风力发电系统的制作方法

本申请涉及低电压穿越技术领域，尤其是涉及低电压穿越系统和风力发电系统。

背景技术：

目前双馈风机的低电压穿越方式可归为两大类：一类是改进传统控制策略；另一类是增设硬件设备。第一类主要是通过加入前馈补偿或采用“灭磁”手段加快某些暂态电气量的衰减速度和降低其幅值来实现低电压穿越，但此类方式会受限于变流器的容量，一般用于电压跌落较轻的情况；而面对严重故障时，投入硬件设备更直接有效，其中撬棒crowbar保护最为经典，具有结构简单、限流效果好等优点，但其投入后，转子绕组与转子侧变流器(RSC)的连接被断开，DFIG运行类似于异步电机，处于失控状态，因此机组将从电网中吸收无功以励磁，恶化并网点电压跌落程度。关于撬棒穿越技术的研究大多着重于撬棒阻值和投切时间的优化，为了提高兼顾各种故障情形的能力，有学者提出动态调整撬棒阻值的方式，在不同程度的电压跌落下即可抑制转子电流，又能防止直流母线电压超过阈值，有效提高了保护的灵活性；后来为了摆脱crowbar保护提出转子侧串接电阻的方案，此方案优点在于对电流具有更直接的抑制效果，缺点是在不与其他方案配合的情况下最优阻值难以确定，轻度故障时如果串入的阻值太大可能影响转子侧电路的稳定性，而严重故障时如果串入阻值太小则限流效果不好。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例提供一种低电压穿越系统和风力发电系统，用以限制转子电流升高，辅助电网恢复，提高低电压穿越性能。

第一方面，本申请实施例提供了一种低电压穿越系统，包括：继电器，以及与该继电器分别连接的电流互感器、第一电压互感器和开关装置，还包括与该开关装置并联的阻容电路，该阻容电路包含至少一个电容器件；其中，

该电流互感器用于检测目标电路中的转子电流并将检测的电流值发送给继电器；

该第一电压互感器用于检测该目标电路中的并网点的电压，并将检测的电压值发送给继电器；

该继电器用于在接收到的该电压值小于预定电压阈值，且接收到该电流值小于预定电流阈值时，向与该开关装置发送电信号触发该开关装置从闭合状态切换为断开状态，以使该阻容电路接入转子绕组。

在本发明较佳的实施例中，该系统还包括与该继电器连接的撬棒电路和第二电压互感器；该第二电压互感器还用于检测该目标电路中的直流母线电压，并将检测的直流母线电压值发送给继电器；

该继电器还用于在接收到的该电流值大于该预定电流阈值；或者该直流母线电压值大于预定直流母线电压阈值时，向该撬棒电路的绝缘栅双极型晶体管IGBT发送电信号以使该撬棒电路与该目标电路的转子绕组电路连通。

在本发明较佳的实施例中，该系统还包括与该继电器连接的无功功率补偿装置；

该继电器还用于向该撬棒电路的绝缘栅双极型晶体管IGBT发送电信号时，向该无功功率补偿装置发送启动电信号；

该无功功率补偿装置用于接收到该启动电信号时，启动并向该目标电路连接的电网输送无功功率以稳定该并网点的电压。

在本发明较佳的实施例中，所述无功功率补偿装置为网侧变流器。

在本发明较佳的实施例中，该网侧变流器包括PI调节器，该PI调节器的第一输入端输入定子电压参考值；第二输入端与该第一电压互感器相连，接收并网口的电压值；该PI调节器的输出端输出q轴电流参考值；该q轴电流参考值用于产生无功功率。

在本发明较佳的实施例中，该继电器还用于如果该电流互感器检测到的转子电流值小于预定电流阈值，向撬棒电路的IGBT发送电信号以使该撬棒电路与转子绕组切除分离。

在本发明较佳的实施例中，该阻容电路包括电阻，该电阻和该电容器件串联连接。

在本发明较佳的实施例中，该阻容电路包括电阻，该电阻与该电容器件并联连接。

在本发明较佳的实施例中，该继电器内部包括第一比较器、第二比较器和与门电路；该第一比较器的输出端连接该与门电路的第一输入端；该第二比较器的输出端连接该与门电路的第二输入端；

该第一比较器的第一输入端用于接收该第一电压互感器发送的电压值；第二输入端用于接收该预设电压阈值；比较接收到的该电压值与该预定电压阈值的大小；如果接收到的该电压值小于该预定电压阈值，输出端输出低电平；

该第二比较器的第一输入端用于接收该电流互感器发送的电流值；第二输入端用于接收电流阈值；比较接收到的该电流值与预定电流阈值的大小；如果接收到该电流值小于预定电流阈值时，输出端输出低电平；

该与门电路的输出端作为该继电器的输出端连接该开关装置的控制端。

第二方面，本申请实施例还提供了一种系统，包括风力发电机和低电压穿越系统，该风力发电机的电路与上述低电压穿越系统连接。

采用上述方案，继电器向与开关装置发送电信号触发该开关装置从闭合状态切换为断开状态，以使该阻容电路接入转子绕组；通过串接阻容来限制转子电流，电容不仅可吸收多余能量还能发出少许无功，起到辅助电网恢复的效果。

进一步地，本申请还进行了以下改进并取得了良好的效果，严重故障时，继电器向撬棒电路的绝缘栅双极型晶体管IGBT发送电信号以使该撬棒电路与该目标电路的转子绕组电路连通；通过投入阻容电路和撬棒电路，使得转子等效电路的电阻增大，提升了抑制电流的效果；继电器向无功功率补偿装置发送的启动电信号以向电网输送无功功率，可以辅助电网尽快恢复，穿越出低电压区域。

本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施方式提供的低电压穿越的应用场景图；

图2为本申请实施方式提供的低电压穿越系统的结构图

图3为本申请实施方式提供的网侧变流器的原理图；

图4为本申请实施方式提供的风力发电系统图；

图5为本申请实施方式提供的低电压穿越总体流程图。

具体实施方式

为使本公开实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本公开保护的范围。

双馈风电机组实现低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)是风力发电领域中的一个重要课题。参见图1所示的本申请实施方式提供的低电压穿越的应用场景图；其中包括：双馈风力发电机(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)、阻容电路，阻容电路具体包括串联的电阻R1和电容 C1、与阻容电路并联的开关装置、撬棒电路、转子侧变流器RSC和定子侧变流器GSC。

变流器保护是双馈风电机组实现低电压穿越过程中重要的一环，故障较严重时，控制策略受限于变流器容量，而撬棒电路Crowbar成为简便有效的手段，为转子过电流提供旁路以保护变流器。Crowbar保护发展至今，大多都从提升保护限流限压能力或者减少撬棒投入后风机从电网吸收的无功等方面做研究，例如(1)优化撬棒阻值和投切时间，但没考虑到固定阻值往往难以兼顾不同电压跌落程度的低电压穿越效果；(2)动态调整撬棒电阻方案，主要是保证各种故障下直流母线电压也不会越限，提高了撬棒保护应对故障的适用性，但保护投入时间缩短不明显，不能很好地控制风机吸收无功的多少；(3)Crowbar与控制策略配合，在一定程度上可减少 Crowbar投入的时间，但控制策略限流效果相对电阻较差，并且越复杂的控制算法实施难度越高；(4)转子串联制动电阻方案，目前还没明确的制动阻值整定方案，只可配合着仿真确定阻值，难以保证LVRT效果。

基于此，本申请实施例提出了一种低电压穿越系统，用以限制转子电流，辅助电网故障恢复，提高低电压的穿越性能。下面通过具体实施方式进行详细描述。

参见如图2所示的低电压穿越系统的结构图，该系统包括：继电器21，以及与该继电器21分别连接的电流互感器22、第一电压互感器23和开关装置24，还包括与该开关装置24并联的阻容电路25，该阻容电路25包含至少一个电容器件；其中，

该电流互感器22用于检测目标电路中的转子电流并将检测的电流值发送给继电器21；

该第一电压互感器23用于检测该目标电路中的并网点的电压，并将检测的电压值发送给继电器21；

该继电器21用于在接收到的该电压值小于预定电压阈值，且接收到该电流值小于预定电流阈值时，向与该开关装置24发送电信号触发该开关装置24从闭合状态切换为断开状态，以使该阻容电路25接入转子绕组。

上述系统中继电器21向该开关装置24发送电信号触发该开关装置24 从闭合状态切换为断开状态以使该阻容电路25接入转子绕组，有助于抑制转子绕组的电流的上升；并且阻容电路25中至少包括一电容器件，电容器件可以向电网发送少量的无功功率以辅助电网恢复。

为了预防转子侧的电流继续上升，预防电网情况进一步恶化，该系统还包括与该继电器21连接的撬棒电路和第二电压互感器；该第二电压互感器还用于检测该目标电路中的直流母线电压，并将检测的直流母线电压值发送给继电器21；

该继电器21还用于在接收到的该电流值大于该预定电流阈值；或者该直流母线电压值大于预定直流母线电压阈值时，向该撬棒电路的绝缘栅双极型晶体管IGBT发送电信号以使该撬棒电路与该目标电路的转子绕组电路连通。

其中，撬棒电路包括电阻和缘栅双极型晶体管IGBT，当IGBT导通时，撬棒电路连通了转子绕组电路，相当于增加了转子绕组的等效电阻。从而进一步起到了抑制转子侧电流上升的效果。

为了辅助电网尽快恢复，该系统还包括与该继电器21连接的无功功率补偿装置；

该继电器21还用于向该撬棒电路的绝缘栅双极型晶体管IGBT发送电信号时，向该无功功率补偿装置发送启动电信号；

该无功功率补偿装置用于接收到该启动电信号时，启动并向该目标电路连接的电网输送无功功率以稳定该并网点的电压。

其中，无功功率补偿装置专门用来对电网进行无功补偿。通过对电网进行无功功率的补偿，可以帮助电网从故障中恢复。具体实施时，无功功率补偿装置可以采用一组电容来实现，电容组预先存储了电能。电容组通过可控的开关装置连接电网；当开关装置接收到继电器发出的电信号时，从断开状态变为闭合状态，从而使得电容组接入电网，向电网输送无功功率。

为了节省成本，无功功率补偿装置还可以采用网侧变流器来实现，因为网侧变流器自身也可以完成向电网发送无功功率。

在本发明较佳的实施例中，该网侧变流器包括PI调节器，该PI调节器的第一输入端输入定子电压参考值；第二输入端与该第一电压互感器23相连，接收并网口的电压值；该PI调节器的输出端输出q轴电流参考值；该 q轴电流参考值用于产生无功功率。参见图3所示的本申请实施方式提供的网侧变流器的原理图；包括电压外环与电流内环：1)d轴控制：直流母线电压参考值Udc_ref与实际值Udc的误差经过PI控制器后输出d轴电流参考值 id_ref；2)q轴控制：正常工作时变流器处于单位功率因数运行状态，q轴电流参考值iq_ref设为0，故障过程需要变流器发送无功功率时，iq_ref变为由定子电压参考值ug_ref和实际值ug比较后经过PI调节器所得；然后id_ref、iq_ref与对应的实际值id、iq比较后的误差经PI控制器输出的值再分别与各自的解耦补偿项ωsiq、ωsid以及电网电压前馈补偿项ug运算后得到网侧变流器参考电压ud_ref、uq_ref最后再经过坐标变换即可得三相电压参考分量，SPWM调制产生驱动信号。

在本发明较佳的实施例中，该继电器21还用于如果该电流互感器22 检测到的转子电流值小于预定电流阈值，向撬棒电路的IGBT发送电信号以使该撬棒电路与转子绕组切除分离。

在本发明较佳的实施例中，该阻容电路25包括电阻，该电阻和该电容器件串联连接。

在本发明较佳的实施例中，该阻容电路25包括电阻，该电阻与该电容器件并联连接。

为了更加形象生动地说明，在本发明较佳的实施例中，该继电器21内部包括第一比较器、第二比较器和与门电路；该第一比较器的输出端连接该与门电路的第一输入端；该第二比较器的输出端连接该与门电路的第二输入端；

该第一比较器的第一输入端用于接收该第一电压互感器23发送的电压值；第二输入端用于接收该预设电压阈值；比较接收到的该电压值与该预定电压阈值的大小；如果接收到的该电压值小于该预定电压阈值，输出端输出低电平；

该第二比较器的第一输入端用于接收该电流互感器22发送的电流值；第二输入端用于接收电流阈值；比较接收到的该电流值与预定电流阈值的大小；如果接收到该电流值小于预定电流阈值时，输出端输出低电平；

具体实施时，开关装置可以用MOS管来实现，MOS分为N型MOS 和P型MOS；PMOS中，G接高电平关断，接低电平导通。采用PMOS管的G端来接收低电平来触发PMOS管导通。

该与门电路的输出端作为该继电器21的输出端连接该开关装置的控制端。

第二方面，本实施方式提供一种风力发电系统，包括风力发电机41和低电压穿越系统42，该风力发电机41的电路与上述低电压穿越系统42连接。

为了详细说明本申请的整个流程，参见图5所示的本申请实施方式提供的低电压穿越总体流程示意图，具体如下：

结合附图1中的低电压穿越的应用场景图，图中的Y表示判断的结果为是，N表示判断的结果为否。双馈风力发电机在正常运行时，开关S0始终闭合，电阻R1和电容C1被旁路，R1和C1不接入，且电容C1上的电压为0；

并网点发生电压跌落后，检测转子电流和并网点电压Usf；

判断故障发生后的定子电压是否满足Usf≤0.9p.u.；

如果是，则断开S0，接入R1和C1，其中p.u是指双馈风机的额定电压690V；

判断转子电流是否被抑制在1.8IrN以下；

如果是，则继续判断转子电流是否在额定值以下并且直流母线电压是否在额定值以下；如果转子电流在额定值以下并且直流母线电压在额定值以下，则切除串联的阻容电路；

如果否，若转子电流持续上升大于1.8IrN或者直流母线电压Udc超过阈值 Udcmax，撬棒电路Crowbar保护动作，接入转子电路；转子侧变流器失控，双馈风力发电机DFIG处于异步运行状态；Crowbar投入的同时网侧变流器控制模式由单位功率因数运行变为非单位功率因数运行，以稳定并网点电压为目标，调节无功输出大小，缓慢向电网输送一定无功；

Crowbar投入一段时间后，判断转子电流是否小于或者等于1.8IrN；

如果是，切除撬棒电路Crowbar，而R1和C1保持串接；

判断转子电流是否小于等于额定值并且Udc是否小于等于额定值UdcN；

如果转子电流小于等于额定值并且直流母线电压Udc小于等于额定值 UdcN，切除串联的R1和C1。

本申请还提出了串联电阻R1、电容C1和crowbar电阻的整定原则，下面分别具体说明：

①R1的整定原则：

原则1：投入R1后，转子电流峰值小于1.8IrN；

原则2：转子电压峰值小于直流母线电压阈值Udcmax。

②C1的整定原则：

原则1：所串电容值要确保有足够的容量吸收故障时多余的能量，并留出一定裕量抵消串电阻后产生的电压；

原则2：电容电压最小时，也能吸收故障时转子侧产生的能量。

③Rcb的整定原则：

原则1：在转子电流相位为零的时刻，风机并网点发生三相对称故障且电压跌落为零，撬棒电阻投入后转子电流的峰值不得超过转子电流阈值 Irmax；

原则2：等效撬棒电阻两端的电压峰值不得超过直流母线电压最大允许值Udcmax。

具体整定方式如下所述：

故障期间，转子串入电阻后变流器持续运行，单相转子电流峰值可写成式(1)：

其中，为故障前转子电流；Us、Usf为故障前后的定子电压；τr＝σLr/(Rr+R1)为接入电阻后等效转子时间常数；Rs、Rr分别为定、转子电阻； Lr、Ls分别为转子、定子电感；Lm为励磁电感；为漏感系数；s 为转差率；ωs、ωr分别为同步转速和转子电角速度；ω＝ωs-ωr为转差角速度；为折算到定子侧的转子电压幅值。

转子电压最大值为：

折算到定子侧得：

其中，k为定、转子每相绕组串联的匝数比。

(1)R1的整定方式：

在故障较轻的情况下，尽量避免投入撬棒保护，因此以电压跌落50％作为临界点，即故障后当并网点电压满足Usf≥0.5p.u.时(取最临界的情况 Usf＝0.5p.u.)，电阻R1接入转子后需将故障电流抑制在1.8IrN以下，即：

从双馈风机运行的角度来看，转子突然接入电阻也属于一种扰动，在确保变流器安全的前提下接入小电阻可有效减少保护电路对机组的负面影响，制动电阻R1的取值由式(5)可得：

R1＝R1.min+(R1.max-R1.min)×30％ (5)

R1min是整定出的最小电阻，R1max是整定出的最大电阻。

(2)C1的整定方式：

按上面所述取值要求，电容所能吸收的能量为：

Wc＝pbase×(0.9-Vmin)×t (6)

Vmin指的故障后定子电压能达到的最小值。其中，pbase为双馈风机额定功率；t为电容接入后充电时间。

电网发生三相对称短路时，转子故障电流包含一个直流分量、两个频率为sfs的稳态分量和一个频率为(1-s)fs的衰减分量。为了保证电容有足够能量吸收故障时产生的能量，假设以上两种频率的分量都在同时向电容充电，则电容在一个周期内可能的最大充电时间为：

DFIG稳定运行时转子电压为即当可得最小电容电压，当电网发生最严重的三相接地故障时，即转子开路电压最大(Vmin＝0)，则所需电容容量为：

由式(6)～(8)可得电容值C1。

(3)撬棒电阻Rcb的整定：

当电网电压跌落大于50％(Usf<0.5p.u.)时，若R1无法将电流限制在 1.8IrN以下则投入撬棒电路，此时R1与Rcb同时接入，撬棒电阻等效为 R1+Rcb。为了能在任何故障下均可抑制转子过电流，应取最为严重的三相短路故障即并网点电压跌落为0的情况。最大转子电流可写成式(9)：

其中，撬棒电阻与串联电阻同时接入后τr变为τr＝σLr/(Rr+R1+Rcb)。Crowbar电阻投入后转子电流应小于转子侧变流器能接受的安全范围内，一般电流阈值为2IrN，且撬棒电阻两端电压峰值需小于直流母线电压阈值Udcmax，即：

由式(4)、(5)可得R1，再结合式(9)、(10)可得Rcb取值范围。为了帮助电网恢复，还包括向电网输送无功功率以稳定并网点的电压。其中，向电网输送无功功率可以采用静态无功补偿装置实现，无功补偿装置向电网输送无功功率，可以帮助电网恢复正常，走出低电压的区域。

本申请的技术方案可兼顾不同程度的电压跌落，轻度故障时串接阻容来限制转子电流，电容不仅可吸收多余能量还能发出少许无功；严重故障时串联阻容与撬棒电路同时投入，转子等效电路增大，提升了抑制电流的效果，有效减少撬棒保护的投入次数和时间，从而可减少DFIG吸收的无功，此策略下对电阻阻值的选择较有弹性；最后加上网侧变流器的无功调节作用，可缓慢输送无功至电网。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。