专利名称：2mw及以上双馈风力发电机组整机的电网故障穿越系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电机组整机的电网故障穿越系统及方法。 技术背景现阶段风力发电由于其绿色环保的新能源特性，近几年在国内得到了飞速的发展，大规模的风力发电场在国内已经逐渐的兴建起来。双馈式风力发电机组是现今风电行业的常用机型，其双馈感应发电机(DFIG)的定子侧直接与电网相连，转子侧通过交-直-交变流器与电网耦合，由于其发电机与电网之间不是完全通过变流器耦合，当电网发生故障会产生如下问题电网故障导致风力发电机机端电压跌落，造成发电机定子电流增加。由于双馈感应发电机转子与定子之间的强耦合，快速增加的定子电流会导致转子电流急剧上升。由于风力发电机调节速度较慢，故障前期风力发电机吸收的风能不会明显减少， 而发电机组由于机端电压降低，不能正常向电网输送电能，即有一部分能量无法输入电网， 这些能量由系统内部消化，将导致变流器内部电容充电、直流电压快速升高、电机转子加速、电磁转矩突变等一系列问题。上述问题容易导致变流器系统内元器件的损坏，降低风机使用寿命，同时，由于风机维护困难，将大大提高维护成本。对于普通双馈风力发电机组，一般不具备电网故障穿越的解决方案，或者只有部分部件如变流器做了应对电网故障的一些硬件或软件保护措施，这种局部保护措施，只能保障部分部件的安全，不能保证双馈机组在电网故障时的整体部件配合度，可靠性低，无法保证实现电网故障穿越特性。在电网出现故障时，即使只是比较轻微的故障，为保护风力发电设备，风力发电机组也要与电网解列。随着风力发电机容量、风电场规模越来越大，如果大规模风电机组从电网解列，风力发电机组就失去了对电网电压的支撑能力，这可能导致严重的连锁反应，对电网的稳定运行造成严重影响。
发明内容
本发明面对双馈风力发电机组电网故障穿越难题，针对2MW及以上双馈风力发电机组独有的运行特性，提出了 2MW及以上双馈风电机组整机的电网故障穿越系统及方法。本发明所述故障穿越系统及方法对风力发电机组变流器系统、控制器系统、联轴器、发电机和变桨系统做优化设计，除了保证各部件本身具备故障期间的保护动作之外，重点解决了整体系统的配合问题，实现双馈风电机组各部件协同工作，在较短的时间内动态切换至故障穿越工作模式，使风电机组真正实现故障期间的不脱网运行，故障之后稳定快速的恢复正常功率输出，可靠性高，实现对电网的支撑作用。此外，本发明所述故障穿越系统在电网故障穿越期间通过对变桨系统的控制降低风轮转速，加上联轴器上的力矩限制器可以限制故障期间产生的转矩突变尖峰值，最终使机组避免转矩的大幅度振荡，结合本系统对变流器及发电机的保护措施，可以延长机组使用寿命，降底机组故障率，从而大大降低机组维护成本。实现上述目的的技术方案是本发明之一 2丽及以上双馈风力发电机组整机的电网故障穿越系统，包括变流器系统、控制器系统、变桨系统、力矩限制器。上述的电网故障穿越系统中，所述的变流器系统包括与变流器直流测相连的卸载单元、分别与变流器控制器相连的有源crowbar、变流器、UPS供电系统，其中卸载单元，用于防止电压跌落导致变流器直流侧电压升高；有源crowbar，还与变流器转子侧及发电机转子相连，用于防止发电机转子过流；UPS供电系统，还与并网开关相连，用于电网故障期间短时间供电给变流器控制器及并网开关，保证并网开关不断开，保持风机与电网间的连接；变流器控制器，还与控制器系统相连，用于向控制器系统发出故障信号和接收恢
复信号。上述的电网故障穿越系统中，所述的控制器系统分别与变流器控制器和变桨控制器相连，用于向变流器控制器接收故障信号和发出恢复信号，同时向变桨控制器发送控制命令以控制风轮变桨，并进行电网故障穿越期间的故障记录。上述的电网故障穿越系统中，所述的控制器系统内含UPS供电系统，用于在故障穿越期间向控制器系统供电。上述的电网故障穿越系统中，所述的变桨系统内含蓄电池、变桨控制器，其中蓄电池，用于在故障穿越期间向变桨控制器供电；变桨控制器，与控制器系统相连，用于接收控制器系统发出的控制命令，执行相应变桨动作，调节风轮转速。上述的电网故障穿越系统中，所述的力矩限制器设在联轴器上，以保证电网故障期间产生的瞬时过转矩不会影响齿轮箱。上述的电网故障穿越系统中，所述的力矩限制器的设定打滑力矩为额定力矩的 1. 5-2倍，具体数值由双馈风电机组各自工作特性计算得出。本发明之二 2MW及以上双馈风力发电机组整机的电网故障穿越方法，其中，包括以下步骤步骤Sl 变流器系统检测电网运行状况；步骤S2 变流器系统判断电网是否出现故障若是，即电网出现故障，则进入步骤S3 ；若否，即电网未出现故障，则返回步骤Sl ；步骤S3 变流器系统、控制器系统切换到UPS供电系统进行供电，变桨系统切换到蓄电池进行供电，保持风机连网及故障穿越系统的正常运行；步骤S4 变流器系统开启有源crowbar和卸载单元，保护变流器及发电机，变流器控制器向控制器系统发送故障信号；步骤S5 控制器系统向变桨系统发送控制命令，同时开始电网故障记录；步骤S6 变桨系统响应控制命令，执行相应变桨动作；
步骤S7 变流器系统检测电网运行状况；步骤S8 判断电网故障是否恢复若是，即电网故障恢复，则进入步骤S9 ；若否，即电网故障未恢复，则返回步骤S7 ；步骤S9 变流器系统、控制器系统、变桨系统恢复正常供电；步骤SlO 变流器系统中，关闭有源crowbar和卸载单元，向控制器系统发送恢复信号，调节励磁阻尼系统，使功率恢复正常标准；步骤Sll 控制器系统向变桨系统发送控制命令，同时结束电网故障记录；步骤S12 变桨系统响应控制命令，执行相应变桨动作，然后返回步骤Si。本发明所述的2MW及以上双馈风力发电机组整机的电网故障穿越系统及方法中， 电网故障也可以由控制器系统检测，并向变流器系统和变桨系统发送故障信号和恢复信号，通过这种方法也应属于本专利保护范围。此外，变桨系统也可以直接受控于变流器控制器，从而执行相应的变桨动作，这种方法也应属于本专利保护范围。
图1是本发明之一的结构示意图；图2是本发明之二的流程图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步说明。请参阅图1，图中示出了本发明之一的2丽及以上双馈风力发电机组整机的电网故障穿越系统，它包括变流器系统、控制器系统、变桨系统、力矩限制器，其中变流器系统，包括与变流器直流测相连的卸载单元、分别与变流器控制器相连的有源crowbar、变流器、UPS供电系统，UPS供电系统还与并网开关相连，以保证故障期间风机与电网正常连接，有源crowbar和卸载单元用于保护发电机和变流器，变流器控制器能够向控制器系统发送故障信号和接收恢复信号；控制器系统，分别与变流器控制器和变桨控制器相连，用于向变流器控制器接收故障信号和发送恢复信号，同时向变桨控制器发送控制命令以控制风轮变桨，并进行电网故障穿越期间的故障记录。变桨系统，与控制器系统相连，用于接收控制器系统发送的控制命令，执行相应变桨动作，调节风轮转速。力矩限制器，设置在联轴器上，以保证电网故障期间产生的瞬时过转矩不会影响齿轮箱。请参阅图2，图中示出了本发明之二的2丽及以上双馈风力发电机组整机的电网故障穿越方法，其中，包括以下步骤步骤Sl 变流器系统检测电网运行状况；步骤S2 变流器系统判断电网是否出现故障若是，即电网出现故障，则进入步骤S3 ；
若否，即电网未出现故障，则返回步骤Sl ；步骤S3 变流器系统、控制器系统切换到UPS供电系统进行供电，变桨系统切换到蓄电池进行供电，保持风机连网及故障穿越系统的正常运行；步骤S4 变流器系统开启有源crowbar和卸载单元，保护变流器及发电机，变流器控制器向控制器系统发送故障信号；步骤S5 控制器系统向变桨系统发送控制命令，同时开始电网故障记录；步骤S6 变桨系统响应控制命令，执行相应变桨动作；步骤S7 变流器系统检测电网运行状况；步骤S8 判断电网故障是否恢复若是，即电网故障恢复，则进入步骤S9 ；若否，即电网故障未恢复，则返回步骤S7 ；步骤S9 变流器系统、控制器系统、变桨系统恢复正常供电；步骤SlO 变流器系统中，关闭有源crowbar和卸载单元，向控制器系统发送恢复信号，调节励磁阻尼系统，使功率恢复正常标准；步骤Sll 控制器系统向变桨系统发送控制命令，同时结束电网故障记录；步骤S12 变桨系统响应控制命令，执行相应变桨动作，然后返回步骤Si。虽然经过对本发明结合具体实施例进行描述，对于在本技术领域熟练的人士，根据上文的叙述做出的替代、修改与变化将是显而易见的。因此，在这样的替代，修改和变化落入本发明的权利要求的精神和范围内时，应该被包括在本发明中。
权利要求
1.2丽及以上双馈风力发电机组整机的电网故障穿越系统，其特征在于包括变流器系统、控制器系统、变桨系统、力矩限制器。
2.根据权利要求1所述的电网故障穿越系统，其特征在于所述的变流器系统包括与变流器直流测相连的卸载单元、分别与变流器控制器相连的有源crowbar、变流器、UPS供电系统，其中卸载单元，用于防止电压跌落导致变流器直流侧电压升高； 有源crowbar，还与变流器转子侧及发电机转子相连，用于防止发电机转子过流； UPS供电系统，还与并网开关相连，用于电网故障期间短时间供电给变流器控制器及并网开关，保证并网开关不断开，保持风机与电网间的连接；变流器控制器，还与控制器系统相连，用于向控制器系统发出故障信号和接收恢复信号。
3.根据权利要求1所述的电网故障穿越系统，其特征在于所述的控制器系统分别与变流器控制器和变桨控制器相连，用于向变流器控制器接收故障信号和发出恢复信号，同时向变桨控制器发送控制命令以控制风轮变桨，并进行电网故障穿越期间的故障记录。
4.根据权利要求1所述的电网故障穿越系统，其特征在于所述的控制器系统内含UPS 供电系统，用于在故障穿越期间向控制器系统供电。
5.根据权利要求1所述的电网故障穿越系统，其特征在于所述的变桨系统内含蓄电池、变桨控制器，其中蓄电池，用于在故障穿越期间向变桨控制器供电；变桨控制器，与控制器系统相连，用于接收控制器系统发出的控制命令，执行相应变桨动作，调节风轮转速。
6.根据权利要求1所述的电网故障穿越系统，其特征在于所述的力矩限制器设在联轴器上，以保证电网故障期间产生的瞬时过转矩不会影响齿轮箱。
7.根据权利要求1所述的2MW及以上双馈风力发电机组整机的电网故障穿越方法，其特征在于包括以下步骤步骤Sl 变流器系统检测电网运行状况； 步骤S2 变流器系统判断电网是否出现故障若是，即电网出现故障，则进入步骤S3 ； 若否，即电网未出现故障，则返回步骤Sl ； 步骤S3 变流器系统、控制器系统切换到UPS供电系统进行供电，变桨系统切换到蓄电池进行供电，保持风机连网及故障穿越系统的正常运行；步骤S4 变流器系统开启有源crowbar和卸载单元，保护变流器及发电机，变流器控制器向控制器系统发送故障信号；步骤S5 控制器系统向变桨系统发送控制命令，同时开始电网故障记录； 步骤S6 变桨系统响应控制命令，执行相应变桨动作； 步骤S7 变流器系统检测电网运行状况； 步骤S8 判断电网故障是否恢复若是，即电网故障恢复，则进入步骤S9 ； 若否，即电网故障未恢复，则返回步骤S7 ；步骤S9 变流器系统、控制器系统、变桨系统恢复正常供电；步骤SlO 变流器系统中，关闭有源crowbar和卸载单元，向控制器系统发送恢复信号， 调节励磁阻尼系统，使功率恢复正常标准；步骤Sll 控制器系统向变桨系统发送控制命令，同时结束电网故障记录； 步骤S12 变桨系统响应控制命令，执行相应变桨动作，然后返回步骤Si。
8.根据权利要求6所述的力矩限制器，其特征在于所述的力矩限制器的设定打滑力矩为额定力矩的1.5-2倍，具体数值由双馈风电机组各自工作特性计算得出。
全文摘要
本发明提供了2MW及以上双馈风力发电机组整机的电网故障穿越系统及方法，系统包括变流器系统、控制器系统、变桨系统、力矩限制器；方法包括步骤检测电网运行状况；判断是否出现故障若否则返回步骤S1，若是则动态切换至故障穿越工作模式；检测电网运行状况；判断故障是否恢复若否则返回步骤S7，若是则恢复正常运行状态，然后返回S1。本发明在保证各部件本身具备故障期间的保护动作的同时解决整体系统的配合问题，实现故障期间的不脱网运行，支撑电网，延长机组使用寿命，降底机组故障率，从而大大降低机组维护成本。
文档编号H02M5/458GK102457195SQ20101052892
公开日2012年5月16日 申请日期2010年11月2日 优先权日2010年11月2日
发明者李楠, 禹华军 申请人:上海电气风电设备有限公司