專利名稱：一種集中式風電場低電壓穿越系統(tǒng)裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種風電場低電壓穿越裝置，具體地說是一種使風電場整體獲得低電壓穿越功能的系統(tǒng)裝置。
背景技術：
近年來風力發(fā)電迅速發(fā)展，風電占供電比重也隨之增長迅速。由此帶來的問題也引起了廣泛的重視.特別是在電網(wǎng)出現(xiàn)故障導致電壓跌落后，風力機組如果紛紛解列會帶來系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定，并可能造成局部甚至是系統(tǒng)全面癱瘓，因此電網(wǎng)企業(yè)對風機并網(wǎng)提出了一定的要求，低電壓穿越(LVRT)能力就是要求風機或風電場必須能夠滿足的一項強制性標準或規(guī)范。并網(wǎng)風力發(fā)電設備與傳統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電設備，如火力發(fā)電設備或水力發(fā)電設備最大的區(qū)別在于，其在電網(wǎng)故障期間并不能維持電網(wǎng)的電壓和頻率，這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常不利。電網(wǎng)故障是電網(wǎng)的一種非正常運行形式，主要有輸電線路短路或斷路，如三相對地，單相對地以及線間短路或斷路等，它們會引起電網(wǎng)電壓幅值的劇烈變化。低電壓穿越(Low voltage ride through, LVRT)，是指在風機并網(wǎng)點電壓跌落的時候，風機能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)恢復，直到電網(wǎng)恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間(區(qū)域)。圖1所示是電網(wǎng)企業(yè)要求的低電壓穿越曲線，要求電壓在陰影部分范圍內時風機即不保持并網(wǎng)，也不脫網(wǎng)運行。國際和國家標準與其類似。使得風電場獲得低電壓穿越能力有兩類解決方案，一類方案是讓風電場中的所有的風力發(fā)電機組獲得低電壓穿越的能力，從而使風電場具有低電壓穿越的能力，即所謂分散式的低電壓穿越解決方案。另一類方案是針對風電場整體提供一種低電壓穿越的能力，而不需要其中的每個風電機組具有低電壓穿越功能，即所謂集中式的整體風電場低電壓穿越解決方案。國內外在對風電場LVRT的問題的研究都傾注很大的努力，很多廠商和研究機構擁有許多優(yōu)秀的成果，不僅發(fā)表了大量的文獻資料，而且在實踐中取得了較好的應用?？傮w來說，目前的解決方案基本上是圍繞單機LVRT展開的，從公布的資料上看， LVRT技術用在單臺風機上，增加了風機低壓控制系統(tǒng)的設備，復雜性有所提高，使本來就顯得局促的風機塔內空間變得更為緊張，特別是對已經運行的不具備LVRT功能的風機逐臺進行改造，其施工難度較成套設計的有LVRT功能的新機組安裝要大得多，并且，今后的運行維護工作量也增加較多。雙饋式變速恒頻風電機組是目前國內外風電機組的主流機型，其發(fā)電設備為雙饋感應發(fā)電機，當出現(xiàn)電網(wǎng)故障時，現(xiàn)有的保護原則是將雙饋感應發(fā)電機立即從電網(wǎng)中脫網(wǎng)以確保機組的安全。隨著風電機組單機容量的不斷增大和風電場規(guī)模的不斷擴大，風電機組與電網(wǎng)間的相互影響已日趨嚴重。人們越來越擔心，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障迫使大面積風電機組因自身保護而脫網(wǎng)的話，將嚴重影響電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。因此，隨著接入電網(wǎng)的雙饋感應發(fā)電機容量的不斷增加，電網(wǎng)對其要求越來越高，通常情況下要求發(fā)電機組在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電壓跌落的情況下不脫網(wǎng)運行(faultride-through)，并在故障切除后能盡快幫助電力系統(tǒng)恢復穩(wěn)定運行，也就是說，要求風電機組具有一定低電壓穿越 (lowvoltageride-through)會邑力。目前國外風機供應商大部分已經解決了單個風電機組低電壓穿越問題，能夠提供具有低電壓穿越能力的風力發(fā)電機。國內風機企業(yè)也在抓緊研究風機的低電壓穿越技術， 也有部分廠商宣稱能夠提供具有低電壓穿越能力的風機。但是目前運行的風機和風電場都是以前提供的風機，絕大部分不具備低電壓穿越能力，如何對這部分風機或風場進行改造， 使其具有低電壓穿越能力，滿足并網(wǎng)要求，也是風電運營商急需解決的問題。目前在風機方面，主流技術為采用基于轉子短路保護的撬棒(crowbar)技術，采用可關斷器件如IGBT等技術，如圖2所示。分散式LVRT解決方案要求每臺風機都具有LVRT能力會大大增加風力發(fā)電設備的成本，同時實施改造涉及到風電場全內網(wǎng)，工程量大，復雜程度高，每臺風電機都需增加設備，改造費用高，可靠性相對較低。在集中式風電場整體LVRT解決方案方面，目前的現(xiàn)有技術是在并網(wǎng)處通過并聯(lián)或串聯(lián)電容器，通過采用無功補償SVC,動態(tài)無功補償D-VAR，高壓動態(tài)無功補償STATC0M技術實現(xiàn)整個風電場的低電壓穿越能力，而不必要求每臺風機都具有LVRT能力。但由于風電場發(fā)電容量較大，為保持系統(tǒng)故障時電壓的穩(wěn)定，需要與風電場發(fā)電功率相匹配的巨大的電容器容量，成本也是很大的。
發(fā)明內容本實用新型的目的是提出一種風電場整體低電壓穿越技術解決方案。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提出了一種用于風電場的低電壓穿越系統(tǒng)裝置，使得風電場獲得低電壓穿越功能，實現(xiàn)在電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時，風電場風電機組維持正常的運行和并網(wǎng)，具備LVRT 能力。本實用新型是這樣實現(xiàn)的，所述的集中式風電場低電壓穿越系統(tǒng)裝置，至少包括一個處于常閉合狀態(tài)的主開關4，一個處于常斷開狀態(tài)的補償開關5，一個電阻10，一個電壓測量裝置12，一個電流測量裝置13，一個控制器11。主開關4 一端連接到風電場開關站進線斷路器15的連接點A，主開關另一端連接到并網(wǎng)升壓變壓器的連接點B，補償開關5 — 端與連接點A連接，另一端與電阻的一端連接，電阻的另一端連接到三相交流電星形連接的中點，電壓測量裝置12、電流測量裝置13和控制器11的輸入端與連接點B連接，電壓測量裝置12和電流測量裝置13的輸出端與控制器11的輸入端連接，控制器11的輸出端與各個開關的控制端連接。本實用新型的一種較佳的實施方案，上述的集中式風電場低電壓穿越系統(tǒng)裝置， 增加常斷開開關6、常閉合開關7和常閉合開關8，常斷開開關6連接在連接點A和連接點 B之間，常閉合開關7的一端連接在連接點A，另一端與主開關連接形成連接點C，常閉合開關8的一端連接連接點B，另一端與主開關連接形成連接點D，補償開關一端與連接點C連接，另一端與電阻的一端連接，電阻的另一端連接到三相交流電星形連接的中點，電壓測量裝置12、電流測量裝置13和控制器11的輸入端與連接點D連接，電壓測量裝置12和電流測量裝置13的輸出端與控制器11的輸入端連接，控制器11的輸出端與各個開關的控制端連接。本實用新型的另一種較佳的實施方案，上述的集中式風電場低電壓穿越系統(tǒng)裝置，所述的電阻10為電阻性可變電阻，可變電阻控制端受控于控制器11的輸出端。本實用新型的另一種較佳的實施方案，上述的集中式風電場低電壓穿越系統(tǒng)裝置，所述的主開關4的兩端并聯(lián)一個感性阻抗電阻9。本實用新型提出的風電場的低電壓穿越系統(tǒng)裝置的特點及優(yōu)點是1、適用各種風電機組，電阻容量可調整，可做成積木形式，方便升級；2、結構簡單，使用的原件種類較少；3、不觸及風電場每臺風電機主輔設備，不影響原風場發(fā)電系統(tǒng)的可靠性；4、設計安置形式為串聯(lián)安裝在風電場開關站進線斷路器和升壓變之間，保留了風電場所有原來的保護體系和設備，不做任何改動；5、由于改動工程涉及范圍和內容較少，改造工作量小，運維簡易；6、改造成本低。

以下附圖僅旨在于對本實用新型做示意性說明和解釋，并不限定本實用新型的范圍。其中，圖1是電網(wǎng)所要求的風電場低電壓穿越功能示意圖；圖2是用于風電機組的低電壓穿越裝置的原理示意圖；圖3是本實用新型的一種較佳實施方案的原理示意圖；圖4是本實用新型的集中式風電場低電壓穿越系統(tǒng)裝置原理示意圖；圖5是本實用新型的阻性分級可調電阻的安裝方式及外形示意圖。
具體實施方式
為了對本實用新型技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖說明本實用新型的具體實施方式
。實施方式國家標準對風電場低電壓穿越要求1、基本要求1)風電場內的風電機組具有在并網(wǎng)點電壓跌至20 %額定電壓時能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms的能力；2)風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行；2、對于電網(wǎng)發(fā)生不同類型故障的情況下，對風電場低電壓穿越的要求1)當電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障引起并網(wǎng)點電壓跌落時，風電場并網(wǎng)點各線電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內時，場內風電機組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行；風電場并網(wǎng)點任意一線電壓低于或部分低于圖中電壓輪廓線時，場內風電機組允許從電網(wǎng)切出；2)當電網(wǎng)發(fā)生兩相短路故障引起并網(wǎng)點電壓跌落時，風電場并網(wǎng)點各線電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內時，場內風電機組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行；風電場并網(wǎng)點任意一線電壓低于或部分低于圖中電壓輪廓線時，場內風電機組允許從電網(wǎng)切出；3)電網(wǎng)發(fā)生單相接地短路故障引起并網(wǎng)點電壓跌落時，風電場并網(wǎng)點各相電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內時，場內風電機組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行；風電場并網(wǎng)點任意一相電壓低于或部分低于圖中電壓輪廓線時，場內風電機組允許從電網(wǎng)切出。3、有功恢復的要求對電網(wǎng)故障期間沒有切出電網(wǎng)的風電場，其有功功率在電網(wǎng)故障清除后應快速恢復，以至少10%額定功率/秒的功率變化率恢復至故障前的值。實施例本實用新型的基本原理是采用相控快速開關，將風電場原有的并網(wǎng)開關更換為相控快速開關，在開關兩側按相并聯(lián)一定數(shù)量的電阻，電阻可分為15級，根據(jù)故障嚴重程度接入不同數(shù)量的電阻，如圖5所示。系統(tǒng)故障導致風電場電壓降低時，根據(jù)系統(tǒng)故障類型分級投入一定數(shù)量的電阻，通過電阻釋放風機能量保持風機電壓，達到不使風機脫網(wǎng)的目的， 系統(tǒng)故障消除后快速切出電阻，閉合并網(wǎng)開關。從而實現(xiàn)整個風電場的低電壓穿越。本實用新型的實施方案要求開關速度足夠快，系統(tǒng)故障時使風機能夠快速切換到經電阻送電狀態(tài)，故障消除后又能快速切換回正常并網(wǎng)運行狀態(tài)，同時保證不會對電網(wǎng)造成沖擊。另外要求電阻具有足夠容量和散熱特性和安裝方式考慮散熱要求，保證其能夠承受短時大電流沖擊要求和快速散熱。如圖3所示，圖中風電場風電機組群1，風電場開關站2，升壓變壓器3，主開關4， 補償開關，、旁路開關6，隔離開關7、8，限流阻抗9，可調補償電阻10，控制器11，電壓測量裝置12，電流測量裝置13，匯集線14，進線斷路器15，電網(wǎng)側16。途中A、B、C、D均為線路連接點。本實用新型集中式風電場的低電壓穿越系統(tǒng)裝置的電壓接入點為風電場開關站2 的進線斷路器15至升壓變壓器3之間的匯集線14中線上，將原母線分斷，形成A節(jié)點和B 節(jié)點；其中開關6為旁路開關，開關7、開關8為隔離開關，起檢修隔離作用。集中式風電場的低電壓穿越系統(tǒng)裝置的主要構成限流阻抗9為主要為感性元件，可調補償阻抗5為多級可調阻性陣列，其總阻抗等于風電場額定容量下的負載阻抗，設計為16級可調，調節(jié)精度為6. 25%，阻抗調整時間小于等于IOms ；主開關4為高速無反彈真空斷路器，起到正常時承載風電場輸出電流、并網(wǎng)點低電壓故障時時將限流阻抗投入的作用，固有合、分閘的時間小于等于18ms ；補償開關5為高速無反彈真空接觸器，起到投切補償阻抗作用、并具備開斷補償阻抗故障時短路電流的功能；控制器11為本系統(tǒng)裝置的信號采集分析、工作邏輯控制、通信交互、故障記錄等功能的中央處理裝置，對并網(wǎng)點故障出現(xiàn)和恢復的判斷時間小于等于2ms ；電壓測量裝置12、電流測量裝置13，提供風電場匯集線上的三相電流、電壓信號。集中式風電場的低電壓穿越系統(tǒng)裝置工作原理本系統(tǒng)裝置是嚴格按照《風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定》中的要求設計的，具體可以解讀為“當風電場并網(wǎng)點出現(xiàn)低電壓工況并持續(xù)最大2秒時間后，風電場應立即具備提供最大限度有功功率的能力應對電網(wǎng)的需求，支持電網(wǎng)恢復穩(wěn)定?！被诖耍鞠到y(tǒng)裝置的工作原理為本系統(tǒng)裝置的原理核心為“全負載阻抗補償方式”，實時跟蹤匯集線的電壓、電流信號并更新補償阻抗調整策略。正常工作時，主開關4和補償開關5分別處于“合”“分”狀態(tài)，通過電壓測量裝置12、電流測量裝置13實時跟蹤測量匯集線上的電流電壓信號，控制器11監(jiān)視并網(wǎng)點電壓狀態(tài)，每隔1秒，按歐姆定律用測得的電壓除以電流計算出相應的“即時等效負載阻抗”值，并以與該“即時等效負載阻抗”值全等的原則更新補償阻抗的調整策略。全阻抗補償維持風電場匯集線電壓、電流不變，功率也不變。當并網(wǎng)點低電壓發(fā)生后，本系統(tǒng)裝置20ms內主開關4和補償開關5完成切換動作，包括控制器11命令可調補償阻抗10按最新調整策略完成阻抗調節(jié)，主開關4斷開，補償開關5閉合等操作，可調補償阻抗投入并作為替代負載支持風電場持續(xù)運行。由于風機系統(tǒng)有著數(shù)秒級的時間常數(shù)，2s內認為其輸出電流近似不變；又因補償阻抗10的調整精度達6. 25%，對于故障前即時等效負載阻抗的最大調節(jié)誤差僅為6. 25% 的1/2，即3. 12%，可見，近似不變的“電流”乘以“即時等效補償阻抗”得到的電壓值與電網(wǎng)故障前相比差別不大，必然，風機的輸出功率也近似不變。當風電場所有的風電機組因本系統(tǒng)裝置的補償作用，在電網(wǎng)低電壓期間的輸出電流、電壓、功率能維持近似不變的狀態(tài)，必然實現(xiàn)低電壓穿越運行。本系統(tǒng)裝置可以使得風電場的有功恢復速度達到標準要求。由于故障期間，風電場輸出的有功功率一直相當于故障前水平，一旦電網(wǎng)故障恢復，本系統(tǒng)裝置可在20ms內退出，風電場立即向電網(wǎng)提供相當于故障前的有功功率，幾乎沒有恢復過程，給予電網(wǎng)穩(wěn)定以最大的支持。本系統(tǒng)裝置支持能力對于固定裝機容量風電場說，通過改變補償阻抗的容量，即可改變本系統(tǒng)裝置的支持時間；換言之，對于固定的補償時間，通過改變補償阻抗的容量， 可以適應不同裝機容量容量的風電場。本系統(tǒng)裝置的適用范圍并網(wǎng)點低電壓期間，本系統(tǒng)裝置在匯集線14側保持電流、電壓維持電網(wǎng)故障前水平，實現(xiàn)風電場低電壓穿越，不涉及到風電機內部結構改動，因此，本系統(tǒng)裝置方案對絕大多數(shù)風電場都適用。本系統(tǒng)裝置的動作時間可躲過繼電保護動作時間從故障發(fā)生到投入的時間小于 20ms,由于CLSS的補償作用，對于風電場系統(tǒng)來說，使得風電場從A點看向B點，仿佛電網(wǎng)系統(tǒng)未曾發(fā)生任何較大變化，只是一個小小的擾動，顯然不會啟動任何保護動作；本系統(tǒng)裝置的工作邏輯1、正常運行時，主開關4處于閉合狀態(tài)，補償開關5處于斷開狀態(tài)；控制器11通過電壓測量裝置12、電流測量裝置13實時跟蹤風電場匯集線的電壓和電流參數(shù)，判斷并網(wǎng)點工況，并計算相應時刻下并網(wǎng)點低電壓的阻抗補償策略；2、并網(wǎng)點低電壓時，控制器11可在2ms內判斷出低電壓故障，發(fā)出“可調補償阻抗”調整信號、主開關4的分閘信號及補償開關5的合閘信號，其間可調補償阻抗10的調整速度高于補償開關5的分閘速度，即可將可調補償阻抗10調整到目標值進行補償；3、補償過程中通過控制器11繼續(xù)監(jiān)視并網(wǎng)點工況；[0071]4、當故障成功排除，并網(wǎng)點電壓恢復正常時，控制器11立即發(fā)出主開關4合閘信號和補償開關5分閘信號，退出負載補償狀態(tài)，并向電網(wǎng)恢復功率輸出；5、故障發(fā)生&后，并網(wǎng)點電壓仍未恢復時，控制器11也發(fā)出主開關4合閘信號和補償開關5分閘信號，退出負載補償狀態(tài)，以保護可調補償阻抗10不因過熱而損壞；此時將并網(wǎng)點故障狀態(tài)交由風電場系統(tǒng)自行處理，即使此時風電場停機脫網(wǎng)，也符合國家電網(wǎng)《風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定》的要求。以上所述僅為本實用新型示意性的具體實施方式
，并非用以限定本實用新型的范圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本實用新型的構思和原則的前提下所作的等同變化與修改，均應屬于本實用新型保護的范圍。
權利要求1.一種集中式風電場低電壓穿越系統(tǒng)裝置，至少包括一個處于常閉合狀態(tài)的主開關(4)，一個處于常斷開狀態(tài)的補償開關(5)，一個電阻(10)，一個電壓測量裝置(12)，一個電流測量裝置(13)，一個控制器(11)，其特征在于主開關(4) 一端連接到風電場開關站進線斷路器(15)的連接點(A)，主開關另一端連接到并網(wǎng)升壓變壓器的連接點(B)，補償開關(5)—端與連接點(A)連接，另一端與電阻的一端連接，電阻的另一端連接到三相交流電星形連接的中點，電壓測量裝置(12)、電流測量裝置(13)和控制器(11)的輸入端與連接點 (B)連接，電壓測量裝置(12)和電流測量裝置(13)的輸出端與控制器(11)的輸入端連接， 控制器(11)的輸出端與各個開關的控制端連接。
2.權利要求1所述的集中式風電場低電壓穿越系統(tǒng)裝置，其特征在于增加常斷開開關(6)、常閉合開關(7)和常閉合開關(8)，常斷開開關(6)連接在連接點(A)和連接點(B)之間，常閉合開關(7)的一端連接在連接點(A)，另一端與主開關連接形成連接點(C)，常閉合開關(8)的一端連接連接點(B)，另一端與主開關連接形成連接點(D)，補償開關一端與連接點(C)連接，另一端與電阻的一端連接，電阻的另一端連接到三相交流電星形連接的中點，電壓測量裝置(12)、電流測量裝置(13)和控制器(11)的輸入端與連接點(D)連接，電壓測量裝置(12 )和電流測量裝置(13 )的輸出端與控制器(11)的輸入端連接，控制器(11)的輸出端與各個開關的控制端連接。
3.權利要求2所述的集中式風電場低電壓穿越系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的電阻(10) 為電阻性可變電阻，可變電阻控制端受控于控制器(11)的輸出端。
4.權利要求3所述的集中式風電場低電壓穿越系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的主開關 (4)的兩端并聯(lián)一個感性阻抗電阻(9)。
專利摘要本實用新型公開了一種集中式風電場的低電壓穿越系統(tǒng)裝置，具體地說是一種使風電場整體獲得低電壓穿越功能的系統(tǒng)裝置。本實用新型的基本原理是采用相控快速開關，將風電場原有的并網(wǎng)開關更換為相控快速開關，在開關兩側按相并聯(lián)一定數(shù)量的電阻，電阻可分級，根據(jù)故障嚴重程度接入不同數(shù)量的電阻，系統(tǒng)故障導致風電場電壓降低時，根據(jù)系統(tǒng)故障類型分級投入一定數(shù)量的電阻，通過電阻釋放風機能量保持風機電壓，達到不使風機脫網(wǎng)的目的，系統(tǒng)故障消除后快速切出電阻，閉合并網(wǎng)開關。從而實現(xiàn)整個風電場的低電壓穿越。
文檔編號H02P9/00GK202190083SQ20112027932
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月3日 優(yōu)先權日2011年8月3日
發(fā)明者朱同偉, 李濱, 王川, 肖志東, 茅東, 郭慶波 申請人:北京光耀麥斯韋風電技術有限公司