柔性交流双馈型风力发输电系统

摘要

柔性交流双馈型风力发输电系统，包括双馈型风力发电机、交流励磁电源、串联变压器、反并联双向晶闸管和监控装置。交流励磁电源包括并联侧变换器、串联侧变换器和电容，并联侧变换器交流端与双馈型风力发电机转子绕组相连，并联侧变换器的两直流端和串联侧变换器的两直流端分别与电容两端连接，串联侧变换器交流端与串联变压器原方绕组连接。串联变压器副方绕组与反并联双向晶闸管并联，串联变压器副方绕组的一端与飞轮储能电机定子绕组连接。监控装置通过控制反并联双向晶闸管的连通状态实现旁路保护。本发明能对电力系统运行工况和参数实施快速有效调控，确保电力系统安全、经济、高效、优质运行。

说明书

技术领域

本发明属于分布式发电技术和柔性交流输电技术，具体涉及一种柔性交流双馈型风力发输电系统，应用于分布式发电系统的潮流控制。

背景技术

根据我国风电规划目标，2020年全国风电装机容量将达到2000万千瓦。因此，我国电网将成为一个具有大量分布式可再生能源发电机组的现代化混合电力系统。可再生能源的一个普遍特点是不连续和不稳定。以风力发电为例，风力发电机的原动力是风，风的随机波动性和间歇性决定了风力发电机的输出特性也是波动和间歇的。当风电场的容量较小时，这种特性对电力系统的影响并不显著，随着大规模风电场的接入，风电容量在系统中所占比例的增加，风电场对电力系统的影响将不能被忽视。因此，在国家中长期科学和技术发展规划纲要2006-2020的能源领域的优先主题之一就是：超大规模输配电和电网安全保障。

目前，国内外风力发电系统产品的代表方向和主流产品是由双馈型发电机构成的变速恒频风力发电系统，包括双馈型风力发电机、交流励磁电源和监控装置，双馈型风力发电机的定子绕组和三相电网相连；交流励磁电源由并联侧变换器和串联侧变换器通过公共直流母线电压的电容相连构成，并联侧变换器和串联侧变换器为两个背靠背结构的三相电压源型PWM变换器，其中并联侧变换器和双馈型风力发电机转子绕组相连。采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，实现了机电系统之间的柔性连接，但并不具备调控线路潮流等功能。

分布式发电系统与当地区域电网并网运行是分布式发电系统最经济的运行方式。随着风力发电技术的蓬勃发展，并网装机容量日益增大，目前单机最大的装机容量已达到5MW，其直接表现是分布式发电系统之间的互联，区域电网的规模不断增大，继而通过区域电网间的互联，一步步形成更大规模的联合电网。联合电网的形成使电网结构日益复杂，同时运行与调度方面的不协调，会造成电网中的潮流分布不合理，使得输电网在功率输送中常常出现环流功率振荡、功率绕送以及功率倒流等现象，上述这些问题造成大互联电网中大量的电能损耗或被迫降低电网的输送能力，严重的情况下甚至会造成电力系统的灾变，使整个系统的运行和调度受到很大的影响。

当分布式发电系统的容量占到整个电力系统容量一定比例的时候，分布式发电系统的传输系统也会存在因为输电故障而引起所谓的“蝴蝶效应”，导致由大量分布式发电系统构成的区域电网崩溃，进一步引起更大规模的电网象“多米诺骨牌”一样相继发生电压崩溃。为应对这种可能出现的情况，有必要在分布式发电系统中引入各类柔性交流输电元件和控制的技术手段，对电力系统快速变化的运行工况和运行参数实施有效的快速调控，从而确保电力系统在各种工况下的安全、经济、高效、优质运行。

发明内容

本发明提供一种柔性交流双馈型风力发输电系统，目的是对电力系统快速变化的运行工况和运行参数实施有效的快速调控，确保电力系统在各种工况下的安全、经济、高效、优质运行。

本发明提出了一种柔性交流双馈型风力发输电系统，包括双馈型风力发电机、交流励磁电源和监控装置，交流励磁电源包括并联侧变换器、串联侧变换器和电容，并联侧变换器和串联侧变换器均为三相电压源型脉宽调制变换器，并联侧变换器的交流端与双馈型风力发电机的转子绕组连接，并联侧变换器的两直流端和串联侧变换器的两直流端分别与电容两端连接，监控装置用于对并联侧变换器和串联侧变换器实施监控，其特征在于：该系统还包括串联变压器和反并联双向晶闸管，串联变压器的原方绕组与串联侧变换器的交流端连接，串联变压器副方绕组的两端与反并联双向晶闸管两端连接，串联变压器的副方绕组的一端与双馈型风力发电机的定子绕组连接，监控装置通过控制反并联双向晶闸管的连通状态实现旁路保护。

并联侧变换器由全控型功率开关元件和电感构成，全控型功率开关元件组成第一三相全桥结构，三相桥臂中点与双馈型风力发电机的转子绕组通过三相电感相连。

串联侧变换器由全控型功率开关元件和LC低通滤波器构成，全控型功率开关元件组成第二三相全桥结构，三相桥臂中点与串联变压器的原方绕组通过三相LC低通滤波器相连。

作为本发明的优化，串联变压器的原方绕组接成三角形。

本发明在如下方面可以产生明显效果：

(1)并联侧变换器在最大风能捕获控制策略下，实现定子端口有功和无功功率的解耦控制以及转速的稳定控制；串联侧变换器工作在静态同步串联补偿器方式，可实现直流母线电压的稳定以及线路可变阻抗控制。即系统具备发电和调控线路潮流的功能。

(2)并联侧变换器在最大风能捕获控制策略下，实现发电和稳定节点电压的功能；串联侧变换器工作在静态同步串联补偿器方式，可实现直流母线电压的稳定以及线路可变阻抗控制。即系统具备发电和稳定节点电压以及调控线路潮流的功能。

(3)并联侧变换器工作在同步调相方式，具有向系统提供和吸收无功功率以及稳定节点电压的功能；串联侧变换器工作在静态同步串联补偿器方式，可实现直流母线电压的稳定以及线路可变阻抗控制。即系统具备同步调相和调控线路潮流的功能。

本发明保留了现有的典型双馈型风力发电系统的所有功能，还可分别或同时实现串联补偿、并联补偿、移相控制、阻抗模拟和实时控制传输线路潮流等多种不同的功能，从而提高线路传输能力、稳定性及阻尼系统振荡，对分布式发电、输电系统快速变化的运行工况和运行参数实施有效的快速调控，确保电力系统在各种工况下的安全、经济、高效、优质运行。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明中并联侧变换器的电路拓扑结构图；

图3为本发明中串联侧变换器的电路拓扑结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括双馈型风力发电机1、交流励磁电源、串联变压器3、反并联双向晶闸管6和监控装置7。

交流励磁电源包括并联侧变换器2、串联侧变换器4和电容5，并联侧变换器2和串联侧变换器4均为三相电压源型脉宽调制变换器(PWM)，并联侧变换器2的交流端与双馈型风力发电机1的转子绕组连接，并联侧变换器2的两直流端和串联侧变换器4的两直流端分别与电容5两端连接，串联侧变换器4的交流端与串联变压器3的原方绕组连接。

串联变压器3的副方绕组两端与反并联双向晶闸管6两端连接，串联变压器3的副方绕组的一端a与双馈型风力发电机1的定子绕组连接。串联变压器3的原方绕组接成三角形形式，效果最优。

监控装置7用于对并联侧变换器2、串联侧变换器4、反并联双向晶闸管6实施监控，并监控输电线路电压、潮流等电量。监控装置7通过控制反并联双向晶闸管6的连通状态实现旁路保护。反并联双向晶闸管6在系统正常工作时断开，故障时连通。

在电力系统应用中，双馈型风力发电机1的定子绕组与电网输电线路接入点的一端连接，串联变压器3的副方绕组的一端b与电网输电线路接入点的另一端连接，从而将该系统串接于电网输电线路中。

X1表征电网输电线路与本发明接入点前的传输阻抗，X2表征电网输电线路与本发明接入点后的传输阻抗。

双馈型风力发电机1是机电能量转换部件，其结构为常规双馈型风力发电机，类似于绕线式异步电机，旋转电机的定子和转子均安放对称三相绕组，其定子与普通交流电机定子相似，定子绕组由具有固定频率的对称三相电源激励。电机定转子极数相同。转子绕组由具有可调节频率的对称三相电源激励。电机的转速由定转子之间的转差频率确定。电机的定转子磁场是同步旋转的，因此它又具有类似同步电机的特性。已有许多文献对此进行了描述，这里不进一步说明。

交流励磁电源采用转差功率可四象限运行的双PWM电压源型变换器结构，它的一端与双馈型风力发电机1的转子绕组连接，另一端与串联变压器3的原方绕组连接。根据风速要求具备发电条件时，可将双馈型风力发电机1等效的看作一个旋转变压器。并联侧变换器2采用定子磁场定向的矢量控制技术，在风速变化引起转速大范围变化的运行条件下，可实现最大风能捕获控制下的定子端口有功功率和无功功率的解耦控制或者定子端口有功功率和节点电压的解耦控制。串联侧变换器4采用电网电流(串联变压器3副方绕组电流)定向的矢量控制，可实现中间环节直流母线电压的稳定控制以及调节电网传输线路上的等效阻抗，以此来改变传输线路上的有功功率和无功功率，从而达到调控线路潮流的目的。当不具备发电条件时，可将双馈型风力发电机1等效的看作一个静止变压器。并联侧变换器2采用定子磁场定向的矢量控制技术，可对定子端口的无功功率或节点电压实施控制，串联侧变换器4的控制思路同上。

如图2所示，并联侧变换器2由全控型功率开关元件和电感构成，全控型功率开关元件组成第一三相全桥结构8，三相桥臂中点与双馈型风力发电机1的转子绕组通过三相电感9相连。

并联侧变换器2控制所需要的检测量包括定子电压、定子电流、转子电流、直流母线电压以及转子位置角。具备发电条件时，控制过程如下：检测定子电压，通过硬件或软件鎻相获得定子电压合成矢量空间位置角，忽略定子电阻的影响后，得到定子磁链幅值和定子磁通角，并和检测到的转子位置角用于控制系统进行同步旋转dq坐标系下的控制。定子有功功率指令是转速的函数，根据不同的最大风能捕获控制策略，给出方式是不同的，定子无功功率指令则根据电网公司的要求给出。实际的定子有功功率和无功功率由检测的定子电压和定子电流计算后得到，作为控制系统的反馈量。同步旋转坐标系下的双环控制双通道策略为，定子有功功率指令与定子有功功率的反馈量通过PI调节器得到转子电流的q轴指令，转子电流的d轴指令由定子无功功率指令与定子无功功率的反馈量通过PI调节器得到或者由定子电压幅值指令与定子电压幅值的检测值通过PI调节器得到，再与由检测到的转子电流通过坐标变换后得到的反馈值进行PI调节，并考虑实际系统中电机dq轴电流所产生的交叉耦合电压的影响，采用一定的解耦合控制，最终得到转子dq轴指令电压，并经过坐标变换得到转子三相参考电压作为并联侧变换器2的控制指令，从而控制转子励磁电流，实现最大风能捕获控制下的定子端口有功功率和无功功率的解耦控制或者定子端口有功功率和节点电压的解耦控制。不具备发电条件时，同步旋转坐标系下的双环控制双通道策略与之前所述基本相同，不同之处在于，此时定子有功功率指令给零，另一通道仍然给定子无功功率指令或者定子电压幅值指令，从而可对定子端口的无功功率或节点电压实施控制。

如图3所示，串联侧变换器4由全控型功率开关元件和LC低通滤波器构成，全控型功率开关元件组成第二三相全桥结构11，三相桥臂中点与串联变压器3的原方绕组通过三相LC低通滤波器10连接。

串联侧变换器4控制所需要的检测量包括直流母线电压、三相LC低通滤波器10的电感电流和电容电压以及串联变压器3副方绕组电流。控制过程如下：检测流过串联变压器3的副方绕组中的电网电流，考虑串联变压器3原方绕组和副方绕组的连接形式以及需要模拟的阻抗性质后，通过硬件或软件鎻相，获得三相LC低通滤波器10的电容电压，即串联变压器3的原方绕组的电压合成矢量空间位置角，用于控制系统进行同步旋转dq坐标系下的控制。同步旋转坐标系下的双通道策略采用基于三相LC低通滤波器10的电感电流和电容电压的多环控制。直流母线电压指令与检测到的直流母线电压反馈量通过PI调节器得到三相LC低通滤波器10的电容电压d轴指令，三相LC低通滤波器10的电容电压q轴指令由所需要的线性阻抗补偿或电压补偿参考量决定。三相LC低通滤波器10的电容电压dq轴指令与检测到的三相LC低通滤波器10的电容电压经过坐标变换后得到的dq轴电压反馈量通过PI调节器得到三相LC低通滤波器10的电感电流dq轴指令，再与检测到的三相LC低通滤波器10的电感电流经过坐标变换后得到的dq轴电流反馈量进行PI调节，并考虑实际系统中变换器dq轴电流所产生的交叉耦合电压的影响，采用一定的解耦合控制，最终得到串联侧变换器4三相全桥结构桥臂中点dq轴指令电压，并经过坐标变换得到三相全桥结构桥臂中点三相参考电压作为串联侧变换器4的控制指令，实现中间环节直流母线电压的稳定控制以及调节电网传输线路上的等效阻抗，以此来改变传输线路上的有功功率和无功功率，从而达到调控线路潮流的目的。