一種風電機組零過渡動態并網方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種風電機組零過渡動態并網方法及裝置，涉及新能源領域。本方法包括下列步驟：風電機組AC/DC和DC/AC變換器整流與逆變；電網、機組和并網開關電物理量數據采集；零過渡動態并網條件檢測；并網開關與風電機組并網逆變器協調控制；有功潮流方向檢測與零過渡動態并網控制。本裝置設置有零過渡動態并網信號單元，零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元，電力電子開關單元和零過渡動態并網控制單元。與現有技術相比，本發明具有濾波器節能、提高風力發電效率和電網電壓質量以及提高并網逆變器使用壽命的特點。
【專利說明】一種風電機組零過渡動態并網方法及裝置
[0001]
技術領域
[0002]本發明涉及新能源領域，特別涉及一種風電機組零過渡動態并網方法及裝置。
【背景技術】
[0003]能源供應形式的多樣化是降低一個國家能源風險、提高能源安全的重要戰略之一。21世紀，由于工業化和城市化的驅動，世界能源需求將繼續大幅度增長。為了滿足日益增長的能源需求，需要開展大規模的能源基礎設施建設以增加能源供應能力。但由于資源和環境條件的嚴重制約，世界能源供應形勢面臨嚴峻挑戰。
[0004]風力發電是當今世界可再生能源開發利用中技術最成熟、最具開發規模和商業化發展前景的發電形式，由于其在減輕環境污染、調整能源結構、促進可持續發展等方面的突出作用，展現了良好的發展前景，是中國和世界重要的后續能源之一。
[0005]風力發電是一種特殊的電力，具有許多不同于常規能源發電的特點。早期的風電場規模很小，風電機組大多采用小容量異步發電機組，風電場直接和配電網相連，滿足地區供電需求，風電場給電網帶來的影響主要是局部的諧波污染、電壓波動及閃變等電能質量問題，不會給大電網的安全穩定運行產生明顯影響。
[0006]由于風速的波動性、隨機性引起風電場輸出功率變化，以及風電場一般都處于電網的末端，此處電網的網架結構相對薄弱，因此風電機組并網時輸出功率波動和電流沖擊可能會出現電網電壓波動、線路傳輸功率超出熱極限、系統短路容量增加和系統暫態穩定性改變等一系列問題。因此，必須通過合理的動態并網技術來解決風電機組并網引起的一系列問題。
【發明內容】
[0007]本發明通過下述技術方案解決風電機組并網引起的上述問題:
一種風電機組零過渡動態并網方法，其特征在于，包括下列步驟:
步驟I，風電機組AC/DC和DC/AC變換器整流與逆變的步驟，具體包括:在風電機組風力發電過程中，先通過交/直流變換器將風電機組輸出的非工頻的交流電壓源整流為直流電壓源，然后通過直/交流變換器將直流電壓源逆變為工頻的交流電壓源。工作在四個狀態:分別是:
狀態一，停運狀態，包括檢修:工作在發電系統不具備發電條件、按計劃停運或設備檢修的情況下。
[0008]狀態二，待機狀態:工作在發電條件不穩定或電網對風電場發電功率具有限制性要求的情況下。
[0009]狀態三，并網狀態:工作在檢測風電機組并網條件和實現并網過程的情況下。
[0010]風電機組并網條件:同時滿足同期條件(S卩:風電機組并網前所輸出的交流電壓的頻率、幅值和相位與電網工頻交流電壓相同)和零過渡并網條件(g卩:在風電機組并網過程，注入電網的動態電壓和動態電流的非周期分量接近零)。
[0011]實現并網過程:風電機組并網逆變器與并網電力電子開關相配合，由風電機組并網逆變器通過調整機組輸出的交流電壓的頻率、幅值和相位，以滿足同期條件的要求;并網電力電子開關在同期條件滿足的基礎上，動態檢測零過渡并網條件，當零過渡并網條件滿足時，并網電力電子開關閉合，實現風電機組安全、無沖擊動態并網。
[0012]狀態四，發電狀態:工作在風電機組輸出的有功功率大于零的情況下。
[0013]步驟2，電網、機組和并網開關電物理量數據采集的步驟，具體包括:通過在電網、風電機組和并網開關各側安裝三相交流電壓互感器和電流互感器進行實時同步數據采集，并將同步采集的三相電壓和電流數據加注時標后存儲起來，并根據這些數據計算出頻率、三相電壓和電流的幅值和相位、有功功率、無功功率和功率因數，同時實時計算出系統的等值參數，為確定同期條件和零過渡并網條件提供實時數據。
[0014]步驟3，零過渡動態并網條件檢測的步驟，具體包括:實時檢測電力電子開關兩側三相電壓和三相電流，動態確定濾波器電容電壓和耦合變壓器的電流兩個狀態變量的初始值和系統等值參數，即:系統等值電阻和系統等值電抗，兩初始值使注入電網的動態電壓的非周期分量接近零的條件確定為零過渡動態并網條件。當零過渡動態并網條件滿足時控制系統自動生成一個脈沖信號，該信號為零過渡動態并網條件信號。脈沖的寬度和幅值需要與實際控制系統和電力電子開關觸發電路的設計要求相匹配。
[0015]步驟4，并網開關與風電機組并網逆變器協調控制的步驟，具體包括:并網開關包括并網斷路器和電力電子開關，電力電子開關與并網斷路器配合運行。并網開關的運行原則是電力電子開關用于風電機組接通電網和從電網斷開，以避免在風電機組在并網和解列過程中產生過電壓和過電流;并網斷路器在風電機組穩定發電狀態下閉合，在停運狀態和并網、解列過程中斷開，以降低并網開關運行過程中的電能損耗。
[0016]步驟5，有功潮流方向檢測與零過渡動態并網控制的步驟，具體包括:
有功潮流方向檢測由步驟2獲得有功功率的大小和方向，當有功功率的方向是從風電機組注入電網時，風電機組處于發電狀態，零過渡動態并網控制并網開關閉合;當有功功率的方向是從電網流入風電機組時，風電機組處于待并網或待解列狀態，零過渡動態并網控制根據電力系統調度的要求或風電場安全經濟運行的需要，決定并網開關工作于并網狀態還是解列狀態;是從閉合狀態轉換到斷開狀態，還是從斷開狀態轉換到閉合狀態。
[0017]從風電場安全經濟運行角度考慮，當有功功率的方向是從電網流入風電機組時，直驅型風電機組和從并網開關電網側獲取轉子勵磁電流的雙饋型風電機組將從閉合狀態轉換到斷開狀態，即風電機組自動解列；當風電機組具備發電條件時，風電機組將從斷開狀態轉換到閉合狀態，風電機組將風能轉化為電能注入電網。
[0018]在上述的一種風電機組零過渡動態并網方法，所述的步驟4中，包括風電機組處于以下兩個狀態時的處理方法:
當風電機組處于并網狀態，風電機組并網逆變器處于同期并網工作狀態，將風電機組輸出的電壓頻率、幅值和相位調整到與電網一致，即:保證風電機組同期并網條件。當風電機組處于穩定發電狀態時，風電機組并網逆變器處于發電控制工作狀態，控制風電機組輸出的三相電壓、電流、功率和頻率，完成風力發電過程。當風電機組停運或檢修狀態時，風電機組并網逆變器處于停運狀態。當風電機組處于不穩定發電狀態時，即:風電機組時而具備發電條件處于發電狀態，時而又不具備發電條件，風電機組從發電狀態退出，這時風電機組并網逆變器處于發電、解列和同期并網三種情況轉換工作狀態。
[0019]當風電機組處于并網狀態，而且同期并網條件和零過渡動態并網條件同時滿足時，并網開關由斷開狀態轉變為閉合狀態。當風電機組解列時，并網開關由閉合狀態轉變為斷開狀態。當風電機組處于穩定發電狀態時，并網開關為閉合狀態。當風電機組處于停運或檢修狀態時，并網開關為斷開狀態。當風電機組處于不穩定發電狀態時，即:風電機組電壓高于電網電壓，處于發電狀態;時而又不具備發電條件，即:風電機組電壓低于電網電壓，風電機組將從發電狀態退出，這時并網開關工作于閉合狀態轉換到斷開狀態。
[0020]—種風電機組零過渡動態并網裝置，其特征在于，包括零過渡動態并網信號單元，零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元，零過渡動態并網控制單元和電力電子開關單元。
[0021]零過渡動態并網信號單元的輸入端分別與電網、風電機組和電力電子開關各側安裝三相交流電壓互感器和三相電流互感器的二次側輸出信號端以及風電機組并網逆變器的同期并網條件滿足輸出信號端相連接，零過渡動態并網信號單元的輸出端與零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元的輸入端相連接。零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元的輸出端與零過渡動態并網控制單元的輸入端相連接。零過渡動態并網控制單兀的輸出端與電力電子開關單兀的輸入端相連接。電力電子開關單兀輸出端分別與風電機組濾波器和電網相連接，即當風電機組并網時，電力電子開關單元將風電機組濾波器與電網接通;當風電機組解列時，電力電子開關單元將風電機組濾波器與電網斷開。
[0022]在上述的一種風電機組零過渡動態并網裝置，所述的零過渡動態并網信號單元包括前置處理單元和多路模擬量同步數據采集單元。
[0023]所述前置處理單元采用電子電路將電網、風電機組和并網開關各側安裝三相交流電壓互感器和電流互感器二次側的電壓信號和電流信號轉換為多路模擬量同步數據采集單元可接受的模擬電壓信號，并且進行濾波、去噪處理。
[0024]所述多路模擬量同步數據采集單元設置I個采樣微處理器、3個8路帶有采樣保持的模擬量交流采樣獨立通道的采樣電路、I個模數AD轉換器、一個雙口存儲器和工業總線。
[0025]采樣微處理器控制3個8路采樣電路從前置處理單元輸出讀取經過轉換和濾波的電網、風電機組和電力電子開關各側安裝三相交流電壓互感器和三相電流互感器的二次側輸出信號端的數據，并將其數據帶時標從指定端口存儲到雙口存儲器。數據存儲采用循環方式。數據通信采用總線方式。
[0026]采樣頻率、模數轉換位數、存儲器容量和總線方式的選擇需要與控制單元配合，采用常規設計方法考慮不低于I.5倍的冗余量。
[0027]在上述的一種風電機組零過渡動態并網裝置，所述的零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元:包括計算模塊、計算存儲器和脈沖形成電路。
[0028]所述計算模塊采用高性能微處理器或工控機以及檢測算法，通過從總線從雙口存儲器的另一個端口讀取數據，獲得電網、風電機組和并網開關各側的電流和電壓瞬時值(W、1T,W, IF； a、iL)，計算出各側的三相電壓和電流的幅值和相位、有功功率和無功功率的大小及方向、功率因數以及系統頻率和等值參數，并將計算結果存儲到計算存儲器中。
[0029]脈沖形成電路采用電子電路，當檢測單元檢測到并網開關兩側的電壓和電流瞬時值以及系統等值參數使并網時并網開關的動態電壓和動態電流的衰減非周期分量接近零時，脈沖形成電路輸出一個零過渡動態并網條件滿足脈沖信號，該脈沖信號幅值和脈寬需要與實際控制系統和電力電子開關觸發電路的設計要求相匹配。
[0030]當檢測單元檢測到有功功率方向是電網向風電機組倒送時，在有功功率計算結果存儲到計算存儲器中時加注標志，即:有功功率小于零。
[0031]當檢測單元檢測到風電機組輸出電壓和頻率滿足同期并網條件時，脈沖形成電路輸出一個同期并網脈沖信號，脈沖的寬度為同期并網條件滿足的時間。
[0032]檢測算法滿足在線監測、電力系統運行參數計算、等值參數辨識和二維微分方程數值求解的相關技術標準的功能和精度要求。
[0033]在上述的一種風電機組零過渡動態并網裝置，所述的零過渡動態并網控制單元采用高性能微處理器或工控機以及控制算法，根據從零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元獲得的零過渡動態并網條件信息、同期并網信息、有功潮流方向信息和從調度獲得并網或解列命令，對風電機組實施并網或解列控制。
[0034]在上述的一種風電機組零過渡動態并網裝置，所述的電力電子開關單元包括電力電子開關組件、電力電子開關觸發電路和電力電子開關保護單元。
[0035]單相電力電子開關組件結構為:一組正反極性并聯的兩個晶閘管。
[0036]三相電力電子開關組件結構為:A、B、C三相中的每一相設置正反極性并聯的兩個晶閘管，三相互相獨立，形成三個獨立的開關。三相電力電子開關組件的一側連接發電機組的濾波器，另一側連接上網耦合變壓器低壓側。三相電力電子開關組件的耐壓水平和開關能力的設計與實際應用對象相匹配，除滿足相應的技術標準和規范之外，在系統出現過電壓和過電流以及散熱系統故障情況下，三相電力電子開關組件正常工作。
[0037]電力電子開關觸發電路采用電子電路，每一相電力電子開關觸發電路設置三個輸入端口和兩個輸出，一個輸入端連接電力電子開關組件的電壓和電流的過零檢測信號，以過零點為觸發脈沖的中心點，形成過零觸發脈沖，用于維持電力電子開關組件的正常工作；一個輸入端連接零過渡動態并網條件滿足脈沖信號;一個輸入端連接零過渡動態并網控制單元輸出的并網控制電平信號，該信號分別與“零過渡動態并網條件滿足脈沖信號”和“過零觸發脈沖”進行“與”運算，形成的并網觸發脈沖和運行觸發脈沖;并網觸發脈沖和運行觸發脈沖通過功率放大、脈寬調制和脈沖變壓器電磁隔離后從觸發電路的兩個輸出端口分別接入正反極性并聯的兩個晶閘管的門極端(G)和陰極端(K)。
[0038]電力電子開關保護單元設置有散熱器、溫控保護、暫態和穩態過電壓保護、快熔過電流保護、電壓變化率保護、電流變化率保護以及當系統發生短路、諧振、缺相故障時，封閉電力電子開關觸發脈沖的軟件保護。
[0039]因此，本發明具有如下優點:1、可以節省當風電機組風力不足時，電網功率倒送產生的功率損耗;2、動態并網提高風力發電效率和電網電壓質量;3、減少風電機組并網逆變器準同期并網的過電流沖擊;4、提高風電機組并網逆變器的使用壽命的特點；5、本發明具有節能降損、提高風力發電效率和電網電壓質量以及提高并網逆變器使用壽命的特點。
【附圖說明】
[OO4O]圖1是本發明的實施例流程不意圖。
[0041 ]圖2是本裝置實施例結構圖。
【具體實施方式】
[0042]下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。
[0043]實施例:
下面結合附圖和實施例詳細說明:
一、風電機組零過渡動態并網方法
風電機組零過渡動態并網方法實施例流程圖如圖1所示，由圖1可見:
步驟I為風電機組AC/DC和DC/AC變換器整流與逆變I:
在風電機組風力發電過程中，先通過交/直流變換器將風電機組輸出的非工頻(即:非50Hz頻率)的交流電壓源整流為直流電壓源，然后通過直/交流變換器將直流電壓源逆變為工頻(S卩:50Hz頻率)的交流電壓源。工作在四個狀態:①停運狀態(含檢修);②待機狀態;③并網狀態;④發電狀態(即:有功功率大于零)。
[0044]停運狀態(含檢修):工作在發電系統不具備發電條件、按計劃停運或設備檢修的情況下。
[0045]待機狀態:工作在發電條件不穩定或電網對風電場發電功率具有限制性要求的情況下。
[0046]并網狀態:工作在檢測風電機組并網條件和實現并網過程的情況下。
[0047]風電機組并網條件:同時滿足同期條件，S卩:風電機組并網前所輸出的交流電壓的頻率、幅值和相位與電網工頻交流電壓相同或近似和零過渡并網條件，g卩:在風電機組并網過程，注入電網的動態電壓和動態電流的非周期分量接近零。
[0048]實現并網過程:風電機組并網逆變器與并網電力電子開關相配合，由風電機組并網逆變器通過調整機組輸出的交流電壓的頻率、幅值和相位，以滿足同期條件的要求;并網電力電子開關在同期條件滿足的基礎上，動態檢測零過渡并網條件，當零過渡并網條件滿足時，并網電力電子開關閉合，實現風電機組安全、無沖擊動態并網。
[0049]發電狀態:工作在風電機組輸出的有功功率大于零的情況下。
[0050]步驟2為電網、機組和并網開關電物理量數據采集2:
通過在電網、風電機組和并網開關各側安裝三相交流電壓互感器和電流互感器進行實時同步數據采集，并將同步采集的三相電壓和電流數據加注時標后存儲起來，并根據這些數據計算出頻率、三相電壓和電流的幅值和相位、有功功率、無功功率和功率因數，同時實時計算出系統的等值參數，為確定同期條件和零過渡并網條件提供實時數據。
[0051 ]步驟3為零過渡動態并網條件檢測3:
實時檢測電力電子開關兩側三相電壓和三相電流，動態確定濾波器電容電壓和耦合變壓器的電流兩個狀態變量的初始值和系統等值參數，即:系統等值電阻和系統等值電抗，兩初始值使注入電網的動態電壓的非周期分量接近零的條件確定為零過渡動態并網條件。當零過渡動態并網條件滿足時控制系統自動生成一個脈沖信號，該信號為零過渡動態并網條件信號。脈沖的寬度和幅值需要與實際控制系統和電力電子開關觸發電路的設計要求相匹配。
[0052]步驟4為并網開關與風電機組并網逆變器協調控制4:
并網開關包括并網斷路器和電力電子開關，電力電子開關與并網斷路器配合運行。并網開關的運行原則是電力電子開關用于風電機組接通電網和從電網斷開，以避免在風電機組在并網和解列過程中產生過電壓和過電流；并網斷路器在風電機組穩定發電狀態下閉合，在停運狀態和并網、解列過程中斷開，以降低并網開關運行過程中的電能損耗。
[0053]當風電機組處于并網狀態，風電機組并網逆變器處于同期并網工作狀態，將風電機組輸出的電壓頻率、幅值和相位調整到與電網一致，即:保證風電機組同期并網條件。當風電機組處于穩定發電狀態時，風電機組并網逆變器處于發電控制工作狀態，控制風電機組輸出的三相電壓、電流、功率和頻率，完成風力發電過程。當風電機組停運或檢修狀態時，風電機組并網逆變器處于停運狀態。當風電機組處于不穩定發電狀態時，即:風電機組時而具備發電條件處于發電狀態，時而又不具備發電條件，風電機組從發電狀態退出，這時風電機組并網逆變器處于發電、解列和同期并網三種情況轉換工作狀態。
[0054]當風電機組處于并網狀態，而且同期并網條件和零過渡動態并網條件同時滿足時，并網開關由斷開狀態轉變為閉合狀態。當風電機組解列時，并網開關由閉合狀態轉變為斷開狀態。當風電機組處于穩定發電狀態時，并網開關為閉合狀態。當風電機組處于停運或檢修狀態時，并網開關為斷開狀態。當風電機組處于不穩定發電狀態時，即:風電機組時而具備發電條件(風電機組電壓高于電網電壓)，處于發電狀態;時而又不具備發電條件，即:風電機組電壓低于電網電壓，風電機組將從發電狀態退出，這時并網開關工作于閉合狀態轉換到斷開狀態。
[0055]步驟5為有功潮流方向檢測與零過渡動態并網控制5:
有功潮流方向檢測由步驟2獲得有功功率的大小和方向，當有功功率的方向是從風電機組注入電網時，風電機組處于發電狀態，零過渡動態并網控制并網開關閉合;當有功功率的方向是從電網流入風電機組時，風電機組處于待并網或待解列狀態，零過渡動態并網控制根據電力系統調度的要求或風電場安全經濟運行的需要，決定并網開關工作于并網狀態還是解列狀態;是從閉合狀態轉換到斷開狀態，還是從斷開狀態轉換到閉合狀態。
[0056]從風電場安全經濟運行角度考慮，當有功功率的方向是從電網流入風電機組時，直驅型風電機組和從并網開關電網側獲取轉子勵磁電流的雙饋型風電機組將從閉合狀態轉換到斷開狀態，即風電機組自動解列；當風電機組具備發電條件時，風電機組將從斷開狀態轉換到閉合狀態，風電機組將風能轉化為電能注入電網。
[0057]二、裝置。
[0058]1、總體。
[0059]如圖2，本裝置包括零過渡動態并網信號單元，零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元，零過渡動態并網控制單元和電力電子開關單元。
[0060]其連接和交互關系是:
零過渡動態并網信號單元的輸入端分別與電網、風電機組和電力電子開關各側安裝三相交流電壓互感器和三相電流互感器的二次側輸出信號端以及風電機組并網逆變器的同期并網條件滿足輸出信號端相連接，零過渡動態并網信號單元的輸出端與零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元的輸入端相連接。零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元的輸出端與零過渡動態并網控制單元的輸入端相連接。零過渡動態并網控制單兀的輸出端與電力電子開關單兀的輸入端相連接。電力電子開關單兀輸出端分別與風電機組濾波器和電網相連接，即當風電機組并網時，電力電子開關單元將風電機組濾波器與電網接通;當風電機組解列時，電力電子開關單元將風電機組濾波器與電網斷開。
[0061]2、功能塊。
[0062](I)零過渡動態并網信號單元:包括前置處理單元和多路模擬量同步數據采集單
J L ο
[0063]所述前置處理單元采用電子電路將電網、風電機組和并網開關各側安裝三相交流電壓互感器和電流互感器的電壓信號和電流信號轉換為多路模擬量同步數據采集單元可接受的模擬電壓信號，并且進行濾波、去噪處理。
[0064]所述多路模擬量同步數據采集單元設置I個采樣微處理器、3個8路帶有采樣保持的模擬量交流采樣獨立通道的采樣電路、I個模數AD轉換器、一個雙口存儲器和工業總線。
[0065]采樣微處理器控制3個8路采樣電路從前置處理單元輸出讀取經過轉換和濾波的電網、風電機組和電力電子開關各側安裝三相交流電壓互感器和三相電流互感器的二次側輸出信號端的數據，并將其數據帶時標從指定端口存儲到雙口存儲器。數據存儲采用循環方式。數據通信采用總線方式。
[0066]采樣頻率、模數轉換位數、存儲器容量和總線方式的選擇需要與控制單元配合，采用常規設計方法考慮不低于I.5倍的冗余量。
[0067](2)零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元:包括計算模塊、計算存儲器和脈沖形成電路。
[0068]所述計算模塊采用高性能微處理器或工控機以及檢測算法，通過從總線從雙口存儲器的另一個端口讀取數據，獲得電網、風電機組和并網開關各側的電流和電壓瞬時值(W、1T,W, IF； a、iL)，計算出各側的三相電壓和電流的幅值和相位、有功功率和無功功率的大小及方向、功率因數以及系統頻率和等值參數，并將計算結果存儲到計算存儲器中。
[0069]脈沖形成電路采用電子電路，當檢測單元檢測到并網開關兩側的電壓和電流瞬時值以及系統等值參數使并網時并網開關的動態電壓和動態電流的衰減非周期分量接近零時，脈沖形成電路輸出一個零過渡動態并網條件滿足脈沖信號，該脈沖信號幅值和脈寬需要與實際控制系統和電力電子開關觸發電路的設計要求相匹配。
[0070]當檢測單元檢測到有功功率方向是電網向風電機組倒送時，在有功功率計算結果存儲到計算存儲器中時加注標志，即:有功功率小于零。
[0071]當檢測單元檢測到風電機組輸出電壓和頻率滿足同期并網條件時，脈沖形成電路輸出一個同期并網脈沖信號，脈沖的寬度為同期并網條件滿足的時間。
[0072]檢測算法滿足在線監測、電力系統運行參數計算、等值參數辨識和二維微分方程數值求解的相關技術標準的功能和精度要求。
[0073](3)零過渡動態并網控制單元:采用高性能微處理器或工控機以及控制算法，根據從零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元獲得的零過渡動態并網條件信息、同期并網信息、有功潮流方向信息和從調度獲得并網或解列命令，對風電機組實施并網或解列控制。零過渡動態并網控制單元的控制算法滿足(2)和(3)所述要求。
[0074](4)電力電子開關單元:包括電力電子開關組件、電力電子開關觸發電路和電力電子開關保護單元。
[0075]單相電力電子開關組件結構為:一組正反極性并聯的兩個晶閘管。
[0076]三相電力電子開關組件結構為:A、B、C三相中的每一相設置正反極性并聯的兩個晶閘管，三相互相獨立，形成三個獨立的開關。三相電力電子開關組件的一側連接發電機組的濾波器，另一側連接上網耦合變壓器低壓側。三相電力電子開關組件的耐壓水平和開關能力的設計與實際應用對象相匹配，除滿足相應的技術標準和規范之外，在系統出現過電壓和過電流以及散熱系統故障情況下，三相電力電子開關組件正常工作。
[0077]電力電子開關觸發電路采用電子電路，每一相電力電子開關觸發電路設置三個輸入端口和兩個輸出，一個輸入端連接電力電子開關組件的電壓和電流的過零檢測信號，以過零點為觸發脈沖的中心點，形成過零觸發脈沖，用于維持電力電子開關組件的正常工作；一個輸入端連接零過渡動態并網條件滿足脈沖信號;一個輸入端連接零過渡動態并網控制單元輸出的并網控制電平信號，該信號分別與“并網條件滿足脈沖信號”和“過零觸發脈沖”進行“與”運算，形成的并網觸發脈沖和運行觸發脈沖;并網觸發脈沖和運行觸發脈沖通過功率放大、脈寬調制和脈沖變壓器電磁隔離后從觸發電路的兩個輸出端口分別接入正反極性并聯的兩個晶閘管的門極端(G)和陰極端(K)。
[0078]電力電子開關保護單元設置有散熱器、溫控保護、暫態和穩態過電壓保護、快熔過電流保護、電壓變化率保護、電流變化率保護以及當系統發生短路、諧振、缺相故障時，封閉電力電子開關觸發脈沖的軟件保護。
[0079]工作原理是:
(I)零過渡動態并網信號單元
首先通過前置處理單元將電網、風電機組和并網開關各側安裝三相交流電壓互感器和電流互感器二次側的電壓信號和電流信號轉換為多路模擬量同步數據采集單元可接受的模擬電壓信號，并且進行濾波、去噪處理。然后通過采樣微處理器控制多路模擬量同步數據采集單元從前置處理單元輸出讀取經過轉換和濾波的電網、風電機組和電力電子開關各側安裝三相交流電壓互感器和三相電流互感器的二次側輸出信號端的數據，并將其數據帶時標從指定端口存儲到雙口存儲器。
[0080](2)零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元
通過從總線從雙口存儲器的另一個端口讀取數據，獲得電網、風電機組和并網開關各偵Ij的電流和電壓瞬時值(OT、iT,UF>iF-,UL>ii)，計算出各側的三相電壓和電流的幅值和相位、有功功率和無功功率的大小及方向、功率因數以及系統頻率和等值參數，并將計算結果存儲到計算存儲器中。
[0081]當檢測單元檢測到有功功率方向是電網向風電機組倒送時，在有功功率計算結果存儲到計算存儲器中時加注標志，即:有功功率小于零。
[0082]當檢測單元檢測到零過渡動態并網條件滿足時，即:當檢測單元檢測到并網開關兩側的電壓和電流瞬時值以及系統等值參數使并網時并網開關的動態電壓和動態電流的衰減非周期分量接近零時，脈沖形成電路輸出一個“零過渡動態并網條件滿足脈沖信號”。
[0083]當檢測單元檢測到風電機組輸出電壓和頻率滿足同期并網條件時，脈沖形成電路輸出一個同期并網脈沖信號，脈沖的寬度為同期并網條件滿足的時間。
[0084](3)零過渡動態并網控制單元
根據從零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元獲得零過渡動態并網條件信息、從風電機組逆變器獲得同期并網信息、從調度獲得并網或解列命令，對并網實施并網或解列控制。
[0085](4)電力電子開關單元
接受零過渡動態并網控制單元并網和解列的控制信號，實現風電機組接入電網和從電網退出功能。
[0086]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
【主權項】
1.一種風電機組零過渡動態并網方法，其特征在于，包括下列步驟: 步驟I，風電機組AC/DC和DC/AC變換器整流與逆變，具體是:先通過交/直流變換器將風電機組輸出的非工頻(S卩:非50Hz頻率)的交流電壓源整流為直流電壓源，然后通過直/交流變換器將直流電壓源逆變為工頻的交流電壓源;工作在四個狀態，分別是: 狀態一:停運狀態，工作在發電系統不具備發電條件、按計劃停運或設備檢修的情況下； 狀態二:待機狀態，工作在發電條件不穩定或電網對風電場發電功率具有限制性要求的情況下； 狀態三:并網狀態，工作在檢測風電機組并網條件和實現并網過程的情況下； 風電機組并網條件:同時滿足同期條件和零過渡并網條件； 實現并網過程:風電機組并網逆變器與并網電力電子開關相配合，由風電機組并網逆變器通過調整機組輸出的交流電壓的頻率、幅值和相位，以滿足同期條件的要求;并網電力電子開關在同期條件滿足的基礎上，動態檢測零過渡并網條件，當零過渡并網條件滿足時，并網電力電子開關閉合，實現風電機組安全、無沖擊動態并網； 狀態四:發電狀態，工作在風電機組輸出的有功功率大于零的情況下； 步驟2，電網、機組和并網開關電物理量數據采集:通過在電網、風電機組和并網開關各側安裝三相交流電壓互感器和電流互感器進行實時同步數據采集，并將同步采集的三相電壓和電流數據加注時標后存儲起來，并根據這些數據計算出頻率、三相電壓和電流的幅值和相位、有功功率、無功功率和功率因數，同時實時計算出系統的等值參數，為確定同期條件和零過渡并網條件提供實時數據； 步驟3，零過渡動態并網條件檢測:實時檢測電力電子開關兩側三相電壓和三相電流，動態確定濾波器電容電壓和耦合變壓器的電流兩個狀態變量的初始值和系統等值參數，即:系統等值電阻和系統等值電抗，兩初始值使注入電網的動態電壓的非周期分量接近零的條件確定為零過渡動態并網條件；當零過渡動態并網條件滿足時控制系統自動生成一個脈沖信號，該信號為零過渡動態并網條件信號;脈沖的寬度和幅值需要與實際控制系統和電力電子開關觸發電路的設計要求相匹配； 步驟4，并網開關與風電機組并網逆變器協調控制:并網開關包括并網斷路器和電力電子開關，電力電子開關與并網斷路器配合運行；并網開關的運行原則是電力電子開關用于風電機組接通電網和從電網斷開，以避免在風電機組在并網和解列過程中產生過電壓和過電流;并網斷路器在風電機組穩定發電狀態下閉合，在停運狀態和并網、解列過程中斷開，以降低并網開關運行過程中的電能損耗； 步驟5，有功潮流方向檢測與零過渡動態并網控制。2.根據權利要求1所述的一種風電機組零過渡動態并網方法，其特征在于，所述的步驟4中，并網開關與風電機組并網逆變器協調控制包括兩個狀態: 狀態一:當風電機組處于并網狀態，風電機組并網逆變器處于同期并網工作狀態，將風電機組輸出的電壓頻率、幅值和相位調整到與電網一致，即:保證風電機組同期并網條件；當風電機組處于穩定發電狀態時，風電機組并網逆變器處于發電控制工作狀態，控制風電機組輸出的三相電壓、電流、功率和頻率，完成風力發電過程；當風電機組停運或檢修狀態時，風電機組并網逆變器處于停運狀態；當風電機組處于不穩定發電狀態時，即:風電機組時而具備發電條件處于發電狀態，時而又不具備發電條件，風電機組從發電狀態退出，這時風電機組并網逆變器處于發電、解列和同期并網三種情況轉換工作狀態； 狀態二:當風電機組處于并網狀態，而且同期并網條件和零過渡動態并網條件同時滿足時，并網開關由斷開狀態轉變為閉合狀態；當風電機組解列時，并網開關由閉合狀態轉變為斷開狀態；當風電機組處于穩定發電狀態時，并網開關為閉合狀態；當風電機組處于停運或檢修狀態時，并網開關為斷開狀態；當風電機組處于不穩定發電狀態時，即:風電機組時而具備發電條件(風電機組電壓高于電網電壓)，處于發電狀態；時而又不具備發電條件，即:風電機組電壓低于電網電壓，風電機組將從發電狀態退出，這時并網開關工作于閉合狀態轉換到斷開狀態。3.根據權利要求1所述的一種風電機組零過渡動態并網方法，其特征在于，所述的步驟5中，有功潮流方向檢測與零過渡動態并網控制: 有功潮流方向檢測由步驟2獲得有功功率的大小和方向，當有功功率的方向是從風電機組注入電網時，風電機組處于發電狀態，零過渡動態并網控制并網開關閉合;當有功功率的方向是從電網流入風電機組時，風電機組處于待并網或待解列狀態，零過渡動態并網控制根據電力系統調度的要求或風電場安全經濟運行的需要，決定并網開關工作于并網狀態還是解列狀態;是從閉合狀態轉換到斷開狀態，還是從斷開狀態轉換到閉合狀態； 從風電場安全經濟運行角度考慮，當有功功率的方向是從電網流入風電機組時，直驅型風電機組和從并網開關電網側獲取轉子勵磁電流的雙饋型風電機組將從閉合狀態轉換到斷開狀態，即風電機組自動解列；當風電機組具備發電條件時，風電機組將從斷開狀態轉換到閉合狀態，風電機組將風能轉化為電能注入電網。4.一種風電機組零過渡動態并網裝置，其特征在于，包括零過渡動態并網信號單元，零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元，零過渡動態并網控制單元和電力電子開關單元； 零過渡動態并網信號單元的輸入端分別與電網、風電機組和電力電子開關各側安裝三相交流電壓互感器和三相電流互感器的二次側輸出信號端以及風電機組并網逆變器的同期并網條件滿足輸出信號端相連接，零過渡動態并網信號單元的輸出端與零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元的輸入端相連接;零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元的輸出端與零過渡動態并網控制單元的輸入端相連接;零過渡動態并網控制單兀的輸出端與電力電子開關單兀的輸入端相連接；電力電子開關單兀輸出端分別與風電機組濾波器和電網相連接，即當風電機組并網時，電力電子開關單元將風電機組濾波器與電網接通;當風電機組解列時，電力電子開關單元將風電機組濾波器與電網斷開。5.根據權利要求4所述的一種風電機組零過渡動態并網裝置，其特征在于，所述的零過渡動態并網信號單元包括前置處理單元和多路模擬量同步數據采集單元； 所述前置處理單元采用電子電路將電網、風電機組和并網開關各側安裝三相交流電壓互感器和電流互感器二次側的電壓信號和電流信號轉換為多路模擬量同步數據采集單元可接受的模擬電壓信號，并且進行濾波、去噪處理； 所述多路模擬量同步數據采集單元設置I個采樣微處理器、3個8路帶有采樣保持的模擬量交流采樣獨立通道的采樣電路、I個模數AD轉換器、一個雙口存儲器和工業總線； 采樣微處理器控制3個8路采樣電路從前置處理單元輸出讀取經過轉換和濾波的電網、風電機組和電力電子開關各側安裝三相交流電壓互感器和三相電流互感器的二次側輸出信號端的數據，并將其數據帶時標從指定端口存儲到雙口存儲器;數據存儲采用循環方式；數據通信采用總線方式； 采樣頻率、模數轉換位數、存儲器容量和總線方式的選擇需要與控制單元配合，采用常規設計方法考慮不低于1.5倍的冗余量。6.根據權利要求4所述的一種風電機組零過渡動態并網裝置，其特征在于，所述的零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元:包括計算模塊、計算存儲器和脈沖形成電路； 所述計算模塊采用高性能微處理器或工控機以及檢測算法，通過從總線從雙口存儲器的另一個端口讀取數據，獲得電網、風電機組和并網開關各側的電流和電壓瞬時值，計算出各側的三相電壓和電流的幅值和相位、有功功率和無功功率的大小及方向、功率因數以及系統頻率和等值參數，并將計算結果存儲到計算存儲器中； 脈沖形成電路采用電子電路，當檢測單元檢測到并網開關兩側的電壓和電流瞬時值以及系統等值參數使并網時并網開關的動態電壓和動態電流的衰減非周期分量接近零時，脈沖形成電路輸出一個零過渡動態并網條件滿足脈沖信號，該脈沖信號幅值和脈寬需要與實際控制系統和電力電子開關觸發電路的設計要求相匹配； 當檢測單元檢測到有功功率方向是電網向風電機組倒送時，在有功功率計算結果存儲到計算存儲器中時加注標志，即:有功功率小于零； 當檢測單元檢測到風電機組輸出電壓和頻率滿足同期并網條件時，脈沖形成電路輸出一個同期并網脈沖信號，脈沖的寬度為同期并網條件滿足的時間； 檢測算法滿足在線監測、電力系統運行參數計算、等值參數辨識和二維微分方程數值求解的相關技術標準的功能和精度要求。7.根據權利要求4所述的一種風電機組零過渡動態并網裝置，其特征在于，所述的零過渡動態并網控制單元采用高性能微處理器或工控機以及控制算法，根據從零過渡動態并網條件檢測與有功潮流方向檢測單元獲得的零過渡動態并網條件信息、同期并網信息、有功潮流方向信息和從調度獲得并網或解列命令，對風電機組實施并網或解列控制。8.根據權利要求4所述的一種風電機組零過渡動態并網裝置，其特征在于，所述的電力電子開關單元包括電力電子開關組件、電力電子開關觸發電路和電力電子開關保護單元； 單相電力電子開關組件結構為:一組正反極性并聯的兩個晶閘管； 三相電力電子開關組件結構為:A、B、C三相中的每一相設置正反極性并聯的兩個晶閘管，三相互相獨立，形成三個獨立的開關;三相電力電子開關組件的一側連接發電機組的濾波器，另一側連接上網耦合變壓器低壓側;三相電力電子開關組件的耐壓水平和開關能力的設計與實際應用對象相匹配，除滿足相應的技術標準和規范之外，在系統出現過電壓和過電流以及散熱系統故障情況下，三相電力電子開關組件正常工作； 電力電子開關觸發電路采用電子電路，每一相電力電子開關觸發電路設置三個輸入端口和兩個輸出，一個輸入端連接電力電子開關組件的電壓和電流的過零檢測信號，以過零點為觸發脈沖的中心點，形成過零觸發脈沖，用于維持電力電子開關組件的正常工作;一個輸入端連接零過渡動態并網條件滿足脈沖信號;一個輸入端連接零過渡動態并網控制單元輸出的并網控制電平信號，該信號分別與“零過渡動態并網條件滿足脈沖信號”和“過零觸發脈沖”進行“與”運算，形成的并網觸發脈沖和運行觸發脈沖;并網觸發脈沖和運行觸發脈沖通過功率放大、脈寬調制和脈沖變壓器電磁隔離后從觸發電路的兩個輸出端口分別接入正反極性并聯的兩個晶閘管的門極端(G)和陰極端(K); 電力電子開關保護單元設置有散熱器、溫控保護、暫態和穩態過電壓保護、快熔過電流保護、電壓變化率保護、電流變化率保護以及當系統發生短路、諧振、缺相故障時，封閉電力電子開關觸發脈沖的軟件保護。
【文檔編號】H02J3/38GK105958528SQ201610309584
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月11日
【發明人】李曉明, 劉芬, 劉恒
【申請人】武漢大學