CN102064714B

CN102064714B - 双馈型风电变频器

Info

Publication number: CN102064714B
Application number: CN2010105694398A
Authority: CN
Inventors: 岳文开; 李红; 李康乐; 孙建平; 司军民; 赵安定; 寇金华; 张雅琨; 张梅
Original assignee: Yongji Xinshisu Electric Equipment Co Ltd
Current assignee: CRRC Yongji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2030-12-02
Also published as: CN102064714A

Abstract

本发明涉及变频器，具体为一种双馈型风电变频器。解决大功率双馈型风电变频器不具备低压穿越功能的问题。该双馈型风电变频器包括滤波电路、含有IGBT的整流电路和逆变电路以及对整流电路和逆变电路实施控制的控制单元，逆变电路的交流输出端连接有由二极管构成的整流电路，由二极管构成的整流电路的直流输出回路连接有晶闸管和四个分别由电阻、IGBT串接而成的并联支路；控制单元的信号采集输入端与含有IGBT的整流电路的直流输出端相连，控制单元的控制信号输出端分别与晶闸管和各并联支路中的IGBT的触发控制端相连。本发明实现了变频器的低压穿越功能，填补了国内双馈风电变频器在此功率等级上无低压穿越功能的空白。

Description

双馈型风电变频器

技术领域

本发明涉及变频器，具体为一种双馈型风电变频器。

背景技术

在经济快速发展的今天，能源枯竭问题已是人类面临的一个重大问题，开发和利用可再生能源对于人类生存环境的改善意义重大，可再生能源包括太阳能、风能和生物质能等，其中的风能是最具大规模开发利用前景的可再生无污染的新能源。

对于现行国家电网和各风场的要求，变频器必须有低压穿越功能方可挂机运行。所谓低压穿越功能就是要求在外部电网故障下，风力发电机具有不间断运行能力，比如在电压骤降的扰动下，发电机不能从电网上解列，以免引发更大的后续扰动和更严重的故障。

目前，市场上双馈型风电变频器主要以1.5MW功率等级为主流，但风力发电的方向是增加风场在风力资源高峰期的发电量，降低风电机组的实际运行成本，提高机组发电效率，为了满足这种需求，现在更大功率的3MW电机已应运而生。但是3MW的变频器还不具备低压穿越功能。

发明内容

本发明解决大功率双馈型风电变频器不具备低压穿越功能的问题，提供一种具有低压穿越功能的双馈型风电变频器。

本发明是采用如下技术方案实现的：双馈型风电变频器，包括滤波电路U1、含有IGBT的整流电路U2和逆变电路U3以及对整流电路和逆变电路实施控制的控制单元U4，逆变电路U3的交流输出端连接有由二极管构成的整流电路U5，由二极管构成的整流电路U5的直流输出回路连接有晶闸管T1和四个分别由电阻R2-R4、IGBT T2-T4串接而成的并联支路；控制单元U4的信号采集输入端与含有IGBT的整流电路U2的直流输出端（直流母线）相连，控制单元U4的控制信号输出端分别与晶闸管T1和各并联支路中的IGBT T2-T4的触发控制端相连。工作时，交流 690V电网电压经过滤波电路U1后，进入整流电路U2和逆变电路U3，实现交－直－交转换，然后向发电机转子供400V左右的交流电压。当电网电压发生故障时，如电网电压突降时，发电机发出的功率不能及时送出，导致定子侧产生很大的故障电流。由于定、转子之间的强耦合，故障电流立即被传递到转子侧；又因为电压骤降导致电磁转矩变小，运行滑差增大，使馈入转子的功率增加，进一步引起转子回路的过电压和过流。转子能量流经逆变电路后，一部分被整流电路传递到电网，其余的为直流母线电容充电，导致母线电压快速升高。如果不及时采取保护措施，定、转子绕组仅靠自身电阻和漏抗不足以抑制浪涌电流，过大的电流和电压将导致变频器、电机的定转子绕组损坏。在此系统中，控制单元U4采集到该电压升高信号，控制晶闸管T1导通，并控制逆变电路U3停止工作，同时控制单元U4在相应软件的支持下，根据电网故障的不同情况及电机转子电流的大小触发相应并联支路中的IGBT而投入不同的电阻，如在刚开始阶段，电网发生严重对称电压跌落故障后，为在不致引起直流母线电压超过阈值的情况下，投入大值制动电阻，以抑制瞬时电压、电流冲击。在躲过最严重冲击之后（约3-4个电网周期），迅速减小制动电阻阻值，以加快电磁过渡过程，使机件免受长时震荡的危害。这样，用制动电阻将电机转子短路，即短接转子绕组，此时双馈发电机就如同一台鼠笼式异步发电机，当电网恢复正常时，控制单元U4再切除制动电阻，使双馈电机恢复正常工作。从上述的工作过程可以看出，控制单元U4的作用是在实现对整流电路和逆变电路的常规控制外，通过对直流母线电压的检测，实现适时对晶闸管、各并联支路中的IGBT以及逆变电路的控制，来实现低压穿越功能。实现上述功能的控制单元的电路结构对所属领域技术来讲是容易实现的，并且可容易地有多种电路结构变型。

本发明所述的滤波电路为LCL滤波电路，即所述滤波电路由两两串接于每相的六个电感L1、L2和三个呈三角形连接的电容C1、C2、C3构成，三个电容形成的三角形连接的三个角部节点分别与串接于每相的两个电感的中间节点相连；为了防止LCL滤波电路产生谐振，本发明在LCL滤波电路中，三个电容形成的三角形连接的三个角部节点与串接于每相的两个电感的中间节点之间分别串接有阻尼电阻。

本发明所述的双馈型风电变频器通过增设相应电路结构，实现了变频器的低压穿越功能，填补了国内大功率双馈风电变频器无低压穿越功能的空白，提高了风电机组的运行效率和可靠性，同时增加了风场的经济效益。本发明电路结构设计合理、新颖，运行安全、可靠。

附图说明

图1为本发明所述的双馈型风电变频器的电气原理图。

图中TA1-TA9和TV1-TV6分别为电流和电压传感器，采集到的电流和电压信号进入控制单元；QF1为断路器，即电机并网开关；KM1、KM2为空气开关，用于对主电路和辅助电路的合闸和充电控制；FU1、FU2为熔断器，对主电路起保护作用，主要是防止主电路中电流过大。

具体实施方式

双馈型风电变频器，包括滤波电路U1、含有IGBT的整流电路U2和逆变电路U3以及对整流电路和逆变电路实施控制的控制单元U4，逆变电路U3的交流输出端连接有由二极管构成的整流电路U5，由二极管构成的整流电路U5的直流输出回路连接有晶闸管T1和四个分别由电阻R2-R4、IGBT T2-T4串接而成的并联支路；控制单元U4的信号采集输入端与含有IGBT的整流电路U2的直流输出端（直流母线）相连，控制单元U4的控制信号输出端分别与晶闸管T1和各并联支路中的IGBT T2-T4的触发控制端相连。所述的滤波电路为LCL滤波电路，即所述滤波电路由两两串接于每相的六个电感L1、L2和三个呈三角形连接的电容C1、C2、C3构成，三个电容形成的三角形连接的三个角部节点分别与串接于每相的两个电感的中间节点相连；为了防止LCL滤波电路产生谐振，本发明在LCL滤波电路中，三个电容形成的三角形连接的三个角部节点与串接于每相的两个电感的中间节点之间分别串接有阻尼电阻。为改善散热，所述的阻尼电阻由两个相互并联的电阻构成。

具体实施时，对于电网故障时投入电阻阻值的选取不能过大也不能过小，电阻过大虽然可以避免电机转子绕组侧瞬时产生的过电压、过电流，但会引起直流母线超过阈值，损坏转子侧逆变器；制动电阻过小虽然可以使电机的有功无功功率、变频器的直流母线电压并无大的波动，但会在电机定、转子绕组中产生很大的瞬时电流，同时电磁转矩震荡幅值很大，从而威胁定转子绕组、电机轴承的安全。鉴于以上原因，本发明制动电阻采用四级不同阻值的电阻，根据电网故障的不同情况及电机转子电流的大小投入不同的电阻，如在刚开始阶段，电网发生严重对称电压跌落故障后，为在不致引起直流母线电压超过阈值的情况下，投入大值制动电阻，以抑制瞬时电压、电流冲击。在躲过最严重冲击之后（约3-4个电网周期），迅速减小制动电阻阻值，以加快电磁过渡过程，使机件免受长时震荡的危害。本具体实施方式中各并联支路中的电阻R2-R4分别选取3欧姆、1.8欧姆、0.6欧姆、0.3欧姆。工作原理为：当电网电压骤降至15%，此时投入阻值为3欧姆的制动电阻，以抑制过大的定、转子电流，同时切除转子侧逆变器，有功功率电流指令给定为0，此后再根据电网电压故障情况的不同，投入不同阻值的制动电阻。当故障恢复50ms后，切除制动电阻，转子侧逆变器重新投入工作，双馈电机重新以额定功率运行。

为保证控制单元供电的可靠性，该变频器还包括控制单元的供电电路，供电电路由与电网电压相连的变压器B1和与变压器输出端相连的UPS电源构成。690V电网电压经过变压器B1变压后，经过UPS电源给控制电路供电，以确保在电网电压出现故障时，控制单元仍能延时可靠工作，直至故障消除或变频器脱网。

Claims

1.一种双馈型风电变频器，包括滤波电路（U1）、含有IGBT的整流电路（U2）和逆变电路（U3）以及对整流电路和逆变电路实施控制的控制单元（U4），其特征在于逆变电路（U3）的交流输出端连接有由二极管构成的整流电路（U5），由二极管构成的整流电路（U5）的直流输出回路连接有晶闸管（T1）和四个分别由电阻（R2-R5）、IGBT（T2-T5）串接而成的并联支路；控制单元（U4）的信号采集输入端与含有IGBT的整流电路（U2）的直流输出端相连，控制单元（U4）的控制信号输出端分别与晶闸管（T1）和各并联支路中的IGBT（T2-T5）的触发控制端相连；各并联支路中的电阻（R2-R5）分别选取3欧姆、1.8欧姆、0.6欧姆、0.3欧姆。

2.根据权利要求1所述的双馈型风电变频器，其特征为：滤波电路由两两串接于每相的六个电感（L1、L2）和三个呈三角形连接的电容（C1、C2、C3）构成，三个电容形成的三角形连接的三个角部节点分别与串接于每相的两个电感的中间节点相连，三个电容形成的三角形连接的三个角部节点与串接于每相的两个电感的中间节点之间分别串接有阻尼电阻。

3.根据权利要求2所述的双馈型风电变频器，其特征为：阻尼电阻由两个相互并联的电阻构成。

4.根据权利要求1或2或3所述的双馈型风电变频器，其特征为：还包括控制单元的供电电路，供电电路由与电网电压相连的变压器（B1）和与变压器输出端相连的UPS电源构成。