CN102097825A - 一种双馈风电变流器IGBT型Crowbar切出方法 - Google Patents

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Abstract

一种双馈风电变流器IGBT型Crowbar切出方法，其特征在于，所述的切出方法是根据电流互感器采集到的定子三相电流，由Crowbar控制器构造出与Crowbar电流相关的虚拟直流电流，并根据所述的虚拟直流电流估算Crowbar电流的波谷时刻；在Crowbar控制器中同时设置Crowbar电路应该投入的最小时间和最大时间，在该时间段内的Crowbar电流的估算波谷时刻切出Crowbar电路，以减小IGBT关断时的开关应力，进而可以简化IGBT缓冲吸收电路的设计。

Description

一种双馈风电变流器IGBT型Crowbar切出方法
技术领域
本发明涉及一种双馈式风电机组变流器低电压穿越时的切出方法。
背景技术
风力发电技术迅猛发展，装机容量快速上升，风力发电在电网供电中所占比例不断提高。在风力发电占电网比例越来越大的情况下，新的并网导则要求风电机组在电网故障出现电压跌落时能够保持不脱网，并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行，也就是要求风电机组具备低电压穿越能力。
双馈式风力发电机组是当前大型风电机组中获得广泛应用的主流机型，但由于双馈式发电机的定子直接连接电网，在电网电压瞬间跌落的情况下，定子磁链作为电网电压的积分项，不能跟随定子电压突变，会产生直流分量，而转子继续旋转，会产生较大的滑差，引起发电机绕组的过压、过流。一般采用投入Crowbar短路发电机转子绕组，旁路转子变流器的方式来实现低电压穿越。Crowbar转子短路技术主要有两种拓扑结构，一种是晶闸管二极管混合桥型Crowbar电路，一种是IGBT型Crowbar电路。其中，IGBT型Crowbar电路结构如图1所示，当电网电压波动激起双馈发电机电磁暂态导致转子变流器过流时，控制G1导通，通过D1-D6组成的整流桥、IGBT G1和Crowbar电阻Rcb将发电机转子短路。电磁暂态结束后，关断G1，即切出Crowbar电路，同时恢复转子变流器运行。
考虑到Crowbar电路只在电网故障时投入以保护转子变流器，工作时间很短，故Crowbar电路电气元器件选型时裕量都很小，其中的IGBT器件也是如此。当Crowbar电路投入以后，流过IGBT(图1的G1)的电流呈振荡衰减趋势，对于1.5MW双馈机组，震荡电流的波峰和波谷差值可以达到1.5kA以上。如果在电流最小时关断IGBT，可以明显减小IGBT的开关应力，进而可以减小吸收电容的容值，简化IGBT缓冲吸收电路的设计。
判断流过IGBT电流波谷时刻的最简单方法是用传感器直接检测该电流，这势必需要改变原有系统的设计，并增加硬件成本。
目前的文献仅说明在转子电流下降到一定程度时切出Crowbar，但是对Crowbar切出的具体时刻尚未有过明确说明。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，在没有Crowbar电流检测的条件下，提供一种根据三相定子电流估计Crowbar电流波谷时刻的方法，利用该方法可以在Crowbar电流波谷附近切出Crowbar电路。
本发明切出方法是由电流互感器采集定子三相电流，送到Crowbar控制器，由Crowbar控制器根据所述的定子三相电流构造出与Crowbar电流相关的虚拟直流电流，并根据所述的虚拟直流电流估算Crowbar电流的波谷时刻；同时在Crowbar控制器中设置Crowbar电路应该投入的最小时间和最大时间，在该时间段内的Crowbar电流的估算波谷时刻切换Crowbar电路，以减小IGBT关断时的开关应力。
本发明中的Crowbar电路切出方法包括以下步骤：
(1)电流互感器采集发电机定子三相电流Isa、Isb、Isc，送到Crowbar控制器，在Crowbar控制器中将此三相电流送入软件模拟整流单元，构造出定子电流虚拟直流电流
Figure BSA00000421440900021
(2)Crowbar控制器判断构造出的直流电流Isdc的波谷时刻。判断出波谷时刻后，在之后的一段时间内Crowbar控制器进行反复判断，以确保判断出的是基波电流的波谷。
(3)Crowbar控制器找出基波波谷后，判断Crowbar电路已经投入的时间是否大于Crowbar电路应该投入的最小时间TCBMin，如果大于Crowbar电路应该投入的最小时间TCBMin，切出Crowbar电路。
(4)Crowbar控制器判断Crowbar电路已经投入的时间是否大于Crowbar电路应该投入的最大时间TCBMax，如果大于Crowbar电路应该投入的最大时间TCBMax，切出Crowbar电路。
本发明中的切出方法只在Crowbar电路投入后调用，每个采样周期Ts执行一次。
步骤(1)中的虚拟直流电流Isdc等同于三相定子电流Isa、Isb、Isc经三相全桥整流电路整流出的直流电流。
步骤(3)中的Crowbar应该投入的最小时间TCBMin的设置，是为了确保Crowbar电路投入需要的时间后才允许切出，以使Crowbar电路的投入能发挥到有效作用。
步骤(4)中的Crowbar应该投入的最大时间TCBMax的设置，是为了确保定子电流采集出现问题导致估算方法失效时，Crowbar电路也能够切出，以保护Crowbar电路不被烧毁。
步骤(3)中的TCBMin与步骤(4)中的TCBMax赋值应该保证这个时间段内有一个Crowbar电流的波谷，如果两个变量赋值相同，等同于投入Crowbar后固定时间间隔定时切出。
附图说明
图1为常用的IGBT型双馈风电变流器Crowbar电路；
图2为双馈式风力发电系统结构图；
图3为Crowbar切出算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图2所示为本发明的应用对象双馈式风电机组。如图2所示，转子变流器200通过控制双馈异步发电机100的转子有功电流和无功电流，实现发电机100的输出有功功率和无功功率解耦控制，网侧变流器300通过控制与电网交换有功功率的大小来控制直流母线电压的稳定，网侧变流器300也可以通过无功功率控制参与调节机组的功率因数。
当出现电网故障导致定子电压跌落时，Crowbar控制器500控制IGBT型Crowbar电路400动作，通过Crowbar电路400将发电机转子通过Crowbar电阻短接，旁路掉转子变流器200，进而达到保护转子变流器的目的。
当Crowbar电路400动作后，开始触发本发明中的Crowbar切出算法，算法流程图如图3所示。Crowbar控制器500基于TI公司DSP设计，具有高速运算功能。
步骤1：Crowbar控制器500以周期Ts采样双馈异步发电机100的定子三相电流Isa、Isb、Isc，经Crowbar控制器500中的软件模拟整流单元计算得到当前虚拟直流电流
Figure BSA00000421440900031
根据Isdc(n)和上一拍的Isdc(n-1)计算出电流增量ΔIsdc(n)＝Isdc(n)-Isdc(n-1)，如图3中10所示。其中，n取值为1、2、3……的正整数。
步骤2：Crowbar控制器根据ΔIsdc(n)的符号寻找波谷时刻，如图3中20所示。
步骤3：Crowbar控制器找到波谷后，在之后的程序周期中持续一段时间进行反复判断，确认找到的是基波电流的波谷，如图3中30所示。
步骤4：Crowbar控制器找到基波电流波谷后，开始判断Crowbar电路已经投入的时间是否大于Crowbar应该投入的最小时间TCBMin，如果大于，切出Crowbar电路，如图3中的流程40、50、70。
步骤5：如果条件不满足步骤4，Crowbar控制器判断Crowbar电路已经投入的时间是否大于Crowbar应该投入的最大时间TCBMax，如果大于，无条件切出Crowbar电路，如图3中的流程41或51、60、70。
步骤6：如果当前是基波电流波谷，但是Crowbar电路投入的时间小于Crowbar应该投入的最小时间TCBMin，如图3中40、51、61流程，或者当前不是基波电流波谷而且电路投入的时间小于Crowbar应该投入的最大时间TCBMax，如图3中的41、61流程，Crowbar电路保持原状态，返回，继续判断基波电流波谷时刻。
在低电压穿越投入Crowbar电路后，Crowbar控制器通过本发明可以确保在Crowbar电流的波谷时刻切出Crowbar，减小IGBT的开关应力，进而减小对Crowbar电路直流过压冲击，并可以简化IGBT的缓冲吸收电路，在一定程度上可以优化IGBT型Crowbar硬件电路的设计。

Claims (2)

1.一种双馈风电变流器IGBT型Crowbar切出方法，其特征在于，所述的切出方法是根据电流互感器采集到的定子三相电流，由Crowbar控制器构造出与Crowbar电流相关的虚拟直流电流，并根据所述的虚拟直流电流估算Crowbar电流的波谷时刻；在Crowbar控制器中同时设置Crowbar电路应该投入的最小时间和最大时间，在该时间段内的Crowbar电流的估算波谷时刻切换Crowbar电路，以减小IGBT关断时的开关应力。
2.按照权利要求1所述的双馈风电变流器IGBT型Crowbar切出方法，其特征在于，所述的切出方法包括以下步骤：
(1)电流互感器采集发电机定子三相电流Isa、Isb、Isc，并将所述的三相电流送入Crowbar控制器，由Crowbar控制器中的软件模拟整流单元根据所述的三相电流构造出定子电流虚拟直流电流
Figure FSA00000421440800011
Crowbar控制器判断所述的的虚拟直流电流Isdc的波谷时刻，并在之后的一段时间内Crowbar控制器进行反复判断，以确保判断出的是基波电流的波谷时刻；
(2)找出基波波谷时刻后，Crowbar控制器判断Crowbar电路已经投入的时间是否大于Crowbar电路应该投入的最小时间TCBMin，如果大于Crowbar电路应该投入的最小时间TCBMin，切出Crowbar电路；
(3)Crowbar控制器判断Crowbar电路已经投入的时间是否大于Crowbar电路应该投入的最大时间TCBMax，如果大于Crowbar电路应该投入的最大时间TCBMax，切出Crowbar电路。
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