CN102187567B - 双馈感应电机的保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双馈感应电机的保护系统，其中保护系统包括与转子连接的撬杠、布置在DC链路中的一个DC斩波器、转换器控制器以及独立的保护装置，该独立的保护装置控制DC斩波器和撬杆。为了保护DC斩波器不会过热，保护装置计算DC斩波器的起动脉冲的数量或者测量DC斩波器的操作时间，其中DC斩波器的最小断开时间取决于DC斩波器的前一操作周期中的起动脉冲的数量或者操作时间的量。转换器控制器通过使用双馈感应电机的电机模型和测得的定子电压值、定子电流值和定子与转子电压间的角度值来估计转子电流。如果确定了临界撬杠电流，则通过转换器控制器来将双馈感应电机从电网断开。

Description

双馈感应电机的保护系统

技术领域

本发明涉及一种双馈感应电机的保护系统，该系统包括具有定子和转子的双馈感应电机，所述双馈感应电机的定子连接至电网，所述双馈感应电机的转子经由转换器连接至电网，所述转换器包括电机侧转换器、DC链路和线路侧转换器，该系统还包括：连接至转子的至少一个撬杆(crowbar)、布置在DC链路中的至少一个DC斩波器、转换器控制器以及独立的保护装置。并且，本发明涉及一种保护双馈感应电机的方法、以及一种风电场(wind park)。

背景技术

双馈感应电机与单独设置的或处在风电场中的风力发电站共同使用。原则上，双馈感应电机还被用于水力发电站中。由于例如在海上风电场的情况下需要使用与电网弱连接的风电场，所以在构建双馈感应电机的控制单元时，必须考虑电网故障情况下的风力发电站的不平衡的电网操作。一个目的是避免风力发电站从电网断开(例如在电网电压下降的情况下)。为了避免风力发电站的控制单元中的损坏或者双馈感应电机的损坏，采用了所谓的“撬杆”，它被连接至双馈感应电机的转子侧，从而保护电机侧的转换器。撬杠电路可具有多种设计并且是已知的。这使得风力发电站能够克服(ride through)电网故障而不会由于过压而断开。此外，为了避免DC链路中的过压，可配备DC斩波器来降低DC链路电压。在一般的控制单元中，转换器控制器通过控制撬杠以及DC链路中的DC斩波器的操作来保护双馈感应电机。但是，转换器控制器的使用存在一个缺点，即，在不付出一些努力的情况下不能增大控制DC斩波器和撬杠的操作的采样速率，这是因为转换器控制器还控制电机侧和线路侧的转换器。

并且，从欧洲专利申请EP1965075A1已知通过单独的装置来控制撬杠。但是，仅仅控制撬杠的操作的单独的装置不适于在电网故障期间实现期望的稳定性。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种双馈感应电机的保护系统和保护方法，该保护系统和保护方法能够很容易地以高采样速率进行使用，并且提供了对双馈感应电机的很好的保护。并且，本发明的一个目的是提出对本发明的保护系统的一种有利使用。

根据本发明的第一指教实现了上述目的，其中利用独立的保护装置来控制DC斩波器和撬杠。

独立的保护装置可被构造得较小，并且由于高驱动频率(例如大约100kHz)而使其响应时间很快。与现有技术不同的是，本发明的保护装置以非常短的响应时间控制撬杠和DC斩波器，并且实现了对双馈感应电机的很高程度的保护。实现较短响应时间的开销很低，这是因为仅仅需要通过独立的保护装置提供保护功能。例如，单个现场可编程门阵列可以以低成本提供这种具有很短响应时间的功能。这还增加了平均故障间隔时间(MTBF)，这是因为与整个转换器控制器相比可以以较低复杂度来构建保护装置。此外，独立的保护装置可很容易做成EMC安全的，这就允许将保护装置放置成紧邻电磁辐射发射装置。

根据本发明的第一实施例，保护装置包括测量DC链路的电压的装置、以及至少根据测得的电压值来启动和停止DC斩波器的操作的装置、以及启动撬杆的操作的装置。测量DC链路电压允许检测转换器的临界情况，并且定义启动和停止DC斩波器或者启动撬杆的阈值。由于撬杠仅仅是被动(passive)电路，所以优选地仅仅需要提供启动信号给撬杠。“被动的”撬杠的起动脉冲在撬杠电流的零点交叉之后停止。

为了保护DC斩波器不会过热，保护装置包括对DC斩波器的起动脉冲进行计数的计数器和/或测量DC斩波器的操作时间的装置。DC斩波器中产生的热很大程度上取决于流经DC斩波器的能量。但是，该能量取决于起动脉冲的数量和DC斩波器的操作时间。根据本发明保护系统的该实施例的保护装置允许控制DC斩波器中的热，并且通过在特定时间后停止DC斩波器的操作来防止毁坏DC斩波器。

本发明的保护系统的下一个实施例提供了附加电磁安全的非常快速的信令技术，其中保护装置包括输出单元，其能够利用光纤提供DC斩波器和/或撬杆的控制信号。但是，在被动撬杠的情况下，必须提供点火装置。

根据本发明的保护系统的下一个有利实施例，转换器控制器包括控制切换单元以将双馈感应电机从电网断开的装置。如果撬杠必须提供导致撬杠过热的非常高的转子电流，这允许保护撬杠不被毁坏。转换器控制器可选地包括直接测量撬杠电流或者通过在电机侧转换器处测得的电流与转子电流之差而确定撬杠电流的装置。

但是，为了避免利用附加的A/D转换器来测量转子电流或撬杠电流的开销，根据本发明的保护系统的下一个实施例，转换器控制器包括利用估计的转子电流和在电机侧转换器测量到的电流来计算撬杆的电流的装置。由于转换器控制器负责测量几个电机状态变量，例如定子电压、定子电流、电机侧转换器电流、电机侧转换器电压、以及电网电压或电网电流，所以可以估计转子电流，因此计算出撬杠电流。如果例如积分I²t(其中I是撬杠电流，t是接通时间)呈现出与撬杠过热相关的特定值，则允许转换器将双馈感应电机从电网断开。

由于撬杠的功能是保护电机侧转换器不被毁坏，撬杠必须在非常短的时间内吸收高电流。根据本发明的保护系统的下一个优选实施例，撬杆包括具有可选择的电阻器的晶闸管，该晶闸管能够在短时间内吸收高电流。

为了为撬杠电路提供保护系统，根据优选实施例，转换器控制器所控制的切换单元包括布置在线路侧转换器路径和定子电路中的、和/或布置在线路侧转换器路径和定子电路与电网的公共连接中的开关。两种方案都允许例如由于撬杠的过热而将双馈感应电机从电网断开。

根据本发明的下一个指教，利用一种保护具有定子和转子的双馈感应电机的方法实现了上述目的，其中定子连接至电网，转子经由转换器连接至电网，转换器至少包括电机侧转换器、DC链路和线路侧转换器，保护系统还包括至少一个撬杆、至少一个DC斩波器、DC链路、转换器控制器以及独立的保护装置，其中所述独立的保护装置控制DC斩波器和撬杆的操作。已经指出，保护装置在其布置方面很灵活，允许实现很短的响应时间而不会造成高开销，并且具有提高的可靠性。

根据本发明方法的第一实施例，保护装置测量DC链路电压，并且根据用于DC链路电压的阈值来启动DC斩波器的操作。DC链路电压的阈值允许观测DC链路并且保护DC链路不会超过过压值，这是因为操作DC斩波器直接降低了DC链路电压。

但是，根据下一个实施例，优选地，保护装置对DC斩波器的起动脉冲进行计数或者测量DC斩波器的操作时间，以保护DC斩波器不会过热。利用该措施，操作时间或起动脉冲数能够被限定为特定值。

为了考虑由于前一操作周期而产生的DC斩波器的温度，优选地，根据本发明方法的下一个实施例，DC斩波器的最小断开时间取决于DC斩波器的前一操作周期中的起动脉冲的数量或者操作时间。这允许考虑前一操作周期中的DC斩波器的温度来提供DC斩波器的过热保护。

为了保护撬杠不会过热，转换器控制器控制切换单元以将双馈感应电机从电网断开。

为了使得转换器控制器保护撬杠的努力变得最小，根据本发明方法的优选实施例，转换器控制器通过利用双馈感应电机的电机模型和测得的例如定子电压、定子电流、和定子与转子电压间的角度之类的值来估计转子电流，而根据估计的转子电流与测得的电机侧转换器电流之差来确定撬杠电流。利用该措施，转换器控制器能够检测撬杠电流，并且能保护撬杠不会过热，而无需昂贵的A/D转换器。

根据本发明方法的下一个实施例，如果通过计算I²t的积分确定了撬杠的临界负载，则通过转换器控制器来将双馈感应电机从电网断开，其中I是撬杠电流，t是接通时间。积分I²t的值正比于操作期间撬杠电路的温度增长。因此，该值允许保护撬杠电路不会过热。

根据本发明的第三个指教，通过一种风电场实现了上述目的，其包括具有本发明的保护系统的至少一个风力发电站。具体地说，风电场或风力发电站具有本发明保护系统的优点，这是因为通常风电场和风力发电站面临不平衡的电网电压状态的问题，这对风力发电站的转换器来说是决定性的。总之，风力发电站的操作时间可由于本发明的保护系统而增加。不管怎样，根据本发明的对双馈感应电机的保护系统或保护方法的使用原则上对于用于发电(例如，用于水力发电)的双馈感应电机是有利的。

有多种可能性来进一步发展本发明的双馈感应电机的保护系统以及本发明的保护方法。在此，可参考权利要求1和9的从属权利要求以及结合附图描述的优选实施例。

附图说明

图1示出了本发明的双馈感应电机的保护系统的实施例的示意框图；以及

图2示出了根据本发明第二实施例的定义了DC链路电压的多个阈值的坐标轴。

具体实施方式

图1示出了具有定子2和转子3的双馈感应电机1。在本实施例中，定子2直接连接至电网4。但是，出于简洁的目的没有示出变压器。双馈感应电机1的转子3经由转换器5连接至电网4，而转换器5由电机侧转换器6、DC链路7和线路侧转换器8组成。并且，提供转换器控制器9以控制电机侧转换器6和线路侧转换器8，以便实现双馈感应电机为电网提供电能的功能。

图1所示的本发明的保护系统还包括撬杠10和独立的保护装置11。所述保护装置11连接至撬杠10，并且连接至DC链路7中布置的DC斩波器12。而且，提供了测量装置13，其通过装置31、32测量DC链路电压，从而将测得的DC链路电压的值提供给转换器控制器9。

本实施例中的独立的保护装置11通过装置14和15接收DC链路7的电压。但是，DC链路电压即使作为数字电子值也可提供给保护装置。

独立的保护装置11具有启动和停止DC斩波器12的操作以及起动撬杠的单个功能。例如，如果DC链路电压增大超过特定阈值，则DC斩波器接通。如果DC链路电压继续增大，保护装置11经由输出信号16来启动撬杠10。保护装置的输出信号16和17由输出单元提供，输出单元优选地能够经由光纤提供信号以便向被控的DC斩波器或撬杠提供EMC安全连接。

在高DC链路电压(例如由于电网故障引起的)的情况下，撬杠通过使转子短路来保护转换器的IGBT，从而抑制能量进一步从转子流向DC链路。在这种情况下，转换器控制器9断开电机侧转换器6，从而避免高电流流经其IGBT。断开电机侧转换器6的IGBT电路能够通过阈值来启动，该阈值优选地低于启动撬杠的阈值，如图2所示。转换器控制器9通过其输出信号18和19来分别控制电机侧转换器6和线路侧转换器8。转换器控制器9的第三输出信号30向测量装置13提供时钟信号，从而对转换器控制器9和测量装置13的操作进行同步。测量装置13提供测得的DC链路电压20、信号21(指的是针对转换器的IGBT电路的接通和断开的DC链路电压的阈值)、以及信号22(用于在DC链路电压进一步增大时通知撬杠将被起动)。还可以直接通过转换器控制器9来测量DC链路电压并监控阈值。

为了保护撬杠以及整个双馈感应电机不会过热或者毁坏，转换器控制器包括用于估计转子电流从而估计撬杠电流的装置。在本实施例中，转换器控制器9使用测得的电机侧转换器电流23来确定撬杠电流。

为了避免利用具有高精度的昂贵的AD转换器来测量转子电流，一种用于双馈感应电机的模型被用来估计转子电流。随后，通过估计的转子电流和测得的电机侧转换器电流23之差来确定撬杠电流。利用用于双馈感应电机的下述模型来估计转子电流。

用于双馈感应电机的定子路径的状态等式为：

${\underset{\‾}{u}}_s=r_s\·{\underset{\‾}{i}}_s+{\underset{\‾}{\overset{\·}{\mathrm{\ψ}}}}_s---\left(1\right)$

其中

u _S：定子架坐标系中的定子电压矢量，

r_s：定子的电阻，

i _s：定子架坐标系中的定子电流矢量，

ψ _s：定子架坐标系中的定子通量矢量。

转换至以定子频率旋转的同步坐标系，得到：

${\underset{\‾}{u}}_{s,\mathrm{dq}}=r_s\·{\underset{\‾}{i}}_{s,\mathrm{dq}}+j\·{\mathrm{\ω}}_s\·{\underset{\‾}{\mathrm{\ψ}}}_{s,\mathrm{dq}}+{\underset{\‾}{\overset{\·}{\mathrm{\ψ}}}}_{s,\mathrm{dq}}---\left(2\right)$

其中

u _S，dq：同步坐标系中的定子电压矢量，

i _s，dq：同步坐标系中的定子电流矢量，

ψ _s，dq：同步坐标系中的定子通量矢量，

ω_s：定子角频率。

通量分量

在电网故障之后下降得相对快，并且在稳定状态操作中为零，因此在惯例中通常被忽略。

借助于双馈感应电机的定子通量方程：

ψ _s，dq＝l_s·i_s，dq+l_m·i_r，dq                        (3)

等式(2)变为：

u _s，dq＝r_s·i _s，dq+j·ω_s·(l_s·i _s，dq+l_m·i _r，dq)    (4)

其中

l_s＝定子路径电感，

l_m＝主电感。

利用等式(4)，转子电流可被估计为：

${\underset{\‾}{i}}_{r,\mathrm{dq}}=\frac{{\underset{\‾}{u}}_{s,\mathrm{dq}}-(r_s+j\·{\mathrm{\ω}}_s\·l_s)\·{\underset{\‾}{i}}_{s,\mathrm{dq}}}{j\·{\mathrm{\ω}}_s\·l_m}---\left(5\right)$

并且转换回定子架坐标系。

在转子坐标系中测量电机侧转换器电流i _MSC，并且电机侧转换器电流i _MSC可利用转子位置角度而被转换至定子坐标系。

那么，撬杠电流i _Crowbar可被估计为：

i _Crowbar＝i _r-i _MSC                        (6)

因此，转换器控制器9能够确定撬杠电流而无需直接检测撬杠电流。仅仅需要装置24和25所检测到的定子电压和定子电流值。装置24和25的虚线示出了它们对于本发明的保护系统来说是可选的。

除了使用经由电机模型的转子电流的估计之外，甚至还可以直接使用装置26所检测到的转子电流或者可以测量通过装置27检测到的撬杠电流。

根据撬杠电流的值，转换器控制器9优选地确定积分值I²t，其中I是撬杠电流，t是接通时间，从而确定撬杠电路10的温度增长。在撬杠的临界负载的情况下，转换器控制器使用断开单元28a和/或28b来将双馈感应电机1从电网4断开。这允许双馈感应电机的电元件的非常高的保护程度。

图2示出了作为本发明实施例的用于保护双馈感应电机的不同电压值。在坐标中，示出了不同的DC链路阈值电压及其各自的功能。给出的电压示例为1100V的额定电压U_DCrated。

保护装置11处理值U_crowbar、U_chopperON和U_chopperOFF，转换器控制器9经由测量装置13来监控值“Threshold IGBT ON”、“Threshold IGBTOFF”和“Threshold crowbar ON”。

保护装置11根据两个阈值U_chopperON和U_chopperOFF来接通以及断开DC斩波器12。U_chopperON的值必须大于U_chopperOFF，例如1170V和1140V。DC斩波器12将通过将电能消散成热来降低DC链路电压。但是，还可能已经通过对起动脉冲的数量进行计数或者测量操作时间来停止DC斩波器的操作。如果DC链路电压进一步增大至第三阈值U_crowbar(其必须大于之前的值，例如1250V)，保护装置发送信号以起动撬杠10。因此，两个装置(DC斩波器12和撬杠10)仅被保护装置11所控制。

为了确保对转换器5的进一步保护，转换器控制器9通过发送各种信号的测量装置13来监控DC链路电压以及阈值。如果DC链路电压上升超过接通斩波器的值并且达到“Threshold IGBT OFF”(例如1210V)，则电机侧转换器6的IGBT断开，这是因为DC链路电压的进一步增大将导致撬杠起动，并且当撬杠由于避免高电流而被起动时IGBT必须断开。为了保证撬杠的激活可被转换器控制器正确地检测到，“Threshold crowbar ON”必须被选择成略小于U_crowbar，例如1230V，这是因为保护和测量装置的元件裕量。电机侧转换器在DC链路电压已经降低到值“Threshold IGBT ON”(例如1160V)之后将会再次接通。这确保了IGBT可操作而不会过负载。

当撬杠10接通时，撬杠的操作时间随后被转换器控制器如上文所述地观察。为了保护双馈感应电机不会毁坏或者过热，双馈感应电机1经由切换单元28a和/或切换单元28b从电网断开。因此，本发明的保护系统提供了双馈感应电机1的良好的保护系统，其甚至保护了撬杠和DC斩波器不会过热。

Claims (16)

1.一种双馈感应电机的保护系统，所述保护系统包括具有定子(2)和转子(3)的双馈感应电机(1)，所述双馈感应电机(1)的定子(2)连接至电网(4)，所述双馈感应电机(1)的转子(3)经由转换器(5)连接至电网(4)，所述转换器(5)包括电机侧转换器(6)、直流链路(7)和线路侧转换器(8)，该保护系统还包括连接至转子(3)的至少一个撬杆(10)、布置在直流链路(7)中的至少一个直流斩波器(12)、转换器控制器(9)以及独立的保护装置(11)，其中

经由独立的保护装置(11)来控制直流斩波器(12)和撬杆(10)。

2.根据权利要求1所述的保护系统，其中保护装置(11)包括测量直流链路(7)的电压的装置(14，15)、以及至少根据测得的电压值来启动和停止直流斩波器(12)的操作的装置(17)、以及启动撬杆(10)的操作的装置(16)。

3.根据权利要求1或2所述的保护系统，其中保护装置(11)包括对直流斩波器(12)的起动脉冲进行计数的计数器和／或测量直流斩波器(12)的操作时间的装置。

4.根据权利要求1所述的保护系统，其中保护装置(11)包括输出单元，其能够利用光纤(16，17)提供对于直流斩波器(12)和／或撬杆(10)的控制信号。

5.根据权利要求1所述的保护系统，其中转换器控制器(9)包括对切换单元(28a，28b)进行控制以将双馈感应电机(1)从电网(4)断开的装置(29)。

6.根据权利要求1所述的保护系统，其中转换器控制器(9)包括利用估计的转子电流和在电机侧转换器测量得到的电流来计算撬杆(10)的电流的装置。

7.根据权利要求1所述的保护系统，其中撬杆(10)包括具有可选电阻器的晶闸管。

8.根据权利要求1所述的保护系统，其中切换单元(28a，28b)包括开关，所述开关布置在线路侧转换器路径和定子电路中，或者布置在线路侧转换器路径和定子电路与电网(4)的公共连接中。

9.一种利用权利要求1至8中任一项所述的保护系统来保护双馈感应电机的方法，其中所述双馈感应电机的定子连接至电网，所述双馈感应电机的转子经由转换器连接至电网，所述转换器至少包括电机侧转换器、直流链路和线路侧转换器，该保护系统还包括至少一个撬杆、直流链路中的至少一个直流斩波器、转换器控制器以及独立的保护装置，其中

独立的保护装置控制直流斩波器和撬杆的操作。

10.根据权利要求9所述的方法，其中保护装置测量直流链路电压，并且根据用于直流链路电压的阈值来启动直流斩波器的操作。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中保护装置对直流斩波器的起动脉冲进行计数或者测量直流斩波器的操作时间。

12.根据权利要求9所述的方法，其中直流斩波器的最小断开时间取决于直流斩波器的前一操作周期中的起动脉冲的数量或者操作时间的量。

13.根据权利要求9所述的方法，其中转换器控制器控制切换单元以将双馈感应电机从电网断开。

14.根据权利要求9所述的方法，其中转换器控制器通过利用双馈感应电机的电机模型和测得的定子电压值、定子电流值、和定子与转子电压间的角度值来估计转子电流，而根据估计得到的转子电流与测得的电机侧转换器电流之差来确定撬杠电流。

15.根据权利要求9所述的方法，其中如果通过计算I²t在时间上的积分确定了撬杠的临界负载，则通过转换器控制器来将双馈感应电机从电网断开，其中I是撬杠电流，t是接通时间。

16.一种风电场，其包括具有根据权利要求1至8中任一项所述的保护系统的至少一个风力发电站。

Images