CN102223126A - 用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了两种用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构及其实现方法。一种是并联Crowbar结构，包括不少于两个并联的结构完全相同的Crowbar：另一种是斩波Crowbar结构，其由不少于两个可控器件并接在不控桥的输出回路中，其中至少一个可控器件串接泄放电阻。控制的方法为：检测三相电网电压、三相转子电流以及直流母线电压：将三相电网电压和三相转子电流变换得到两相静止坐标系下的电网电压和转子电流，并计算电网电压幅值和转子电流幅值：以电网电压幅值、转子电流幅值以及直流母线电压为输入，通过相应结构的变电阻Crowbar结构的并联Crowbar结构算法或斩波Crowbar结构算法获取Crowbar的控制信号，分别控制Crowbar的可控器件的开通和关断。

Description

用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构及其实现方法

技术领域

本发明涉及用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构及其实现方法。

背景技术

随着风电装机容量的不断增加，以及风电整机厂家和各零部件厂家技术水平的日益提高，风电机组应对电网故障的能力逐渐成为关注的重点。其中风电机组，尤其是双馈式风力发电机组的低电压穿越功能因为其实现难度大，而且验证困难，已经成为风电场关注的重点。基于风电场的这一要求，风电机组的各部件商均将低电压穿越功能列入其功能特点中。为了应对这一要求，业内出现了多种应对方案。比如专利申请号为201010173894.6的专利提出的一种应对电网电压跌落的方法是采用一种低电压穿越控制装置，在电网电压跌落时提升机端电压，使得电网电压跌落不对机端电压造成影响，这样，电机不至于因为机端电压随电网电压跌落引起严重的暂态过程，避免了因此对电机的损坏和控制变频器的电力电子器件的伤害。但是该方法所采用的低电压穿越控制装置导致系统成本增加过多，实现方式不够经济。专利申请号为200910068944.1的专利中提出的一种采用多套串联开关的低电压穿越应对方案，该方案虽然同样能够通过在电网电压跌落时操作各开关，使电机和控制变频器避开暂态过程，但是这些串联开关在系统正常运行时会产生极大的损耗，降低了系统的发电效率，而且对开关的响应速度要求比较高，因此较少被采用。以及专利申请号为201010266619.9的专利提出一种低电压穿越的crowbar电路，其发明的低电压穿越的Crowbar电路包括至少一套主晶闸管及由辅助晶闸管、电容和电抗器组成的辅助电路，主晶闸管和辅助电路一同实现crowbar电路的开通和关断：该发明提出的这种采用转子绕组的限流单元主要是Crowbar设备的保护策略被广泛应用，即在发生电压跌落时，投入Crowbar保持电路，将转子绕组单路，为转子磁场能量和转子电流提供消耗和续流的通道，避免暂态电流对变频器的冲击。为了实现可控关断，Crowbar电路通常有上述专利所述的改进型晶闸管或者二极管整流桥串联全控器件的结构，以在需要的时候随时被切出以恢复电机的正常运行状态。这种低电压穿越的保护方式因为实现简单，而且不对系统正常运行产生影响，因此被广泛应用。但是，难点在于泄放电阻的选择。因为选择的泄放电阻一方面要保证在暂态过程中其分压不至于太高，以至于超过直流母线电容耐压值，引起直流母线电容损坏，因此需要泄放电阻尽可能小一些。另外一方面，为了保证泄放的效果，在大滑差运行的时候依然能够在暂态过程结束之后顺利自暂态切出，需要电机在大滑差串联Crowbar电阻后异步运行时稳态电流尽可能小一些，由此就需要Crowbar电阻相对大一点。这样，电阻的大小的选择往往成为低电压穿越能够顺利通过的制约因素。常规的有源Crowbar设计更多的是考虑在提高母线耐压等级或者提升变频器的设计余量以保证Crowbar切出时的冲击电流不至于损坏设备。但这些方式实现起来都大幅度的增加了设备成本。因此，随着低电压穿越技术的发展，改进Crowbar结构，以提升低电压穿越可靠性是非常有必要的。

发明内容

本发明的发明目的在于解决上述现有技术中的问题，提供变电阻Crowbar的几种典型结构以及各自控制方法，使得采用变电阻Crowbar结构以及其配套的控制方法后，低电压穿越实现过程中，能够兼顾母线电压的安全和减小电机在大滑差串联Crowbar电阻后异步运行时稳态电流。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构，包括：

不控桥，其输入侧与电机转子出线端相连：

至少两个可控器件，接在不控桥的输出回路中：

泄放电阻，与可控器件串联或接在不控桥的输入回路中。

进一步地：

可以用至少两个不控桥组成并联Crowbar结构，各不控桥的输入侧均与电机转子出线端相连，每个不控桥的输出回路中各连接一个可控器件，在每个不控桥中，用泄放电阻与可控器件串联或接在不控桥的输入回路中。

也可以采用一个不控桥组成斩波Crowbar结构，该不控桥的输出回路中并联至少两个可控器件，至少一个可控器件串联泄放电阻，该不控桥的输入侧与电机转子出线端相连。

一种用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构的控制方法，包括如下步骤：

1)检测电网电压：

2)判断电网电压是否跌落，若电网电压跌落，则继续步骤3)，否则返回步骤1)：

3)将变电阻Crowbar的泄放电阻全部投入，即减小串入转子回路的短路电阻：在此后电网电压恢复的过程中，逐步切出变电阻Crowbar的泄放电阻，即逐步增大串入转子回路的短路电阻。

进一步地：

采用并联Crowbar结构，所述步骤3)包括如下详细步骤：

3.1)判断输入的直流母线电压和转子电流幅值，若直流母线电压大于等于设定的直流母线最大电压或转子电流幅值大于等于设定的转子电流瞬时最大电流，则控制各Crowbar同时投入，继续下面的步骤：否则不对Crowbar进行操作，继续步骤3.1)：

3.2)判断输入的直流母线电压和转子电流幅值，若直流母线电压小于等于设定的直流母线安全电压并且转子电流幅值小于等于设定的转子电流瞬时安全电流，则控制第一个Crowbar切出而保持其它Crowbar投入的状态，继续下面的步骤：否则不对Crowbar进行操作，继续步骤3.2)：

3.3)待设定的延迟时间Td到时后，控制其它Crowbar切出。

也可采用斩波Crowbar结构，所述步骤3)包括如下详细步骤：

3.1)判断输入的直流母线电压和转子电流幅值，若直流母线电压大于等于设定的直流母线最大电压或转子电流幅值大于等于设定的转子电流瞬时最大电流，则控制Crowbar的第一个可控器件闭合，投入泄放电阻，在此期间，以设定的占空比发高频脉冲信号控制其它可控器件，使其闭合或者断开，继续下面的步骤：否则不对Crowbar进行操作，继续步骤3.1)：

3.2)判断输入的直流母线电压和转子电流幅值，若直流母线电压小于等于设定的直流母线安全电压并且转子电流幅值小于等于设定的转子电流瞬时安全电流，则控制Crowbar的可控器件同时断开：否则保持Crowbar状态。

本发明的优点在于，本发明提供的变电阻Crowbar结构，能够有效地解决低电压穿越过程中无法兼顾母线电压安全和电机在大滑差串联Crowbar电阻后异步运行时稳态电流过大的问题，同时对基本的Crowbar结构改动不多，避免了不必要的成本的增加，并且实现简单。

附图说明

图1是变电阻Crowbar结构之并联Crowbar结构之一：

图2是变电阻Crowbar结构之并联Crowbar结构之二：

图3是变电阻Crowbar结构之斩波Crowbar结构之一：

图4是变电阻Crowbar结构之斩波Crowbar结构之二：

图5是变电阻Crowbar结构控制系统控制框图：

图6是变电阻Crowbar结构控制详图：

图7是变电阻Crowbar结构之并联Crowbar结构算法：

图8是变电阻Crowbar结构之斩波Crowbar结构算法。

具体实施方式

本发明涉及用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构及其实现方法。

典型实施例一为变电阻Crowbar结构之并联Crowbar结构，其结构描述及具体实施方式如下：

图1、图2是变电阻Crowbar结构中并联Crowbar结构的两种典型结构图。如图所示，该用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构的并联Crowbar结构主要包括两个以并联方式连接的Crowbar——Crowbar1、Crowbar2，其中Crowbar1和Crowbar2的结构完全相同。其中Crowbar1由不控桥G1，泄放电阻R_c1和可控器件O_c1构成，Crowbar2由不控桥G2，泄放电阻R_c2和可控器件O_c2构成。Crowbar1和Crowbar2输入侧均直接与电机转子出线端相连。

图5是变电阻Crowbar结构控制系统的结构框图，图6是变电阻Crowbar结构控制详图，图7是变电阻Crowbar结构之并联Crowbar结构算法，该用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构控制实现方法如下：

检测三相电网电压u_na、u_nb、u_nc、三相转子电流i_ra、i_rb、i_rc以及直流母线电压u_DC：

将检测到的三相电网电压u_na、u_nb、u_nc经过3/2变换得到两相静止坐标系下的电网电压u_nα、u_nβ：将检测到的三相转子电流i_ra、i_rb、i_rc经过3/2变换得到两相静止坐标系下的转子电流i_rα、i_rβ：

对计算得到的两相静止坐标系下的电网电压u_nα、u_nβ，采用均方和开根号计算出电网电压幅值u_nM：对计算得到的两相静止坐标系下的转子电流i_rα、i_rβ，采用均方和开根号计算出转子电流幅值i_rM：

用上述计算得到的电网电压幅值u_nM、转子电流幅值i_rM以及检测到的直流母线电压u_DC作为输入，通过变电阻Crowbar典型结构的并联Crowbar结构算法获取Crowbar的控制信号CB1ON和CB2ON，分别控制Crowbar1和Crowbar2的可控器件O_c1、O_c2的开通和关断。

上述变电阻Crowbar结构的并联Crowbar结构算法的具体实现过程如下：

(1)判断输入的电网电压幅值u_nM，若出现电网电压跌落的情况(例如，若连续三次输入的电网电压幅值均小于等于0.9倍的额定电网电压，便认为电网电压跌落)，则启动并联Crowbar控制，否则认为未进入电压跌落状态，不做控制。

(2)若步骤(1)经判断达到启动并联Crowbar控制条件，则判断输入的直流母线电压u_DC和转子电流幅值i_rM，若直流母线电压u_DC大于或者等于设定的直流母线最大电压u_DCMAX或转子电流幅值i_rM大于或者等于设定的转子电流瞬时最大电流i_rMMAX，则控制Crowar1和Crowbar2同时投入，即将CB1ON和CB2ON均置1，否则，不对Crowbar1和Crowbar2进行操作。

(3)若步骤(2)中判断结果为同时投入Crowar1和Crowbar2，那么继续判断输入的直流母线电压u_DC和转子电流幅值i_rM，若直流母线电压u_DC小于或者等于设定的直流母线安全电压u_DCMIN并且转子电流幅值i_rM小于或者等于设定的转子电流瞬时安全电流i_rMMIN，则控制Crowar1切出，Crowbar2状态保持，即将CB1ON置0，不对CB2ON进行操作，否则，Crowbar1和Crowbar2状态均保持。

(4)若步骤(3)的判断结果为是，即控制Crowar1切出，Crowbar2状态保持，那么计时到设定的延迟时间Td(根据控制的需要设定)后，控制Crowbar2也切出，即将CB2ON置0。

实施例一以两个Crowbar并联为例，阐述了采用变电阻Crowbar典型结构的并联Crowbar结构以及配套的变电阻Crowbar典型结构的并联Crowbar结构算法，在低电压穿越实现过程中，兼顾母线电压的安全和减小电机在大滑差串联Crowbar电阻后异步运行时稳态电流的过程如上述步骤所述。它能实现发明目的的原因是：通过上述控制算法，能够实现Crowbar的变电阻投入。在上述变电阻Crowbar典型结构的并联Crowbar结构算法的具体实现过程中，当判断存在电网电压跌落后，便启动并联Crowbar控制。当判断存在母线电压过压或者转子电流过流的情况时，控制Crowbar1和Crowbar2同时投入，即相当于此时串联进转子回路的短路电阻为R_c1和R_c2并联之后的电阻值，即(R_c1*R_c2)/(R_c1+R_c2)，由此获取的电阻值小于R_c1和R_c2中的任何一个，这样能够实现在电网电压跌落时，暂态电流较大的时候，投入的总的Crowbar电阻较小，就能避免因为投入的Crowbar电阻过大，导致其分压过大，通过转子侧变流器的不控桥加在直流母线上，导致直流母线电容因电压过高损坏。同时，从步骤(3)和(4)中可以看出，在控制算法中我们在Crowbar1和Crowbar2的切出时间上进行了控制，Crowbar2在Crowbar1切出后延迟Td切出，这样，在Crowbar1切出后，只有Crowbar2投入。在Crowbar电阻的选择上，取Crowbar1电阻稍小，Crowbar2电阻偏大，为了实现方便，可选择R_c2为两倍的R_c1。这样，投入的总的Crowbar电阻阻值增大，实现了减小电机在大滑差串联Crowbar电阻后异步运行时稳态电流的要求，同时，由于此时暂态电流已经基本衰减完成，不会因为投入的Crowbar电阻增大对直流母线电容的安全构成威胁。

根据实施例一的原理，还可以用两个以上的不控桥组成并联Crowbar结构，各不控桥的输入侧均与电机转子出线端相连，每个不控桥的输出回路中各连接一个可控器件，在每个不控桥中，用泄放电阻与可控器件串联或接在不控桥的输入回路中。

其控制方法是：当直流母线电压大于等于设定的直流母线最大电压或转子电流幅值大于等于设定的转子电流瞬时最大电流时，控制各Crowbar同时投入：当直流母线电压小于等于设定的直流母线安全电压并且转子电流幅值小于等于设定的转子电流瞬时安全电流时，则控制第一个Crowbar切出而保持其它Crowbar投入的状态：待设定的延迟时间Td到时后，控制其它Crowbar切出。

典型实施例二为变电阻Crowbar结构的斩波Crowbar结构，其结构描述及具体实施方式如下：

图3、图4是变电阻Crowbar结构的斩波Crowbar结构的两种可能的结构图。如图所示，该用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构的斩波Crowbar结构主要包括泄放电阻R_c1和可控器件O_c1构成的直流环节上并联可控器件O_c2(即图3所示结构)或者并联可控器件O_c2串联泄放电阻R_c2(即图4所示结构)构成。输入侧均直接与电机转子出线端相连。

图5是变电阻Crowbar结构控制系统的结构框图，图6是变电阻Crowbar结构控制详图，图8是变电阻Crowbar结构的斩波Crowbar结构算法，该用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构控制实现方法如下步骤：

检测三相电网电压u_na、u_nb、u_nc、三相转子电流i_ra、i_rb、i_rc以及直流母线电压u_DC：

将检测到的三相电网电压u_na、u_nb、u_nc经过3/2变换得到两相静止坐标系下的电网电压u_nα、u_nβ：将检测到的三相转子电流i_ra、i_rb、i_rc经过3/2变换得到两相静止坐标系下的转子电流i_rα、i_rβ：

对计算得到的两相静止坐标系下的电网电压u_nα、u_nβ，采用均方和开根号计算出电网电压幅值u_nM：对计算得到的两相静止坐标系下的转子电流i_rα、i_rβ，采用均方和开根号计算出转子电流幅值i_rM：

用上述计算得到的电网电压幅值u_nM、转子电流幅值i_rM以及检测到的直流母线电压u_DC作为输入，通过变电阻Crowbar典型结构的斩波Crowbar结构算法获取Crowbar的控制信号CB1ON和CB2ON，分别控制Crowbar的可控器件O_c1、O_c2的开通和关断。

上述变电阻Crowbar结构的斩波Crowbar结构算法的具体实现过程如下：

(1)判断输入的电网电压幅值u_nM，若出现电网电压跌落的情况(例如，若连续三次输入的电网电压幅值均小于等于0.9倍的额定电网电压，便认为电网电压跌落)，则启动并联Crowbar控制，否则认为未进入电压跌落状态，不做控制。

(2)若步骤(1)经判断达到启动Crowbar斩波控制条件，则判断输入的直流母线电压u_DC和转子电流幅值i_rM，若直流母线电压u_DC大于或者等于设定的直流母线最大电压u_DCMAX或转子电流幅值i_rM大于或者等于设定的转子电流瞬时最大电流i_rMMAX，则控制Crowbar的可控器件O_c1闭合，即将CB1ON置1，在CB1ON置1期间，以设定的占空比发高频脉冲信号CB2ON控制可控器件O_c2，使闭合或者断开，否则，不对Crowbar进行操作。

(3)若步骤(2)中判断结果为投入Crowbar，那么继续判断输入的直流母线电压u_DC和转子电流幅值i_rM，若直流母线电压u_DC小于或者等于设定的直流母线安全电压u_DCMIN并且转子电流幅值i_rM小于或者等于设定的转子电流瞬时安全电流i_rMMIN，则控制Crowbar的可控器件O_c1、O_c2同时断开，即将CB1ON和CB2ON同时置0，否则，Crowbar状态保持。

实施例二以两个可控器件组成的斩波Crowbar结构为例，阐述采用变电阻Crowbar典型结构的斩波Crowbar结构以及变电阻Crowbar典型结构的斩波Crowbar结构控制算法，在低电压穿越实现过程中，当判断存在电网电压跌落后，便启动并联Crowbar控制。当判断存在母线电压过压或者转子电流过流的情况时，控制O_c1闭合，即将Crowbar泄放电阻R_c1串联进转子回路中，同时在O_c1闭合期间，以设定的占空比发高频脉冲信号可控器件O_c2，使闭合或者断开，当可控器件O_c2闭合时，可控器件O_c1和泄放电阻R_c1串联的回路或者被短路(见图3)或者与可控器件O_c2和泄放电阻R_c2并联(见图4)，相当于此时Crowbar电阻为0或者(R_c1*R_c2)/(R_c1+R_c2)，当可控器件O_c2断开时，Crowbar电阻仍为R_c1，这样，相当于在实际投入的Crowbar为(R_c1-占空比*R_c1)或者(R_c1-占空比*R_c1*R_c1/(R_c1+R_c2))，这样，可以通过控制发送的高频脉冲信号的占空比来控制每个Crowbar触发过程投入的串联电阻的大小，以满足低电压穿越过程的需要。在电网电压跌落时，暂态电流较大的时候，增大占空比，这样相当于投入的总的Crowbar电阻较小。在暂态电流衰减到一定程度之后，减小占空比，相当于增大总的Crowbar电阻，以实现减小电机在大滑差串联Crowbar电阻后异步运行时稳态电流的要求。这样，同样可以满足发明的目的。

根据实施例二的原理，还可以采用在一个不控桥的输出回路中并联两个以上的可控器件组成的斩波Crowbar结构，至少一个可控器件串联泄放电阻，该不控桥的输入侧与电机转子出线端相连。

其控制方法是：当直流母线电压大于等于设定的直流母线最大电压或转子电流幅值大于等于设定的转子电流瞬时最大电流时，控制Crowbar的第一个可控器件闭合，投入泄放电阻，在此期间，以设定的占空比发高频脉冲信号控制其它可控器件，使其闭合或者断开：当直流母线电压小于等于设定的直流母线安全电压并且转子电流幅值小于等于设定的转子电流瞬时安全电流时，控制Crowbar的可控器件同时断开。

Claims (7)

1.一种用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构，其特征在于包括：

不控桥，其输入侧与电机转子出线端相连：

至少两个可控器件，接在不控桥的输出回路中：

泄放电阻，与可控器件串联或接在不控桥的输入回路中。

2.如权利要求1所述的用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构，其特征在于：

用至少两个不控桥组成并联Crowbar结构，各不控桥的输入侧均与电机转子出线端相连，每个不控桥的输出回路中各连接一个可控器件，在每个不控桥中，用泄放电阻与可控器件串联或接在不控桥的输入回路中。

3.如权利要求1所述的用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构，其特征在于：

采用一个不控桥组成斩波Crowbar结构，该不控桥的输出回路中并联至少两个可控器件，至少一个可控器件串联泄放电阻，该不控桥的输入侧与电机转子出线端相连。

4.一种用于风力发电低电压穿越的变电阻Crowbar结构的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)检测电网电压：

2)判断电网电压是否跌落，若电网电压跌落，则继续步骤3)，否则返回步骤1)：

3)将变电阻Crowbar的泄放电阻全部投入，即减小串入转子回路的短路电阻：在此后电网电压恢复的过程中，逐步切出变电阻Crowbar的泄放电阻，即逐步增大串入转子回路的短路电阻。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：

采用权利要求2所述的并联Crowbar结构：

所述步骤3)包括如下详细步骤：

3.1)判断输入的直流母线电压和转子电流幅值，若直流母线电压大于等于设定的直流母线最大电压或转子电流幅值大于等于设定的转子电流瞬时最大电流，则控制各Crowbar同时投入，继续下面的步骤：否则不对Crowbar进行操作，继续步骤3.1)：

3.2)判断输入的直流母线电压和转子电流幅值，若直流母线电压小于等于设定的直流母线安全电压并且转子电流幅值小于等于设定的转子电流瞬时安全电流，则控制第一个Crowbar切出而保持其它Crowbar投入的状态，继续下面的步骤：否则不对Crowbar进行操作，继续步骤3.2)：

3.3)待设定的延迟时间Td到时后，控制其它Crowbar切出。

6.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：

采用权利要求3所述的斩波Crowbar结构：

所述步骤3)包括如下详细步骤：

3.1)判断输入的直流母线电压和转子电流幅值，若直流母线电压大于等于设定的直流母线最大电压或转子电流幅值大于等于设定的转子电流瞬时最大电流，则控制Crowbar的第一个可控器件闭合，投入泄放电阻，在此期间，以设定的占空比发高频脉冲信号控制其它可控器件，使其闭合或者断开，继续下面的步骤：否则不对Crowbar进行操作，继续步骤3.1)：

3.2)判断输入的直流母线电压和转子电流幅值，若直流母线电压小于等于设定的直流母线安全电压并且转子电流幅值小于等于设定的转子电流瞬时安全电流，则控制Crowbar的可控器件同时断开：否则保持Crowbar状态。

7.如权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于：

所述电网电压幅值、转子电流幅值、直流母线电压通过以下步骤获得：

检测三相电网电压、三相转子电流以及直流母线电压：

将检测到的三相电网电压经3/2变换得到两相静止坐标系下的电网电压：将检测到的三相转子电流经3/2变换得到两相静止坐标系下的转子电流：

对两相静止坐标系下的电网电压采用均方和开根号计算出电网电压幅值：对两相静止坐标系下的转子电流采用均方和开根号计算出转子电流幅值。

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