CN102901919A - 双馈式感应发电系统及其有源撬棍电路的自我测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双馈式感应发电系统及其有源撬棍电路的自我测试方法。本发明利用双馈式感应发电系统的控制器执行自我测试程序来检测有源撬棍电路的回路电流大小，以判断有源撬棍电路是否能够正常导通与截止，并且在自我测试程序执行期间，双馈式感应发电系统的转子侧变流器与有源撬棍电路不会同时导通。本发明避免了双馈式感应发电系统的转子侧变流器产生过电流的问题。

Description

双馈式感应发电系统及其有源撬棍电路的自我测试方法
技术领域
本发明涉及一种双馈式感应发电系统(doubly-fed induction generatorsystem)，尤指具有有源撬棍电路(active crowbar circuit)的双馈式感应发电系统，以实现低压穿越(low-voltage ride-through，LVRT)的功能。
背景技术
现行的风力涡轮(wind turbine)主要是采用双馈式感应发电机(doubly-fedinduction generator，DFIG)来作为其主要的风力发电机。当电网发生异常而导致双馈式感应发电机的并网点电压跌落的时候，双馈式感应发电机必须要能够保持并网直到电网回复正常，从而穿越这个低电压时间(区域)。因此，一般的双馈式感应发电机需要具备低压穿越(low-voltage ride-through，LVRT)功能，以便在双馈式感应发电机并网且电网出现电压跌落时，仍然能够保持并网的一种特定的运作功能。目前广泛应用于双馈式感应发电机的低压穿越技术为有源撬棍电路(active crowbar circuit)，其用来保护双馈式感应发电机的转子侧电路，以便在电网的电压跌落而在转子侧电路中引起暂态的过电压与过电流时，将转子侧电路短路，使得转子侧电路中的涌浪电流(inrush current)能够释放出去。
传统的有源撬棍电路与双馈式感应发电机的转子并联，且包含由二极管所组成的整流桥式电路与一IGBT(绝缘栅双极晶体管)开关以及一吸收电阻，其中整流桥式电路的每个桥臂由两个二极管互相串联而成，且IGBT开关以及吸收电阻位于有源撬棍电路的直流侧。此外，为了确保有源撬棍电路能够正常的导通及截止，当双馈式感应发电机开机(power on)后，有源撬棍电路需要进行自我测试(self-test)来检测其是否能够正常操作。公知的有源撬棍电路的自我测试方式有下列两种。第一种自我测试方式为检测有源撬棍电路的桥式电路的电压是否为零来判断检测有源撬棍电路是否能够正常操作。然而，这种自我测试方式的缺点在于当有源撬棍电路中的IGBT开关截止(turn off)时，桥臂两端的电压大小会因为寄生电容的分压而无法确定，且决定IGBT开关是否导通的电压阀值(threshold voltage)难以设计，并且需要电压传感器(voltage sensor)。第二种自我测试方式为测试有源撬棍电路中的电流大小来判断有源撬棍电路中的IGBT开关是否导通。然而，这种启动方式的缺点在于有源撬棍电路中的电阻值通常很小，例如小于1Ω。因此，若同时以脉冲宽度调制信号(PWM signal)导通了双馈式感应发电机的转子侧变流器(rotor-side converter)与有源撬棍电路中的IGBT开关，容易造成转子侧变流器产生过电流(over-current)的问题。
因此，申请人现在提出一种双馈式感应发电系统，以及其有源撬棍电路的自我测试方法，其能够对有源撬棍电路进行自我测试，且不会让双馈式感应发电机的转子侧变流器产生过电流的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有能够进行自我测试的有源撬棍电路的双馈式感应发电系统，以及其有源撬棍电路的自我测试方法，其能够对有源撬棍电路进行自我测试，且不会让双馈式感应发电系统的转子侧变流器产生过电流的问题。
根据本发明的主要实施态样，其提出一种有源撬棍电路的自我测试方法，其中该有源撬棍电路应用于一双馈式感应发电系统中且该双馈式感应发电系统包含一转子与一转子侧变流器，该方法包含下列步骤：(I)驱动该转子侧变流器导通，以便让转子侧变流器控制该转子的电流，使得该转子的电流的有效值维持一预定的较小值；；(II)驱动转子侧变流器截止并且驱动该有源撬棍电路导通；(III)判断该有源撬棍电路是否能够正常导通；(IV)驱动该有源撬棍电路截止；以及(V)判断该有源撬棍电路是否能够正常截止。
根据本发明的另一实施态样，其提出一种双馈式感应发电系统，其包含一转子；一转子侧变流器，与该转子连接，用以提供一交流电压来驱动该转子以产生力矩；一有源撬棍电路，与该转子并联，用以保护该转子与该转子侧变流器以避免该转子与该转子侧变流器遭受过电压与过电流的情形；以及一控制器，连接至该转子侧变流器与该有源撬棍电路，用以对该有源撬棍电路进行一自我测试程序以判断该有源撬棍电路是否能够正常导通与截止，其中自我测试程序经由检测该有源撬棍电路的回路电流以判断该有源撬棍电路是否能够正常导通与截止，并且该转子侧变流器与该有源撬棍电路在自我测试程序执行期间不会同时导通。
本发明的有益效果在于，本发明提出一种具有能够进行自我测试的有源撬棍电路的双馈式感应发电系统，其能够让双馈式感应发电系统的控制器在双馈式感应发电系统并网前，对有源撬棍电路进行自我测试。由于在有源撬棍电路进行自我测试期间，会检测有源撬棍电路的回路电流大小来判断有源撬棍电路是否能够正常导通与截止，且双馈式感应发电系统的转子侧变流器与有源撬棍电路不会同时导通，因此避免了双馈式感应发电系统的转子侧变流器产生过电流的问题。
附图说明
图1显示本发明的双馈式感应发电系统的示意图；
图2为双馈式感应发电系统软启动后直至并网前转子的等效电路；
图3为有源撬棍电路导通时转子的等效电路；以及
图4为有源撬棍电路的回路电流对时间的关系图。
其中，附图标记说明如下：
电网(grid)Vg
三相开关S1-a，S1-b，S1-c
开关S3-a，S3-b，S3-c
开关S4-a，S4-b，S4-c
电阻R3-a，R3-b，R3-c
电感L2-a，L2-b，L2-c
电阻R2-a.R2-b.R2-c
电容C2-a，C2-b，C2-c
电网侧变流器(grid-side converter)104
转子侧变流器(rotor-side converter)106
直流链接电容(DC-link capacitor)Co
控制器102
du/dt滤波器L1-a，L1-b，L1-c
转子(rotor)108
定子(stator)110
并网开关MCB-1，MCB-2，MCB-3
齿轮箱(gear box)112
叶片(blade)114
有源撬棍电路116
二极管Dcb1-Dcb6
IGBT(绝缘闸双极晶体管)开关Qs1
吸收电阻Rcb
电阻Rs1
电容Cs1
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。
图1显示本发明的双馈式感应发电系统的示意图。如图1所示，本发明的双馈式感应发电系统100包含一电网(grid)Vg，用以提供一个三相交流电压。双馈式感应发电系统100还包含一软启动电路，经由三相开关S1-a，S1-b，S1-c连接至电网Vg。软启动电路由开关S3-a，S3-b，S3-c、开关S4-a，S4-b，S4-c、电阻R3-a，R3-b，R3-c组成。软启动电路用来在当双馈式感应发电系统100开机(power on)时，限制双馈式感应发电系统100的涌浪电流(inrush current)以避免双馈式感应发电系统100的电路元件因为突发的大电流而受损。电阻R3-a，R3-b，R3-c与开关S3-a，S3-b，S3-c串联，而开关S4-a，S4-b，S4-c与开关S3-a，S3-b，S3-c并联。软启动电路受一控制器102驱动，使得双馈式感应发电系统100软启动时开关S3-a，S3-b，S3-c先导通，使得电网Vg的三相交流电压先流经开关S3-a，S3-b，S3-c与电阻R3-a，R3-b，R3-c，而在软启动后，开关S4-a，S4-b，S4-c导通而开关S3-a，S3-b，S3-c截止，使得电网Vg的三相交流电压流经开关S4-a，S4-b，S4-c。双馈式感应发电系统100还包含一LC滤波电路，其由电感L2-a，L2-b，L2-c、电阻R2-a.R2-b.R2-c、电容C2-a，C2-b，C2-c组成，其中电感L2-a，L2-b，L2-c与电阻R3-a，R3-b，R3-c串联而电阻R2-a.R2-b.R2-c与电感L2-a，L2-b，L2-c串联。电容C2-a连接于电阻R2-a与R2-b之间，而电容C2-b连接于电阻R2-b与R2-c之间。电容C2-c连接于电容C2-a与电容C2-b之间。LC滤波电路用来滤除流过电感L2-a，L2-b，L2-c的三相电流的噪声，使得流入电网Vg的三相交流电流的波形平滑化为正弦波。
双馈式感应发电系统100还包含一背对背的电压变流器组(back-to-backvoltage converters)，其由一个电网侧变流器(grid-side converter)104与一个转子侧变流器(rotor-side converter)106以背对背的方式连接而成。背对背的电压变流器组连接至电感L2-a，L2-b，L2-c，其中电网侧变流器104为一整流器(rectifier)而转子侧变流器106为一逆变器(inverter)。电网侧变流器104将电网Vg的三相交流电压整流为一直流链接电压(DC link voltage)，而转子侧变流器106将电网侧变流器104输出的直流链接电压转换成一交流电压。电网侧变流器104与转子侧变流器106中间设置一个直流链接电容(DC-linkcapacitor)Co，其作为一个能量储存装置，用以将直流链接电压中的电压涟波(voltage ripples)保持为最小值。
双馈式感应发电系统100还包含du/dt滤波器L1-a，L1-b，L1-c，连接至转子侧变流器106，用来减少转子侧变流器106输出的交流电压的du/dt值。双馈式感应发电系统100还包含一转子(rotor)108与一定子(stator)110。转子108与背对背的电压变流器组(104，106，Co)连接，其受转子侧变流器106的交流电压所驱动而建立磁场，藉此产生力矩(torque)。定子110经由并网开关MCB-1，MCB-2，MCB-3连接至电网Vg，以将所产生的电能经由并网开关MCB-1，MCB-2，MCB-3传输至电网Vg。双馈式感应发电系统100还包含一齿轮箱(gear box)112与一叶片(blade)114，其中转子108经由齿轮箱112连接至叶片114。风通过叶片114和齿轮箱112驱动双馈式感应发电系统100转动。转子侧变流器106设定为控制转子电流，而电网侧变流器104设定为控制直流链接电压。双馈式感应发电系统100还包含一有源撬棍电路116，与双馈式感应发电系统100的转子108并联，且包含由二极管Dcb1-Dcb6所组成的整流桥式电路与一IGBT(绝缘栅双极晶体管)开关Qs1以及一吸收电阻Rcb。整流桥式电路具有三个桥臂，每个桥臂由两个二极管互相串联而成，且IGBT开关Qs1以及吸收电阻Rcb位于有源撬棍电路116的直流侧。有源撬棍电路116还包含一电阻Rs1以及一电容Cs1，其彼此互相串联且跨接于IGBT开关Qs1的两电流传导端之间，其主要是作为缓冲电路以防止IGBT开关Qs1在截止的瞬间产生过高电压，造成IGBT开关Qs1损坏。
双馈式感应发电系统100还包含一控制器102，连接至软启动电路(S3-a，S3-b，S3-c、S4-a，S4-b，S4-c、R3-a，R3-b，R3-c)、电网侧变流器104、转子侧变流器106、有源撬棍电路116。控制器102用来控制软启动电路(S3-a，S3-b，S3-c、S4-a，S4-b，S4-c、R3-a，R3-b，R3-c)、电网侧变流器104、转子侧变流器106，以及有源撬棍电路116的IGBT开关Qs1的开关切换。控制器102可以对有源撬棍电路116进行自我测试，来检测有源撬棍电路116是否能够正常操作。
图2为双馈式感应发电系统100软启动后直至并网前转子108的等效电路。图3为有源撬棍电路116导通时转子108的等效电路。图4为有源撬棍电路116的回路电流对时间的关系图。在图2与图3中，电感Lm’为转子108的激磁电感。电感Lrσ为转子108的漏电感，电阻Rr为转子108的等效电阻。电压ur为转子侧变流器106输出的三相电压的其中一个相位的电压。电流ir为双馈式感应发电系统100的转子电流的其中一相的电流。电流icb为有源撬棍电路116直流侧的电流。电阻0.5Rcb为有源撬棍电路116的吸收电阻Rcb在三相电路的其中一相的等效值。需注意的是图3的等效电路亦包含du/dt滤波器的其中之一(L1-a，L1-b，或L1-c)，然而du/dt滤波器的电感值很低可以忽略不计，因此未显示于图3。关于控制器102所实现的对有源撬棍电路116的开机自我测试方法，将于底下配合图1到图4详细说明。
当双馈式感应发电系统100开机时，控制器102驱动电网侧变流器104先启动，以便在直流链接电容Co上建立直流链接电压(直流总线电压)。接下来，控制器102在双馈式感应发电系统100并网前，将转子侧变流器106导通，以便让转子侧变流器106控制转子电流ir，使得转子电流ir的有效值维持一预定的较小值，如图2所示。在这种情形下，定子110的电压不会超过电网Vg的电压。接下来，在时间t1时，控制器102驱动转子侧变流器106截止，并且驱动有源撬棍电路116的IGBT开关Qs1导通。此时，若IGBT开关Qs1正常工作，则可以检测到转子电流流入有源撬棍电路116中，如图3所示。此时，有源撬棍电路116直流侧的电流icb会如图4的虚线所示按照指数规律衰减。若在一预设时间内连续检测到有源撬棍电路116的直流侧的电流icb大于一个预设电流值Icb0，则可判断有源撬棍电路116可以正常导通。反之，控制器102会将双馈式感应发电系统100关机并向系统回报有源撬棍电路116故障而无法正常导通。
接下来，在时间t2时，控制器102驱动有源撬棍电路116的IGBT开关Qs1截止。此时，有源撬棍电路116的直流侧的电流icb会立即减小到0。若在该预设时间内连续检测到有源撬棍电路116的直流侧的电流icb小于预设电流值Icb0，则可判断有源撬棍电路116可以正常截止。反之，有源撬棍电路116的直流侧的电流icb会继续按照图4虚线所示指数规律衰减，并且控制器102会将双馈式感应发电系统100关机并向系统反馈有源撬棍电路116故障而无法正常截止。若是有源撬棍电路116能够正常的导通与截止，则在时间t3控制器102驱动转子侧变流器106重新导通，使得双馈式感应发电系统100能够并网，并且将其所产生的电力经由并网开关MCB-1，MCB-2，MCB-3传输至电网Vg，以便对双馈式感应发电系统100进行并网控制。
综合上述，本发明提出一种具有能够进行自我测试的有源撬棍电路的双馈式感应发电系统，其能够让双馈式感应发电系统的控制器在双馈式感应发电系统并网前，对有源撬棍电路进行自我测试。由于在有源撬棍电路进行自我测试期间，会检测有源撬棍电路的回路电流大小来判断有源撬棍电路是否能够正常导通与截止，且双馈式感应发电系统的转子侧变流器与有源撬棍电路不会同时导通，因此避免了双馈式感应发电系统的转子侧变流器产生过电流的问题。
本发明得由本技术领域的技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求所欲保护者。

Claims (11)

1.一种有源撬棍电路的自我测试方法，其中该有源撬棍电路应用于一双馈式感应发电系统中且该双馈式感应发电系统包含一转子与一转子侧变流器，该方法包含下列步骤：
驱动该转子侧变流器导通，以便让转子侧变流器控制该转子的电流，使得该转子的电流的有效值维持一预定值；
驱动转子侧变流器截止并且驱动该有源撬棍电路导通；
判断该有源撬棍电路是否能够正常导通；
驱动该有源撬棍电路截止；以及
判断该有源撬棍电路是否能够正常截止。
2.如权利要求1所述的有源撬棍电路的自我测试方法，其特征在于，该双馈式感应发电系统还包含一电网侧变流器，并且该方法在驱动该转子侧变流器导通的步骤前，还包含下列步骤：
驱动该电网侧变流器启动，以便在该转子侧变流器的一输入端建立一直流总线电压。
3.如权利要求1所述的有源撬棍电路的自我测试方法，其特征在于，执行驱动该有源撬棍电路截止的步骤的时间比执行驱动转子侧变流器截止并且驱动该有源撬棍电路导通的步骤的时间晚一个预设的时间间隔。
4.如权利要求1所述的有源撬棍电路的自我测试方法，其特征在于，判断该有源撬棍电路是否能够正常导通的步骤还包含下列步骤：
在一段预设时间内连续检测该有源撬棍电路的回路电流是否大于一预设电流值；
若在该段预设时间内该有源撬棍电路的回路电流大于该预设电流值，判断该有源撬棍电路能够正常导通；以及
若在该段预设时间内该有源撬棍电路的回路电流小于或等于该预设电流值，判断该有源撬棍电路无法正常导通且将该双馈式感应发电系统关机。
5.如权利要求4所述的有源撬棍电路的自我测试方法，其特征在于，判断该有源撬棍电路是否能够正常截止的步骤还包含下列步骤：
在该段预设时间内连续检测该有源撬棍电路的回路电流是否小于该预设电流值；
若在该段预设时间内该有源撬棍电路的回路电流小于该预设电流值，判断该有源撬棍电路能够正常截止；以及
若在该段预设时间内该有源撬棍电路的回路电流大于或等于该预设电流值，判断该有源撬棍电路无法正常截止且将该双馈式感应发电系统关机。
6.如权利要求1所述的有源撬棍电路的自我测试方法，其特征在于，该有源撬棍电路的自我测试方法还包含下列步骤：
若判断该有源撬棍电路能够正常导通与截止，驱动该转子侧变流器重新导通，并且驱动该双馈式感应发电系统并网。
7.如权利要求6所述的有源撬棍电路的自我测试方法，其特征在于，执行驱动该转子侧变流器重新导通，并且驱动该双馈式感应发电系统并网的步骤的时间比执行驱动该有源撬棍电路截止的步骤的时间晚一个预设的时间间隔。
8.一种双馈式感应发电系统，其包含：
一转子；
一转子侧变流器，与该转子连接，用以提供一交流电压来驱动该转子建立磁场，藉此产生力矩；
一有源撬棍电路，与该转子并联，用以保护该转子与该转子侧变流器以避免该转子与该转子侧变流器遭受过电压与过电流的情形；以及
一控制器，连接至该转子侧变流器与该有源撬棍电路，用以对该有源撬棍电路进行一自我测试程序以判断该有源撬棍电路是否能够正常导通与截止；
其中自我测试程序经由检测该有源撬棍电路的回路电流以判断该有源撬棍电路是否能够正常导通与截止，并且该转子侧变流器与该有源撬棍电路在自我测试程序执行期间不会同时导通。
9.如权利要求8所述的双馈式感应发电系统，其特征在于，该双馈式感应发电系统还包含：
一电网侧变流器，与该转子侧变流器以背对背的组态互相连接，用以将一电网所提供的三相交流电压整流成一直流电压；
一直流链接电容，连接于该电网侧变流器与该转子侧变流器之间，用以抑制该直流电压的电压涟波。
10.如权利要求8所述的双馈式感应发电系统，其特征在于，该双馈式感应发电系统还包含一软启动电路，连接至该电网侧变流器的一输入端，用以限制该双馈式感应发电系统开机时所引起的涌浪电流。
11.如权利要求8所述的双馈式感应发电系统，其特征在于，该双馈式感应发电系统还包含一du/dt滤波器，连接至该转子侧变流器的一输出端，用以减少该转子侧变流器输出的交流电压的du/dt值。
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