CN102957163A - 一种双馈型风力发电系统的直流斩波装置及其方法 - Google Patents

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王长永
郑剑飞
吕飞
应建平
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac

Abstract

本发明提供了一种用于双馈型风力发电系统的直流斩波装置及其方法，包括：控制单元，其输入端连接至变流器的直流电容两端，以检测一直流电压；功率电路，具有输入端、过压保护模块、整流模块和输出端。该过压保护模块包括由一放电电阻以及一开关组件构成的至少一放电单元，以及整流模块与过压保护模块并联连接。当电网电压跌落时，根据所检测的直流电压来输出相应的控制信号，以驱动开关组件导通或关断，功率电路输出端吸收来自转子冲击电流的一部分，以实现过流保护。采用本发明，在系统的电网电压跌落时，可对变流器实现过压和过流保护。此外，该直流斩波装置在投入运行时，无需封锁机侧逆变器的驱动信号，因而变流器的控制方式更加灵活。

Description

一种双馈型风力发电系统的直流斩波装置及其方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术，尤其涉及双馈型风力发电系统中的低电压穿越方法。
背景技术
随着能源危机与环境问题的日益突出，世界各国都在大力发展风力发电、太阳能发电等可再生能源事业，其中，以风力发电为例，从失速型风电系统到变速恒频风电系统，从有齿轮箱的风电系统到无需齿轮箱的直驱型风电系统，我国风电的装机容量也在快速增长。
然而，在风电装机容量不断增大的同时，其并网发电后对于电网的影响已经不能简单地忽略不计。例如，为了应对风电机组给电网造成的影响，欧洲的很多国家已制订新的规则，对并网风力发电提出了新的要求，诸如有功功率和无功功率的控制，电压和频率控制，电能质量的控制，低电压穿越功能等。当并网的风电机组满足这些要求时，即使在电网故障(如电压跌落)时也可不间断地并网运行，从而快速地向电网提供有功功率和无功功率，以便电网的电压及频率能够及时恢复和稳定。
以双馈风力发电(DFIG，Doubly Fed Induction Generator)系统为例，当实现低电压穿越时，通常在电机转子侧并联AC crowbar(撬棍电路)或者在直流环节并联DC chopper(斩波装置)，以分别防止电网电压跌落和恢复所引起的Bus过压和转子侧逆变器过流。然而，上述AC crowbar或DC chopper主要存在以下不足：1)被动式的AC crowbar：切入该crowbar同时封锁转子侧逆变器驱动信号才能进行过压和过流保护，被动式crowbar切入使双馈发电机长时间从电网吸入大量无功，对电力系统恢复稳定不利；2)主动式AC crowbar在电网电压跌落和恢复期间，需要开启转子侧逆变器从而发送无功或有功，但转子侧逆变器与AC crowbar无法同时工作，因而变流器重新工作时可能再次产生转子冲击电流和Bus过压；3)现有的DC chopper引入DFIG系统时，只能防止变流器的Bus过压，并不能防止转子侧逆变器过流，导致转子变流器器件容量选择过大；4)同时使用AC crowbar和DC chopper时，当电网电压跌落时，AC crowbar切入DFIG系统后，必须封锁转子侧逆变器的驱动信号，这将给变频器的灵活控制带来诸多不便。
有鉴于此，如何设计一种新型的保护电路，在实现变流器Bus电压过压保护的同时，还能有效地防止变流器的转子侧逆变器过流，是相关领域的技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
针对现有技术中双馈型风力发电系统所存在的上述缺陷，本发明提供一种用于双馈型风力发电系统的直流斩波装置及方法。
依据本发明的一个方面，提供了一种用于双馈型风力发电系统的直流斩波装置，所述系统包括一变流器和一双馈发电机，其中，该直流斩波装置包括：
一控制单元，具有至少一输入端和一输出端，所述控制单元的输入端电性连接至所述变流器的直流电容两端，以检测一直流电压；以及
一功率电路，电性耦接至所述变流器、所述双馈发电机和所述控制单元，其中，该功率电路包括：
一输入端，并联耦接至所述变流器中的直流电容，所述直流电容位于所述变流器的一网侧逆变器与一机侧逆变器之间；
一过压保护模块，连接至所述功率电路的输入端，包括由一放电电阻以及一开关组件形成的至少一放电单元，所述放电电阻和所述开关组件串联连接，并且所述开关组件电性连接至所述控制单元的输出端；
一整流模块，与所述过压保护模块并联连接；以及
一输出端，耦接至所述整流模块以及所述双馈发电机，
其中，当所述系统的电网电压跌落时，所述控制单元的输出端根据所检测的直流电压来输出相应的控制信号，以驱动所述开关组件导通或关断；以及所述功率电路的输出端吸收来自所述双馈发电机的转子冲击电流的一部分，以便对所述机侧逆变器进行过流保护。
其中，当所述系统的电网电压跌落，且所述控制单元所检测的直流电压大于一第一预定电压时，所述控制单元的输出端根据所述直流电压来输出一第一控制信号，以导通所述开关组件。在一实施例中，当所述系统的电网电压跌落，并且所检测的直流电压大于所述第一预定电压时，所述控制单元的另一输出端仍然向所述变流器的机侧逆变器发送驱动信号，以便所述机侧逆变器正常工作，从而双馈发电机系统将无功功率发送至电网，以补偿所述电网的当前电压。
在另一实施例中，所述放电单元还包括一续流单元，与所述放电电阻并联连接，以便在所述开关组件关断时为所述放电电阻提供续流回路。
在另一实施例中，所述过压保护模块包括多个放电单元，并且所述多个放电单元中的至少一部分放电单元中的开关组件同时导通，以投入所述过压保护模块。
在又一实施例中，所述功率电路还包括一第一共模扼流圈，设置于所述整流模块和所述功率电路的输出端之间，用于抑制共模电流。
在又一实施例中，所述功率电路还包括一第二共模扼流圈，设置于所述功率电路的输入端和所述过压保护模块之间，用于抑制共模电流。
在一实施例中，当所述控制单元所检测的直流电压小于一第二预定电压时，所述控制单元的输出端发出一第二控制信号，以关断所述开关组件。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于双馈型风力发电系统的直流斩波方法，该系统包括一变流器和一双馈发电机，其中，该系统还包括根据上述本发明一个方面所述的直流斩波装置，并且该直流斩波方法包括以下步骤：
所述控制单元实时检测所述变流器中的直流电容所加载的一直流电压；
当所述系统的电网电压跌落时，所述控制单元的输出端根据所检测的直流电压来输出相应的控制信号，以驱动所述开关组件导通或关断；以及所述功率电路的输出端吸收来自所述双馈发电机的转子冲击电流的一部分，以便对该机侧逆变器进行过流保护。
根据本发明的又一个方面，提供了一种用于双馈型风力发电系统的直流斩波方法，所述系统包括一变流器和一双馈发电机，其中，所述直流斩波方法包括：
实时检测所述变流器中的直流电容所加载的一直流电压；
当所述系统的电网电压跌落时，根据所检测的直流电压来输出相应的控制信号，以驱动一开关组件导通或关断；
当所检测的直流电压大于一第一预定电压时，根据所述直流电压来输出一第一控制信号，以导通所述开关组件；以及
当所检测的直流电压小于一第二预定电压时，根据所述直流电压来输出一第二控制信号，以关断所述开关组件。
根据本发明的再一个方面，提供了一种包括如上述本发明一个方面所述的直流斩波装置的双馈型风力发电系统。
采用本发明的直流斩波装置及其方法，将控制单元的输入端电性连接至变流器中的直流电容的两端以实时检测一直流电压，当所检测的直流电压超过预定阈值电压时，该控制单元输出一控制信号来导通开关组件，从而使能过压保护模块；与此同时，该直流斩波装置的功率电路的输出端还可吸收来自双馈发电机的转子冲击电流的一部分，从而流入该变流器的转子侧逆变器中的转子冲击电流较小，进而实现转子侧逆变器的过流保护。此外，该直流斩波装置在投入运行时，无需封锁转子侧逆变器的驱动信号，因而变流器的控制方式更加灵活。
附图说明
读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，
图1示出现有技术中的双馈型风力发电系统在实现低电压穿越时采用AC crowbar对变流器进行保护的电路示意图；
图2示出依据本发明一个方面的用于双馈型风力发电系统的直流斩波装置的电路示意图；
图3示出图2的直流斩波装置的功率电路的结构框图；
图4示出图3的功率电路的一实施例的电路图；
图5示出依据本发明另一个方面的用于双馈型风力发电系统的直流斩波方法的流程图；以及
图6示出依据本发明又一个方面的用于双馈型风力发电系统的直流斩波方法的流程图。
具体实施方式
为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。
在本申请的各个附图中，仅列出双馈型风力发电系统在低电压穿越时对变流器进行过流和/或过压保护时的相关电路、相关检测信号、相关电子组件或结构等，本领域的技术人员应当理解，在双馈型风力发电系统或其他类型的风力发电系统中，对于具有网侧逆变器和机侧逆变器的变流器、电网以及发电机的各项常用电信号进行检测和处理，以及风机并网运行时的多个处理环节如可适用于本发明，均应当以引用方式包含于此。例如，上述电信号可以是定子电流和定子电压的采样和控制、转子电流的采样和控制、电网电压和电网电流的采样和控制、并网开关的投入或切出等等。下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。
图1示出现有技术中的双馈型风力发电系统在实现低电压穿越时采用AC crowbar对变流器进行保护的电路示意图。参照图1，该系统至少包括网侧逆变器10、机侧逆变器12(或称为转子侧逆变器)、双馈发电机14、AC crowbar电路16和控制单元18。其中，控制单元18分别提供网侧逆变器10和机侧逆变器12正常运行时的驱动信号，并且，控制单元18的另一端子连接至电阻R1和R2间的节点从而实时检测变流器的直流电容Co所加载的直流电压。例如，当电网电压跌落时，该直流电压的数值会增加，因而控制单元18可将所检测到的直流电压与预设的过压保护阈值电压进行比较，如果当前的直流电压大于过压保护阈值电压，控制单元18的一输出端子发送一IGBT驱动信号至AC crowbar电路16，以便导通IGBT进而使能AC crowbar电路16吸收掉来自双馈发电机一侧因电网电压跌落而多出的剩余能量。类似地，当通过诸如霍尔传感器检测到进入机侧逆变器12的转子电流超过预设的过流保护阈值电流时，控制单元18也可通过该输出端子发送一IGBT驱动信号至AC crowbar电路16，以便导通IGBT进而使能AC crowbar电路16吸收因电网电压跌落而产生的剩余能量。
但是，无论是变流器的直流电容所加载的直流电压过压，还是流入机侧逆变器的转子电流过流，在切入AC crowbar电路16时，控制单元18往往需要停止发送机侧逆变器12正常运行时的驱动信号，亦即，控制单元18在AC crowbar电路切入以实现制动功能时，机侧逆变器12因没有提供驱动信号而将被封锁。因此，在机侧逆变器12被封锁的情形下，变流器无法发出无功或有功，以稳定电网电压或频率，给变流器的控制造成诸多不便。另一方面，当AC crowbar电路16切出时，变流器开始重新工作，虽然机侧逆变器12可发送无功，但变流器重新工作时可能再次造成过流和过压现象，进而AC crowbar电路需反复动作多次，效率较低。
为了解决图1的上述缺陷，本发明提出了一种用于双馈型风力发电系统的直流斩波装置。具体地，图2示出依据本发明一个方面的用于双馈型风力发电系统的直流斩波装置的电路示意图。参照图2，该直流斩波装置包括控制单元28和功率电路26，其中，控制单元28电性连接至网侧逆变器20、机侧逆变器22和功率电路26；以及功率电路26电性连接至变流器的直流电容Co、控制单元28和双馈发电机24。
控制单元28具有至少一输入端和一输出端，具体来说，控制单元的输入端子电性连接至变流器的直流电容两端，以检测直流电压。例如，电阻R1的一端连接至直流电容Co的一端，电阻R2的一端连接至直流电容Co的另一端，此时，控制单元28的该输入端子连接至电阻R1和R2间的节点，通过检测该节点的电位来检测加载于直流电容Co两端的直流电压，即Bus电压。控制单元28的两路输出端子分别连接至网侧逆变器20和机侧逆变器22，以便提供二者运行所需的驱动信号，以及另一输出端子连接至电路26，以提供电路26中的开关组件导通或关断的驱动信号。在一具体实施例中，控制单元28的另一输入端子电性连接至电流传感器，以检测流入机侧逆变器22的转子电流。
功率电路26包括输入端子261和262，通过该输入端子261和262并联耦接至变流器中的直流电容，如上所述，该直流电容位于变流器的网侧逆变器20与机侧逆变器22之间。输入端子263电性连接至控制单元28，用于接收开关组件导通或关断所需的驱动信号，例如，当电网电压降低，控制单元28所检测的直流电压过压时，开关组件导通，以使能功率电路26的过压保护功能；以及当控制单元28所检测的直流电压低于预设电压(如正常工作电压)时，开关组件关断。需要指出的是，该功率电路26还均可通过开关器件实现直流斩波功能。功率电路26还包括输出端子264、265和266，分别电性连接至双馈发电机24中的每一相，通过该输出端子264、265和266对电网电压跌落或恢复时的转子冲击电流提供分流支路。本领域的技术人员应当理解，对于功率电路26来说，术语“输入端子”和“输出端子”仅仅示意性地表述电信号的流向，而并不只局限于其字面含义，例如，功率电路26实施过流保护时，输出端子264至266对于双馈发电机为输出方向，而对于功率电路26为输入方向，但无论是输出方向还是输入方向，功率电路26所具有的这三个端子的位置相对固定。
图3示出图2的直流斩波装置的功率电路的结构框图。参照图3，该直流斩波装置的功率电路26包括过压保护模块2612和整流模块2614，其中，过压保护模块2612用于对变流器进行过压保护，整流模块2614用于对变流器的机侧逆变器22进行过流保护。
过压保护模块2612电性连接至功率电路26的输入端子261和262，包括由一放电电阻以及一开关组件构成的至少一放电单元，所述放电电阻和该开关组件串联连接，并且开关组件电性连接至控制单元28的输出端，以根据所检测的直流电压来导通或关断所述开关组件。例如，该开关组件为一全控型功率器件。在一实施例中，当控制单元所检测的直流电压高于预设的过压保护阈值电压时，控制单元28输出一控制信号以便开关组件导通；以及当控制单元所检测的直流电压低于预设的正常工作电压时，控制单元28输出另一控制信号以关断开关组件。
整流模块2614与过压保护模块2612并联连接，并且整流模块2614的输出端分别连接至功率电路26的输出端子264、265和266。例如，整流模块2614为三相全桥整流电路。在整流模块2614与过压保护模块2612之间，还可设置一滤波电容C1。在一实施例中，当系统的电网电压降低且双馈发电机24产生较大的转子冲击电流时，功率电路26的输出端子264至266通过整流模块2614来吸收或分流该转子冲击电流中的一部分，此时转子冲击电流流入变流器的机侧逆变器22的电流值就减小了，从而实现对机侧逆变器22的过流保护。因此，该直流斩波装置在投入运行时，减少或无需封锁机侧逆变器22的驱动信号，相比于现有技术，本发明中变流器的控制方式更加灵活。
在一具体实施例中，当系统的电网电压降低，所检测的直流电压大于预定的过压保护阈值电压时，控制单元28的输出端仍然向变流器的机侧逆变器22发送驱动信号，以便机侧逆变器正常工作，从而能够将无功功率发送至电网，以补偿电网的当前电压。此外，当系统的电网电压跌落，并且跌落时间超过预设时间或者电压或电流超过变流器所能够承受的最大保护值时，所述控制单元的输出端停止向所述变流器的机侧逆变器发送驱动信号。
图4示出图3的功率电路的一实施例的电路图。结合图3和图4，功率电路26的过压保护模块2612包括放电电阻Rc和开关组件T1。在一实施例中，开关组件T1为单个开关组件，如全控型功率器件，例如，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)或IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor，注入增强栅晶体管)。在其他实施例中，开关组件T1与放电电阻Rc串联连接构成一个放电单元，并且多个放电单元并联连接。多个放电单元中的至少一部分放电单元中的开关组件可同时导通，以投入所述过压保护模块。
此外，该放电单元还包括一续流单元，与放电电阻Rc并联连接，以便在开关组件关断时为放电电阻Rc提供续流回路。例如，该续流单元为一续流二极管Dc或其他具有续流功能的电子组件。
此外，该放电单元还包括一缓冲单元，与开关组件T1并联连接，该缓冲单元具有一二极管Ds以及与二极管Ds并联的缓冲支路，其中，该缓冲支路包括串联连接的电容Cs和电阻Rs，以便在开关组件导通或关断的瞬间，对该开关组件提供电流缓冲。
为了更好地抑制功率电路26的共模电流，在一些实施例中，该功率电路26还包括共模扼流圈Lcm2，设置于整流模块2614和功率电路的输出端子264至266之间，用于抑制共模电流。在其他实施例中，功率电路26还包括共模扼流圈Lcm1，设置于功率电路的输入端子261和262以及过压保护模块2612之间，用于抑制共模电流。本领域技术人员应当理解，功率电路26可以只包含共模扼流圈Lcm2或共模扼流圈Lcm1，也可以同时包含共模扼流圈Lcm2和共模扼流圈Lcm1，以抑制共模电流。
图5示出依据本发明另一个方面的用于双馈型风力发电系统的直流斩波方法的流程图。参照图5，首先，执行步骤S51，实时检测变流器中的直流电容所加载的一直流电压；然后，进入步骤S52，当系统的电网电压跌落时，根据所检测的直流电压来输出相应的控制信号，以驱动一开关组件导通或关断；接着执行步骤S53或步骤S54，在步骤S53中，当所检测的直流电压大于一第一预定电压时，根据所检测的直流电压来输出一第一控制信号，以导通该开关组件；在步骤S54中，当所检测的直流电压小于一第二预定电压时，根据所检测的直流电压来输出一第二控制信号，以关断该开关组件。
在一实施例中，当系统的电网电压降低，并且所检测的直流电压大于过压保护阈值电压时，仍然向变流器的机侧逆变器发送一驱动信号，以便机侧逆变器正常工作，从而向电网发送无功或有功。
图6示出依据本发明又一个方面的用于双馈型风力发电系统的直流斩波方法的流程图。在该直流斩波方法中，首先执行步骤S61，控制单元实时检测变流器中的直流电容所加载的一直流电压，然后执行步骤S62和S63，当系统的电网电压跌落时，控制单元的输出端根据所检测的直流电压来输出相应的控制信号，以驱动开关组件导通或关断；以及功率电路的输出端吸收来自双馈发电机的转子冲击电流的一部分，以便对该机侧逆变器进行过流保护。需要指出的是，上述步骤S62和S63均发生在系统的电网电压跌落时，并且步骤S62和步骤S63之间并无特定的先后关系，例如，步骤S62和步骤S63可同步执行。
采用本发明的直流斩波装置及其方法，将控制单元的输入端电性连接至变流器中的直流电容的两端以实时检测一直流电压，并且在系统的电网电压跌落以及所检测的直流电压超过阈值电压时，该控制单元发送一控制信号来导通开关组件，以使能过压保护模块；与此同时，该直流斩波装置的功率电路的输出端还可吸收来自双馈发电机的转子冲击电流的一部分，从而流入该变流器的转子侧逆变器中的转子冲击电流较小，进而实现转子侧逆变器的过流保护。此外，该直流斩波装置在投入运行时，无需封锁转子侧逆变器的驱动信号，因而变流器的控制方式更加灵活。
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种用于双馈型风力发电系统的直流斩波装置，所述系统包括一变流器和一双馈发电机，其特征在于，所述直流斩波装置包括：
一控制单元，具有至少一输入端和一输出端，所述控制单元的输入端电性连接至所述变流器的直流电容两端，以检测一直流电压；以及
一功率电路，电性耦接至所述变流器、所述双馈发电机和所述控制单元，其中，该功率电路包括：
一输入端，并联耦接至所述变流器中的直流电容，所述直流电容位于所述变流器的一网侧逆变器与一机侧逆变器之间；
一过压保护模块，连接至所述功率电路的输入端，包括由一放电电阻以及一开关组件形成的至少一放电单元，所述放电电阻和所述开关组件串联连接，并且所述开关组件电性连接至所述控制单元的输出端；
一整流模块，与所述过压保护模块并联连接；以及
一输出端，耦接至所述整流模块以及所述双馈发电机，
其中，当所述系统的电网电压跌落时，所述控制单元的输出端根据所检测的直流电压来输出相应的控制信号，以驱动所述开关组件导通或关断；以及所述功率电路的输出端吸收来自所述双馈发电机的转子冲击电流的一部分，以便对所述机侧逆变器进行过流保护。
2.根据权利要求1所述的直流斩波装置，其特征在于，当所述系统的电网电压跌落，且所述控制单元所检测的直流电压大于一第一预定电压时，所述控制单元的输出端根据所述直流电压来输出一第一控制信号，以导通所述开关组件。
3.根据权利要求2所述的直流斩波装置，其特征在于，当所述系统的电网电压跌落，并且所检测的直流电压大于所述第一预定电压时，所述控制单元的另一输出端仍然向所述变流器的机侧逆变器发送控制信号，以便所述机侧逆变器正常工作，从而双馈发电机系统将无功功率发送至电网，以补偿所述电网的当前电压。
4.根据权利要求1所述的直流斩波装置，其特征在于，所述放电单元还包括一续流单元，与所述放电电阻并联连接，以便在所述开关组件关断时为所述放电电阻提供续流回路。
5.根据权利要求1所述的直流斩波装置，其特征在于，所述过压保护模块包括多个放电单元，并且所述多个放电单元中的至少一部分放电单元中的开关组件同时导通，以投入所述过压保护模块。
6.根据权利要求1所述的直流斩波装置，其特征在于，所述功率电路还包括一第一共模扼流圈，设置于所述整流模块和所述功率电路的输出端之间，用于抑制共模电流。
7.根据权利要求1所述的直流斩波装置，其特征在于，所述功率电路还包括一第二共模扼流圈，设置于所述功率电路的输入端和所述过压保护模块之间，用于抑制共模电流。
8.根据权利要求1所述的直流斩波装置，其特征在于，当所述控制单元所检测的直流电压小于一第二预定电压时，所述控制单元的输出端发出一第二控制信号，以关断所述开关组件。
9.一种用于双馈型风力发电系统的直流斩波方法，所述系统包括一变流器和一双馈发电机，其特征在于，所述系统还包括如权利要求1至8中任意一项所述的直流斩波装置，并且所述直流斩波方法包括以下步骤：
所述控制单元实时检测所述变流器中的直流电容所加载的一直流电压；
当所述系统的电网电压跌落时，所述控制单元的输出端根据所检测的直流电压来输出相应的控制信号，以驱动所述开关组件导通或关断；以及所述功率电路的输出端吸收来自所述双馈发电机的转子冲击电流的一部分，以便对所述机侧逆变器进行过流保护。
10.一种双馈型风力发电系统，包括一变流器和一双馈发电机，其特征在于，所述系统还包括：
一直流斩波装置，其中，所述直流斩波装置为权利要求1至8中任意一项所述的直流斩波装置。
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