CN103208960A - 一种励磁控制电路及其电励磁风电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种励磁控制电路及其电励磁风电系统，该励磁控制电路包括多个全功率变换器，每一变换器包括机侧变流器以及网侧变流器；直流励磁模块，包括多个DC-DC转换器；以及控制模块，用于控制或切换任一DC-DC转换器正常工作，控制励磁开关的闭合与断开。采用本发明，通过多个全功率变换器各自的母线电容提供DC-DC转换器的输入电压，进而对励磁装置供电以实现DC-DC转换器间的冗余。此外，本发明还可通过交流励磁模块对励磁装置供电，以实现励磁供电方式间的冗余，显著提升电励磁的可靠性和电励磁风电系统运行时的稳定性。

Description

一种励磁控制电路及其电励磁风电系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种励磁控制电路以及包含该励磁控制电路的电励磁风电系统。
背景技术
当前，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。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。尤其是，随着目前风力发电机的单机容量不断增大，变速恒频技术逐渐占据了主导地位。由于齿轮箱是目前兆瓦级风电机组中损坏率较高的部件，无齿轮箱的直驱式风电系统因噪音低、机组运行时间长、运行维护成本较低等优势受到了更多的关注和发展。
一般来说，直驱式风电系统主要包括永磁和电励磁两种方式。然而，当前稀土材料的价格昂贵，直接导致了永磁式风电系统的制造成本增加。相比之下，电励磁式风电系统逐渐成为专业技术人员研发的主流趋势。
现有技术中，一种电励磁式风电系统结构是在于，藉由单组的背靠背变流器(由机侧变流器和网侧变流器构成)的直流母线来提供一DC-DC转换器的输入电压，并由该DC-DC转换器经降压处理来输出一合适的直流电压从而对励磁装置进行供电。然而，当该DC-DC转换器出现运行故障时，风机很可能会突然失磁以致造成转矩消失，变流器无法提供制动转矩给风机，使风电系统中的组件损坏。另一种电励磁式风电系统结构是在于，藉由电网的交流电压，依次设置励磁主开关、工频变压器和可控整流桥来输出一整流后的直流电压直接提供励磁绕组或者给DC-DC转换器，再由该DC-DC转换器经降压处理来输出一合适的直流电压从而对励磁装置进行供电。然而，工频变压器的体积庞大，成本较高。更严重的是，当电网电压跌落或电网掉电时，DC-DC转换器的直流输入电压消失，风机也会突然失磁以致造成转矩突变。
由上述可知，现有的电励磁式风电系统或多或少地存在风机突然失磁而导致转矩丢失的情形，大大降低了电励磁的可靠性和系统运行的稳定性。有鉴于此，如何设计一种可靠的励磁控制电路，以提升励磁装置的工作稳定性，确保磁场不会立即消失，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
针对现有技术中的电励磁风电系统所存在的上述缺陷，本发明提供了一种励磁控制电路以及包含该励磁控制电路的电励磁风电系统。
依据本发明的一个方面，提供了一种用于电励磁风电系统的励磁控制电路，包括：
多个全功率变换器，每一全功率变换器包括：
一机侧变流器，具有一交流侧和一直流侧，所述交流侧电性连接至一风机，所述直流侧并联连接至一母线电容；以及
一网侧变流器，具有一交流侧和一直流侧，所述交流侧电性连接至一交流电网，所述直流侧并联连接至所述母线电容；
一直流励磁模块，包括多个DC-DC转换器，每一DC-DC转换器的输入接口电性耦接至相应全功率变换器的所述母线电容，每一DC-DC转换器的输出接口彼此并联且电性耦接至一励磁装置，并藉由所述励磁装置提供所述风机在励磁时所需的励磁电流；以及
一控制模块，用于控制或切换所述多个DC-DC转换器中的任一DC-DC转换器正常工作。
优选地，所述励磁控制电路还包括一交流励磁模块，具有彼此串联连接的一励磁开关和一相控整流桥，所述励磁开关连接至所述交流电网，所述相控整流桥的输出端与所述直流励磁模块的输出端并联连接，所述控制模块控制所述励磁开关的闭合与断开。更优选地，交流励磁模块和直流励磁模块互为冗余，以及所述多个DC-DC转换器中的任意两个DC-DC转换器互为冗余。
在一具体实施例中，当交流电网的电压跌落或掉电时，所述励磁控制电路利用所述直流励磁模块对所述励磁装置进行供电。
在一具体实施例中，当多个DC-DC转换器中的一DC-DC转换器出现运行故障时，控制模块输出一切换控制信号，以便多个DC-DC转换器中的另一DC-DC转换器对所述励磁装置进行供电。可替换地，当所述多个DC-DC转换器中的一DC-DC转换器出现运行故障时，所述控制模块输出一开关控制信号，以闭合所述励磁开关从而利用所述交流励磁模块对所述励磁装置进行供电。
优选地，每一DC-DC转换器的输入接口与对应的母线电容之间还包括反向连接的二极管。
优选地，每一DC-DC转换器的输入端具有一滤波单元，以滤除所述母线电容至所述输入端之间的电缆上的电压干扰。
优选地，所述网侧变流器的交流侧与所述交流电网之间还包括一第一共模抑制单元，以抑制共模电流。
优选地，所述机侧变流器的交流侧与所述风机之间还包括一第二共模抑制单元或者dv/dt抑制单元，以抑制共模电流或dv/dt电压。
优选地，所述相控整流桥为一三相可控整流桥或一单相可控整流桥。
优选地，所述励磁控制电路还包括一灭磁装置，设置于所述直流励磁模块的输出端与所述励磁装置之间。
依据本发明的另一个方面，提供了一种电励磁风电系统，包括一风机和一励磁装置，该励磁装置用于提供所述风机励磁所需的励磁电流，其中，该电励磁风电系统还包括一励磁控制电路，该励磁控制电路为如上述本发明的一个方面所述的励磁控制电路。
采用本发明的励磁控制电路及其电励磁风电系统，通过多个全功率变换器各自的直流母线电容来提供对应的DC-DC转换器的直流输入电压，进而利用该DC-DC转换器降压处理后的直流电压对励磁装置进行供电，以实现多个DC-DC转换器彼此之间的冗余机制。此外，本发明还可通过交流励磁模块直接对励磁装置进行供电，以实现励磁供电方式(即，来自电网的交流方式和来自母线电容的直流方式)之间的冗余，可显著地提升电励磁的可靠性和电励磁风电系统运行时的稳定性。
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示出现有技术中的电励磁风电系统的一励磁控制电路的电路结构图；
图2示出现有技术中的电励磁风电系统的另一励磁控制电路的电路结构图；
图3示出依据本发明的一个方面，用于电励磁风电系统的励磁控制电路的电路结构图；以及
图4示出图3中的励磁控制电路藉由控制模块进行控制的原理架构图。
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。
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示出现有技术中的电励磁风电系统的一励磁控制电路的电路结构图。参照图1，该励磁控制电路包括一全功率变换器、一DC-DC转换器104、一灭磁装置106和一励磁装置108。其中，该全功率变换器包括一网侧变流器100、一机侧变流器102和位于该网侧变流器100和该机侧变流器102之间的母线电容Cp。
网侧变流器100的交流侧与电网相耦接，以及机侧变流器102的交流侧与风机的三相绕组相耦接。此外，DC-DC转换器104藉由一对反向的二极管电性连接至母线电容Cp，从而将母线电容Cp两端所加载的直流电压作为该DC-DC转换器104的直流输入电压。当经由该DC-DC转换器104对所输入的直流电压进行降压处理后，可利用该DC-DC转换器104输出的直流电压对励磁装置108进行供电。当励磁装置108正常工作时，输出电励磁所需的励磁电流至风机。在图1中，DC-DC转换器104与励磁装置108之间还设有一灭磁装置106，当励磁装置108运行异常或励磁电流突然消失时，该灭磁装置106用来快速地消灭已建立的励磁磁场。
从图1所示的电路结构可知，全功率变换器承担风机所发出的全部功率，并且励磁装置108运行所需提供的直流电来自DC-DC转换器104的输出端。一旦全功率变换器或者DC-DC转换器104出现运行故障，励磁装置108将会突然掉电，进而风机会突然失磁以致造成转矩消失，变流器无法提供制动转矩给风机，使风电系统中的组件损坏。有鉴于此，这种电路设计结构给电励磁风电系统的励磁可靠性和运行稳定性带来了潜在的严重安全隐患。
图2示出现有技术中的电励磁风电系统的另一励磁控制电路的电路结构图。参照图2，该励磁控制电路包括一全功率变换器、一励磁主开关204、一工频变压器206、一相控整流桥208、一灭磁装置210和一励磁装置212。类似地，该全功率变换器包括一网侧变流器200、一机侧变流器202和位于该网侧变流器200和该机侧变流器202之间的母线电容Cp。
网侧变流器200的交流侧与电网相耦接，以及机侧变流器202的交流侧与风机的三相绕组相耦接。与图1不同的是，励磁装置的供电电源并不是藉由全功率变换器中的母线电容和DC-DC转换器来实现，而是直接通过交流电网、工频变压器和相控整流桥来提供供电电压。然而，这种励磁方式也存在诸多缺陷，例如，励磁装置212的直流供电电压来自交流电网，当交流电网的电压跌落或完全掉电时，相控整流桥208输出端的直流电压将会突然消失，励磁装置212突然掉电进而会使风机失磁造成转矩突变。又如，设置于励磁开关204和熔断器之后的工频变压器206体积庞大，成本较高，在加剧励磁控制电路的设计成本的同时，还会增加电路布设和安装的预留空间。
为了解决上述图1和图2中的励磁控制电路所存在的缺陷或不足，图3示出依据本发明的一个方面，用于电励磁风电系统的励磁控制电路的电路结构图。
参照图3，该励磁控制电路包括一直流励磁模块32、全功率变换器34和36、一励磁装置38。此外，该励磁控制电路还包括一灭磁装置37，设置于直流励磁模块32的输出端与励磁装置38之间，以便在励磁装置38运行异常或励磁电流突然消失时，快速地消灭已建立的励磁磁场。
其中，全功率变换器34包括一网侧变流器341、一母线电容C1和一机侧变流器343，全功率变换器36包括一网侧变流器361、一母线电容C2和一机侧变流器363。直流励磁模块32的直流输入端电性连接至全功率变换器34和36中的母线电容C1和C2，其直流输出端电连接至灭磁装置37。
全功率变换器34的网侧变流器341的交流侧电性耦接至交流电网，其机侧变流器343的交流侧电性耦接至风机的一三相绕组，并且该网侧交流器341的直流侧与该机侧变流器343的直流侧均接至母线电容C1。类似地，全功率变换器36的网侧变流器361的交流侧电性耦接至交流电网，其机侧变流器363的交流侧电性耦接至风机的另一三相绕组，并且该网侧交流器361的直流侧与该机侧变流器363的直流侧均接至母线电容C2。本领域的技术人员应当理解，本发明的励磁控制电路中的多个全功率变换器(如全功率变换器34和36)不仅适用于包含多套三相绕组的风机(诸如六相电机，九相电机，十二相电机等等)，还可应用于仅仅具有一套三相绕组的三相电机。对应地，全功率变换器34的机侧变流器343的交流侧以及全功率变换器36的机侧变流器363的交流侧均电性耦接至三相电机的同一三相绕组，该可替换实施例的技术方案同样也包含于本发明的范围内。
直流励磁模块32包括DC-DC转换器321和DC-DC转换器323，该DC-DC转换器321的直流输入端电性耦接至母线电容C1，该DC-DC转换器323的直流输入端电性耦接至母线电容C2，该DC-DC转换器321和323的直流输出端并联连接。
由上述可知，当电励磁风电系统的风机要求电励磁所需的励磁电流时，可藉由全功率变换器34和直流励磁模块32中的DC-DC转换器323对励磁装置38进行供电，以便该励磁装置38运行时产生该励磁电流。可替换地，亦可藉由全功率变换器36和直流励磁模块32中的DC-DC转换器321对励磁装置38进行供电，以便该励磁装置38运行时产生该励磁电流。因此，在提供该励磁装置38运行所需的直流供电电压时，直流励磁模块32中的DC-DC转换器321和DC-DC转换器323之间互为冗余，当其中的一DC-DC转换器出现故障时，可利用另一DC-DC转换器输出该供电电压。此外，在母线电容C1与DC-DC转换器323之间，以及母线电容C2与DC-DC转换器321之间均设置一对反向连接的二极管。
在一具体实施例中，该励磁控制电路还包括一交流励磁模块30。该交流励磁模块30的输入端电性连接至交流电网，其输出端电性连接至该直流励磁模块32的输出端。具体地，该交流励磁模块30包括一励磁开关302和一相控整流桥304。例如，该相控整流桥304为一三相可控整流桥或一单相可控整流桥。具体地，该励磁开关302的输入端电性连接至交流电网，其输出端与相控整流桥304相连接，以及该相控整流桥304的输出端与直流励磁模块32的输出端并联连接。当直流励磁模块32或全功率变换器34和36出现故障时，可闭合励磁开关302，以便将来自电网的交流电压经由相控整流处理后，输出一直流电压作为励磁装置38运行所需的供电电压。因此，在本发明的励磁控制电路中，除了藉由直流励磁模块32来提供该励磁装置38运行所需的直流供电电压之外，还可藉由交流励磁模块30来提供该直流供电电压。换言之，从励磁供电方式来说，直流励磁装置32和交流励磁装置30之间互为冗余，当电网电压跌落或掉电时，仍然可以从母线电容C1或C2取电从而提供励磁装置38的供电电压。
需要指出的是，针对本发明的励磁控制电路，上述已详细描述了直流励磁模块和交流励磁模块之间互为冗余，以及直流励磁模块中的DC-DC转换器之间互为冗余。为了实现冗余备份功能，该励磁控制电路还包括控制模块39，该控制模块39用于控制或切换DC-DC转换器321和DC-DC转换器323中的任何一个正常工作，并且该控制模块39还用于控制励磁开关302的闭合与断开，以便在直流励磁模块故障时，通过控制励磁开关302的通断，由交流电网经相控整流后直接给励磁装置供电，从而防止风机突然失磁造成转矩突变。此外，该控制模块39还可控制相控整流桥304的导通角，以调节交流励磁模块30所输出的直流电压大小。
在一具体实施例中，DC-DC转换器321和DC-DC转换器323各自的输入端均具有一滤波单元(如滤波电容器)，以滤除母线电容C1或C2至相应DC-DC转换器输入端间的电缆上的电压干扰。
在一具体实施例中，每一全功率变换器中的网侧变流器的交流侧与交流电网之间还包括一第一共模抑制单元，如电感或共模扼流线圈，以抑制共模电流。参照图3，在网侧变流器341的交流侧与交流电网之间设置一电感以抑制共模电流，以及在网侧变流器361的交流侧与交流电网之间也设置一电感以抑制共模电流。
在另一具体实施例中，每一全功率变换器中的机侧变流器的交流侧与风机之间还包括一第二共模抑制单元，如电感或共模扼流线圈，以抑制共模电流。参照图3，在机侧变流器343的交流侧与风机之间设置一电感以抑制共模电流，以及在机侧变流器363的交流侧与风机之间也设置一电感以抑制共模电流。
在又一具体实施例中，每一全功率变换器中的机侧变流器的交流侧与风机之间还包括一dv/dt抑制单元，藉由该dv/dt抑制单元来抑制dv/dt电压。
图4示出图3中的励磁控制电路藉由控制模块进行控制的原理架构图。参照图3和图4，第一全功率变换器34包括网侧变换器341和机侧变换器343，第二全功率变换器36包括网侧变换器361和机侧变换器363，DC-DC转换器323连接至第一全功率变换器34中的母线电容，DC-DC转换器321连接至第二全功率变换器36中的母线电容。
对于控制模块39来说，该控制模块39输出一控制信号S1、一控制信号S2和一控制信号CTRL，其中，该控制信号S1用于控制DC-DC转换器323的运行或停止，该控制信号S2用于控制DC-DC转换器321的运行或停止，以及该控制信号CTRL用于控制励磁开关302的闭合与关断。
在一具体实施例中，当交流电网的电压跌落或掉电时，励磁控制电路利用直流励磁模块30的DC-DC转换器323或DC-DC转换器321对励磁装置38进行供电。例如，控制模块39通过控制信号S1使DC-DC转换器323运行，以便提供励磁装置38的供电电压。或者，控制模块39通过控制信号S2使DC-DC转换器321运行，以便提供励磁装置38的供电电压。
在一具体实施例中，当DC-DC转换器中的一DC-DC转换器323(或DC-DC转换器321)出现运行故障时，控制模块39输出一控制信号S2(或控制信号S1)，以便使另一DC-DC转换器321(或DC-DC转换器323)对励磁装置38进行供电。
在另一具体实施例中，当DC-DC转换器中的一DC-DC转换器323(或DC-DC转换器321)出现运行故障时，控制模块39还可输出一开关控制信号CTRL，以闭合励磁开关302从而利用交流励磁模块30对励磁装置38进行供电。
由上述可知，本发明的励磁控制电路在提供励磁装置38的供电电压时，若直流励磁模块32的一DC-DC转换器在运行过程中出现故障，则控制模块39可输出一控制信号(S1或S2)或一开关控制信号(CTRL)，以便使直流励磁模块32中的另一DC-DC转换器投入运行或者直接采用交流励磁模块30进行供电。此外，若交流电网电压跌落或掉电，导致交流励磁模块30无法正常工作时，控制模块39亦可输出控制信号S1或控制信号S2，以便使直流励磁模块32中的DC-DC转换器323或DC-DC转换器321投入运行以提供供电电压。
采用本发明的励磁控制电路及其电励磁风电系统，通过多个全功率变换器各自的直流母线电容来提供对应的DC-DC转换器的直流输入电压，进而利用该DC-DC转换器降压处理后的直流电压对励磁装置进行供电，以实现多个DC-DC转换器彼此之间的冗余机制。此外，本发明还可通过交流励磁模块直接对励磁装置进行供电，以实现励磁供电方式(即，来自电网的交流方式和来自母线电容的直流方式)之间的冗余，可显著地提升电励磁的可靠性和电励磁风电系统运行时的稳定性。
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)

1.一种用于电励磁风电系统的励磁控制电路，其特征在于，所述励磁控制电路包括：
多个全功率变换器，每一全功率变换器包括：
一机侧变流器，具有一交流侧和一直流侧，所述交流侧电性连接至一风机，所述直流侧并联连接至一母线电容；以及
一网侧变流器，具有一交流侧和一直流侧，所述交流侧电性连接至一交流电网，所述直流侧并联连接至所述母线电容；
一直流励磁模块，包括多个DC-DC转换器，每一DC-DC转换器的输入接口电性耦接至相应全功率变换器的所述母线电容，每一DC-DC转换器的输出接口彼此并联且电性耦接至一励磁装置，并藉由所述励磁装置提供所述风机在励磁时所需的励磁电流；以及
一控制模块，用于控制或切换所述多个DC-DC转换器中的任一DC-DC转换器正常工作。
2.根据权利要求1所述的励磁控制电路，其特征在于，所述励磁控制电路还包括一交流励磁模块，具有彼此串联连接的一励磁开关和一相控整流桥，所述励磁开关连接至所述交流电网，所述相控整流桥的输出端与所述直流励磁模块的输出端并联连接，所述控制模块控制所述励磁开关的闭合与断开。
3.根据权利要求2所述的励磁控制电路，其特征在于，当所述交流电网的电压跌落或掉电时，所述励磁控制电路利用所述直流励磁模块对所述励磁装置进行供电。
4.根据权利要求1或2所述的励磁控制电路，其特征在于，当所述多个DC-DC转换器中的一DC-DC转换器出现运行故障时，所述控制模块输出一切换控制信号，以便所述多个DC-DC转换器中的另一DC-DC转换器对所述励磁装置进行供电。
5.根据权利要求2所述的励磁控制电路，其特征在于，当所述多个DC-DC转换器中的一DC-DC转换器出现运行故障时，所述控制模块输出一开关控制信号，以闭合所述励磁开关从而利用所述交流励磁模块对所述励磁装置进行供电。
6.根据权利要求1所述的励磁控制电路，其特征在于，每一DC-DC转换器的输入端具有一滤波单元，以滤除所述母线电容至所述输入端之间的电缆上的电压干扰。
7.根据权利要求1所述的励磁控制电路，其特征在于，所述网侧变流器的交流侧与所述交流电网之间还包括一第一共模抑制单元，以抑制共模电流。
8.根据权利要求1所述的励磁控制电路，其特征在于，所述机侧变流器的交流侧与所述风机之间还包括一第二共模抑制单元，以抑制共模电流。
9.根据权利要求1所述的励磁控制电路，其特征在于，所述机侧变流器的交流侧与所述风机之间还包括一dv/dt抑制单元，以抑制dv/dt电压。
10.一种电励磁风电系统，包括一风机和一励磁装置，所述励磁装置用于提供所述风机励磁所需的励磁电流，其特征在于，所述电励磁风电系统还包括：
一励磁控制电路，所述励磁控制电路为如权利要求1至9中任意一项所述的励磁控制电路。
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