CN104158396B - 一种直驱型风力发电机组变流器充电电阻选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直驱型风力发电机组变流器充电电阻选型方法，包括：A、根据直流母线电容充电回路等效电路计算直流侧的充电电阻R的电阻值、充电平均电流、充电电阻平均功率、最大冲击电流及瞬时冲击功率；B、将直流侧充电回路计算得到的参数折算到交流侧，交流侧参数包括：交流侧的电流平均值、充电电阻平均功率、充电电阻阻值和冲击电流；在交流侧充电电阻阻值的附近选择实际充电电阻阻值，并根据此阻值核算交流侧冲击功率；C、采用Matlab对步骤B中的充电回路进行仿真验证，最后选择充电电阻的选择参数。本发明通过详细的理论计算与推导得出直驱风力发电机组变流器网侧充电电阻的设计参数，为大功率变流器充电电阻的选型与设计提供了理论依据。

Description

一种直驱型风力发电机组变流器充电电阻选型方法

技术领域

本发明涉及风电变流技术领域，具体地，涉及一种直驱型风力发电机组变流器充电电阻选型方法。

背景技术

近年来风电行业的迅猛发展导致风电变流器技术不断升级，根据不同风力发电机组的并网技术将风力发电机组分为直驱型风力发电机组与双馈型风力发电机组。直驱风力发电机组变流器将电能实现了AC/DC、DC/AC的控制，与双馈风力发电机组变流器的需求不同，同等MW机组直驱风力发电机组对于变流器的要求更高，容量更大，从而导致直驱风力发电机组变流器母线支撑电容容量越大，支撑电容容量的增加导致变流器在起机时需要从网侧摄取更大的能量。

变流器充电电阻的作用是抑制变流器启动时的冲击电流，当变流器刚启动时，由于直流侧的电解电容容量非常大，在刚充电的瞬间相当于短路。为了防止充电电流对系统造成危害，在变流器启动起始阶段接入充电电阻限制充电电流的幅值，当充电完成后，利用接触器的主触点将充电电阻短接，使系统正常运行。若在整流桥与电解电容之间不加充电电阻，则相当于电网电源直接对地短路，瞬间整流桥通过大的电流导致整流桥寿命下降或者失效，支撑电解电容因大电流冲击导致电容膨胀或降低使用寿命，网侧接触器过流保护跳开。

根据变流器的容量不同，选择不同的预充电方式，小功率的变流器采用的NTC热敏电阻进行充电限流，当变流器启动时，电网380V/AC提供母线电压能量，因NTC随着温度的升高，内阻减少，消耗的功率下降，当母线电压达到预充电阀值时通过辅助接触器屏蔽此NTC，完成充电过程。

NTC充电电阻一般安装在变流器的整流桥后级与母线电解电容相连接，当网侧接触器闭合时，交流三相电源通过整流桥与NTC提供母线能量，根据NTC耐压特性，无法满足现有变流器高耐压使用条件。

因NTC充电电阻随温度升高阻值下降，根据风力发电机组需要24小时长时间工作的特性，当出现机组可自恢复故障时，机组面临着往复开机的工作方式，NTC阻值下降到一定情况下将失去限流作用，增加机组二次故障率。

NTC充电电阻的制作工艺导致此电阻的功率无法满足风力发电机组大功率变流器的应用条件。

由此可见，上述NTC充电电阻并不能满足现有直驱型风力发电机组变流器的要求。如何能创设一种参数设计合理的新类型的直驱风力发电机组变流器的充电电阻，成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直驱型风力发电机组变流器充电电阻选型方法，使其能通过详细的理论计算与推导得出直驱型风力发电机组变流器网侧充电电阻的设计参数，为大功率变流器充电电阻的选型与设计提供理论依据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种直驱型风力发电机组变流器充电电阻选型方法，包括：

A、将变流器系统主拓扑进行分解化简，形成直流母线电容充电回路等效电路，所述等效电路的直流电源电压Us等效整流桥输出电压，Us上直接串联直流侧充电电阻R和直流母线电解电容C；根据所述等效电路计算直流侧充电电阻R的电阻值及直流侧充电平均电流，进而计算直流侧充电电阻平均功率、直流侧最大冲击电流及直流侧瞬时冲击功率；

B、根据实际充电回路采用网侧IGBT的反并联二极管作为充电整流桥，充电电阻配置在交流侧的情况，将步骤A中直流侧充电回路计算得到的参数折算到交流侧，交流侧的基本参数包括：交流侧电流平均值、交流侧充电电阻平均功率、交流侧充电电阻阻值、交流侧冲击电流；在交流侧充电电阻阻值的附近选择实际充电电阻阻值，并根据该实际充电电阻阻值核算交流侧冲击功率；

C、采用Matlab对步骤B中的充电回路进行仿真，验证步骤B中的实际充电电阻相关参数是否正确，确认正确后，根据上述参数及实际运行工况选择合适的变流器充电电阻的选择参数，选择参数包括充电电阻的阻值、充电电阻平均功率、充电电阻冲击功率、充电电阻额定电压。

进一步地，所述步骤A中的具体推导计算方法为：

首先，根据等效电路，求解一阶电路得到方程：

$u_C=U_S(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}})$

该式中，Us等效整流桥输出电压，整流桥为三相整流桥，u_C为直流母线电解电容对应的电压，即预充电电压，e为自然常数，t为充电时间，τ为一阶电路时间常数；

一阶电路时间常数τ＝RC

该式中，R为直流侧充电电阻，C为直流母线电解电容；

根据上述公式计算得到直流侧充电电阻R的阻值；

其次,根据计算得到的直流侧充电电阻R的阻值及下述公式分别计算：

直流侧充电平均电流为：

直流侧充电电阻平均功率为：

直流侧最大冲击电流为：

直流侧瞬时冲击功率为：

所述步骤B中折算方法为：

将直流电源电压Us转换成实际的三相整流桥，直流侧充电电阻R等效到交流侧三个电阻；

根据功率守恒原理，得到交直流侧电流的关系：

${3U}_a{i}_a=U_C{I}_C=2\sqrt{2}{U}_a{I}_C$

式中，U_a、i_a分别为交流侧a相的电压和交流侧的平均电流；I_C等于直流侧充电平均电流i_av；

根据上式得到交流侧电流平均值为i_a：

i_a＝0.94I_C

交流侧充电电阻平均功率：

$P_{\mathrm{av}}=i_a^2{R}_a$

该式中的交流侧充电电阻平均功率为步骤A中的直流侧充电电阻平均功率的2/3；

根据上式得交流侧充电电阻R_a；

交流侧冲击电流为：

$i_{\max }=\frac{\mathrm{Us}}{R_a}$

当交流侧冲击电流余量较大时，重新选择实际充电电阻阻值Rs；根据该阻值计算交流侧冲击功率；

$P_{\max }=\frac{{\mathrm{Us}}^2}{\mathrm{Rs}}.$

进一步地，还包括步骤D，通过现场挂机验证步骤C中获得的充电电阻的可靠性。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

本发明通过合理的充电电路模型转换设计及计算方案，为大功率变流器充电电阻的选型与设计提供理论依据，填补了大功率变流器对充电电阻设计需要理论依据的空白。另外，通过合理的设计充电电阻的相关参数，降低了直驱型风力发电机组变流器网侧充电电阻的生产成本，也降低了直驱型风力发电机组变流器的故障率，减少了业主电力损失。经过实际验证，按该方法设计的充电电阻安全可靠，该设计方法适于推广应用。另外，此充电电阻的选型方法经适当改变也可使用到低压电气行业，如低压变频器、矿山电气设备等。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为直流母线电容充电回路等效电路图；

图2为变流器充电电路模型图；

图3为电容充电电压波形图；

图4为整流桥交流侧充电电流波形图；

图5为整流桥交流侧充电电流峰值波形图；

图6为直流母线电容充电电流波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种直驱型风力发电机组变流器充电电阻选型方法，先通过充电电路模型转换设计及对应的理论计算，得出实际充电电阻参数，再通过Matlab仿真，确认参数是否正确，最后通过现场挂机验证充电电阻的可靠性，为直驱型风力发电机组大功率变流器网侧充电电阻提供了技术保证。其中，变流器充电电阻选型需要考虑充电电阻主要参数有：充电电阻平均功率、电阻阻值、冲击功率、额定电压。

选型方法包括如下步骤；

A、将变流器系统主拓扑进行分解化简，形成直流母线电容充电回路等效电路，配合图1所示，所述等效电路的直流电源电压Us等效整流桥输出电压，Us上直接串联直流侧充电电阻R和直流母线电解电容C；根据所述等效电路计算直流侧充电电阻R的电阻值及直流侧充电平均电流，进而计算直流侧充电电阻平均功率、直流侧最大冲击电流及直流侧瞬时冲击功率；

B、根据实际充电回路(配合图2所示)采用网侧IGBT的反并联二极管作为充电整流桥，充电电阻配置在交流侧的情况，将步骤A中直流侧充电回路计算得到的参数折算到交流侧，交流侧的基本参数包括：交流侧电流平均值、交流侧充电电阻平均功率、交流侧充电电阻阻值、交流侧冲击电流；在交流侧充电电阻阻值的附近选择实际充电电阻阻值，并根据该实际充电电阻阻值核算交流侧冲击功率；

C、采用Matlab对步骤B中的充电回路进行仿真，验证步骤B中的实际充电电阻相关参数是否正确，确认正确后，根据上述参数选择合适的变流器充电电阻的选择参数，选择参数包括充电电阻的阻值、充电电阻平均功率、充电电阻冲击功率。

其中，所述步骤A中的具体推导计算方法为：

首先，根据等效电路，求解一阶电路得到方程：

$u_C=U_S(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}})$

该式中，Us等效整流桥输出电压，整流桥为三相整流桥，u_C为直流母线电解电容对应的电压，即预充电电压，e为自然常数，t为充电时间，τ为一阶电路时间常数；

一阶电路时间常数τ＝RC

该式中，R为直流侧充电电阻，C为直流母线电解电容；

根据上述公式计算得到直流侧充电电阻R的阻值；

其次,根据计算得到的直流侧充电电阻R的阻值及下述公式分别计算：

直流侧充电平均电流为：

直流侧充电电阻平均功率为：

直流侧最大冲击电流为：

直流侧瞬时冲击功率为：

所述步骤B中折算方法为：

将直流电源电压Us转换成实际的三相整流桥，直流侧充电电阻R等效到交流侧三个电阻；

根据功率守恒原理，得到交直流侧电流的关系：

${3U}_a{i}_a=U_C{I}_C=2\sqrt{2}{U}_a{I}_C$

式中，U_a、i_a分别为交流侧a相的电压和交流侧的平均电流；I_C等于直流侧充电平均电流i_av；

根据上式得到交流侧电流平均值为i_a：

i_a＝0.94I_C

交流侧充电电阻平均功率：

$P_{\mathrm{av}}=i_a^2{R}_a$

该式中的交流侧充电电阻平均功率为步骤A中的直流侧充电电阻平均功率的2/3；

根据上式得交流侧充电电阻R_a；

交流侧冲击电流为：

$i_{\max }=\frac{\mathrm{Us}}{R_a}$

当交流侧冲击电流余量较大时，重新选择实际充电电阻阻值Rs；根据该阻值计算交流侧冲击功率；

$P_{\max }=\frac{{\mathrm{Us}}^2}{\mathrm{Rs}}.$

下面以一个设计实例来对本发明进行详细说明：

本设计实例通过直流侧与交流侧计算充电电阻基本参数，将变流器系统主拓扑进行分解化简，在满足系统要求的前提下，简化充电电阻实际功率，节约了成本。

首先从直流回路考虑充电过程，如图1所示，Us等效整流桥输出电压，R为直流侧充电电阻，C为直流母线电解电容，此模型忽略了回路中的电感。

求解一阶电路得到方程：

$u_C=U_S(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}})$

式中t为充电时间，τ为一阶电路时间常数τ＝RC。

对于三相四线系统，整流桥空载电压(整流桥输出电压)约为网侧相电压峰值的倍，对于620V的网侧电压，相电压为358V，整流桥正母线电压(整流桥输出电压)506V，负母线电压-506V，如果取预充电电压u_C为420V，则有：

$420=506(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}})$

充电电路就是一个RC回路，所以RC时间常数不能太长，过长的RC时间将导致充电电流下降缓慢，从而导致电阻的平均功率较大，产生不必要的损耗和过长的上电时间。一般按80-90％的额定母线电压所需时间计算RC时间常数，如果选充电时间t设为15s，那么τ＝8.47s，又C＝265.20mF(正负母线分别对地的电容C)，所以直流侧充电电阻R＝31.94Ω，在此假设下再计算充电电流是否满足要求。

直流侧充电平均电流为：

$i_{\mathrm{av}}=\frac{q}{t}=\frac{{\mathrm{Cu}}_C}{t}=\frac{265200\×{10}^{-6}\×420}{15}A=7.43A$

直流侧充电电阻平均功率为：

$P_{\mathrm{av}}=i_{\mathrm{av}}^{2}R={7.43}^2\×31.9W=1.761\mathrm{kW}$

直流侧最大冲击电流为：

$i_{\max }=\frac{506}{31.94}A=15.84A$

直流侧瞬时冲击功率为：

$P_{\max }=i_{\max }^{2}R={15.84}^2\×31.94W=8.016\mathrm{kW}$

为了不单独配置整流桥充电回路，实际充电回路采用网侧IGBT的反并联二极管作为充电整流桥，充电电阻配置在交流侧，所以需要将上述直流回路计算的参数折算到交流侧。

图2所示为充电电阻在交流侧的充电电路模型，将直流电源电压Us转换成实际的三相整流桥，直流侧充电电阻R等效到交流侧三个电阻。

根据功率守恒原理，得到交直流侧电流的关系：

${3U}_a{i}_a=U_C{I}_C=2\sqrt{2}{U}_a{I}_C$

得到交流侧电流平均值为：

i_a＝0.94I_C＝0.94×7.43A＝6.98A

交流侧电阻平均功率为：

$P_{\mathrm{av}}=i_a^2{R}_a={6.98}^2{R}_a=\frac{1.761\×2\×{10}^3}{3}W=1174W$

得电阻为：

R_a＝24.10Ω

冲击电流为：

$i_{\max }=\frac{\frac{620}{\sqrt{3}}\×\sqrt{2}}{24.10}A=\frac{506}{24.10}A=21.00A$

实际变流器共有并联电容回路78只，因i_max＝21A冲击电流余量较大，实际电阻选择可在20Ω～25Ω之间，现选择20Ω进行核算，交流侧冲击功率为：

$P_{\max }=\frac{{(\frac{620}{\sqrt{3}}\×\sqrt{2})}^2}{20}W=12.8\mathrm{kW}$

采用Matlab对充电回路(按图2)进行仿真，图3为直流母线电容充电电压，在16.5-17.0s左右，直流电压达到840V左右，充电电阻被旁路，电压快速上升到稳定值1012V左右。

图4、图5为整流桥交流侧的电流，即充电电阻上的电流，上电时冲击电流被限制在25A以下，然后电流开始减小，当电阻被切除时，产生一个较大的冲击电流，大约670A，网侧IGBT并联二极管能耐受电流2637A(70℃)，因此此时IGBT反并联二极管是安全的。

图6为直流母线电容充电电流，在充电电阻被切除的瞬间，电流上冲至670A左右，直流母线上相当于有78个并联电容回路，因此每个电容上分得的电流约为670/78A＝8.6A,电容是安全的。

通过计算分析与实际运行工况分析，可以得出此变流器充电电阻的选择参数如下：

R＝20Ω；

P_av＝1500W；

P_max＝15kW；

U_n＝690V/AC，U_n为充电电阻的额定电压。

综上所述，现有充电电阻的选型基本都是经验与实验实测进行技术选型，而本发明是在理论的基础先进行参数校核，后装机进行实际验证，将理论与实际相结合，具有重要意义。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种直驱型风力发电机组变流器充电电阻选型方法，其特征在于，包括：

A、将变流器系统主拓扑进行分解化简，形成直流母线电容充电回路等效电路，所述等效电路的直流电源电压Us等效整流桥输出电压，Us上直接串联直流侧充电电阻R和直流母线电解电容C；

根据所述等效电路计算直流侧充电电阻R的电阻值及直流侧充电平均电流，进而计算直流侧充电电阻平均功率、直流侧最大冲击电流及直流侧瞬时冲击功率；

B、根据实际充电回路采用网侧IGBT的反并联二极管作为充电整流桥，充电电阻配置在交流侧的情况，将步骤A中直流侧充电回路计算得到的参数折算到交流侧，交流侧的基本参数包括：交流侧电流平均值、交流侧充电电阻平均功率、交流侧充电电阻阻值、交流侧冲击电流；

在交流侧充电电阻阻值的附近选择实际充电电阻阻值，并根据该实际充电电阻阻值核算交流侧冲击功率；

C、采用Matlab对步骤B中的充电回路进行仿真，验证步骤B中的实际充电电阻相关参数是否正确，确认正确后，根据上述参数及实际运行工况选择合适的变流器充电电阻的选择参数，选择参数包括充电电阻的阻值、充电电阻平均功率、充电电阻冲击功率、充电电阻额定电压。

2.根据权利要求1所述的直驱型风力发电机组变流器充电电阻选型方法，其特征在于，所述步骤A中的具体推导计算方法为：

首先，根据等效电路，求解一阶电路得到方程：

$u_C=U_S(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}})$

该式中，Us等效整流桥输出电压，整流桥为三相整流桥，u_C为直流母线电解电容对应的电压，即预充电电压，e为自然常数，t为充电时间，τ为一阶电路时间常数；

一阶电路时间常数τ＝RC

该式中，R为直流侧充电电阻，C为直流母线电解电容；

根据上述公式计算得到直流侧充电电阻R的阻值；

其次,根据计算得到的直流侧充电电阻R的阻值及下述公式分别计算：

直流侧充电平均电流为：

直流侧充电电阻平均功率为：

直流侧最大冲击电流为：

直流侧瞬时冲击功率为：

所述步骤B中折算方法为：

将直流电源电压Us转换成实际的三相整流桥，直流侧充电电阻R等效到交流侧三个电阻；

根据功率守恒原理，得到交直流侧电流的关系：

${3U}_a{i}_a=U_C{I}_C=2\sqrt{2}{U}_a{I}_C$

式中，U_a、i_a分别为交流侧a相的电压和交流侧的平均电流；I_C等于直流侧充电平均电流i_av；

根据上式得到交流侧电流平均值为i_a：

i_a＝0.94I_C

交流侧充电电阻平均功率：

$P_{\mathrm{av}}=i_a^2{R}_a$

该式中的交流侧充电电阻平均功率为步骤A中的直流侧充电电阻平均功率的2/3；

根据上式得交流侧充电电阻R_a；

交流侧冲击电流为：

$i_{\max }=\frac{\mathrm{Us}}{R_a}$

当交流侧冲击电流余量较大时，重新选择实际充电电阻阻值Rs；根据该阻值计算交流侧冲击功率；

$P_{\max }=\frac{{\mathrm{Us}}^2}{\mathrm{Rs}}.$

3.根据权利要求1-2任一项所述的直驱型风力发电机组变流器充电电阻选型方法，其特征在于，还包括步骤D，通过现场挂机验证步骤C中获得的充电电阻的可靠性。