CN104158409A - 一种变流器、其中放电电阻的选型方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变流器及其放电电阻的选型方法，其中变流器包括用于释放母线电压的放电电路，在变流器的正、负母线之间设置中性线并接地，在正母线与中性线形成的正母线放电回路以及负母线与中性线形成的负母线放电回路上分别设有母线支撑电容、接触器和放电电阻。选型方法是通过变流器的额定功率等和理论计算得出的放电电阻值R、电阻平均功率P_av、放电冲击电流i_max和放电冲击功率P_max值选择放电电阻。该选型方法同样应用于直驱型风电机组中。采用中性线接地进行放电回路设计，将正母线与负母线对系统同时进行放电，使原本施加到接触器与放电电阻的母线电压下降，故使接触器和放电电阻选型放宽，在满足变流系统放电要求的情况下降低了系统的生产成本。

Description

一种变流器、其中放电电阻的选型方法及其应用

技术领域

本发明涉及变流器放电电路设计领域，特别是涉及一种变流器的放电电路、该电路中放电电阻的选型方法及其在直驱型风电机组中的应用。

背景技术

随着风力发电变流技术的发展，滋生了一种新型的能量转化设备即变流器，变流器应用的前景广阔，无论在风力发电领域还是其它工业控制领域，都要求变流器具备很好的可靠性，特别是变流器的放电核心部件——放电电阻的可靠性关乎风力发电设备的安全运行。在变流器刚脱开电网时，变流器支撑电容的端子间存在一定的高电压，如果变流器中没有设置放电电阻，若运维人员接触，就会遭受触电危险；如果变流器中设置放电电阻，放电电阻可以使退出运行状态的电容器接线端子上的剩余电压在较短的时间内(15S)降至50V以下。但如果放电电阻参数的选择不正确或使用不当会导致支撑电容的使用寿命下降或导致事故发生。因此，对变流器内部的放电回路设计与电阻选型至关重要。

按照变流器的拓扑结构分为三相三线制系统与三相四线制系统，三相三线制系统中不带有中性线，三相四线制带有中性线。目前，应用于风力发电机组的变流器的拓扑结构均采用三相三线制系统，为了达到放电要求，三相三线制系统的放电回路需要连接一只放电电阻，该放电电阻通过接触器连接至正负母线，当风电机组进行维护或故障停机时，通过放电电阻完成母线电压的释放。但因为放电回路直接连接到正负母线，变流器正常运行时母线电压约为1050V/DC，变流器故障停机时将1050V/DC母线电压施加到放电回路，因此容易导致放电回路中的接触器、放电电阻的绝缘不足，从而产生拉弧放电等现象，最终导致接触器与放电电阻的使用寿命下降，并且此放电回路中需要使用价格昂贵的直流接触器和高绝缘要求的金属膜电阻，导致系统的高额生产成本。

由此可见，上述现有的风力发电机组变流器中放电回路的设计和放电电阻的选型上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种安全可靠的能使变流器中正、负母线电压快速释放的变流器及其中放电电阻的选型方法，成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有能使母线电压快速安全降低的放电电路的变流器，使变流器中放电电阻和接触器的选型放宽、成本降低，从而克服现有的变流器中放电电路的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种变流器，包括用于释放正、负母线电压的放电电路，在所述变流器的正、负母线之间设置中性线并接地，在正母线与中性线形成的正母线放电回路以及负母线与中性线形成的负母线放电回路上分别设有母线支撑电容、接触器和放电电阻。

进一步改进，所述接触器为采用主触点串联的交流接触器。

进一步改进，所述放电电阻为波纹放电电阻。

本发明还要解决的技术问题是提供一种上述变流器中放电电阻的选型方法，其能使变流器中放电电阻的选型可靠准确，从而克服现有的变流器中放电电阻选型的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种上述变流器中放电电阻的选型方法，通过变流器的放电初始电压U₀、预设的安全电压U_c、母线支撑电容的电容量C、降到安全电压的放电时间t_总、预达到平均电流的时间t_av和理论计算得出的放电电阻值R、电阻平均功率P_av、放电冲击电流i_max、放电冲击功率P_max值以及结合变流器的额定电压值选择放电电阻，其中，所述的计算步骤为：

(1)根据放电初始电压U₀、预设的安全电压U_c、放电时间t_总以及公式计算得出放电时间常数τ；

(2)再根据放电时间常数τ和所述变流器中母线支撑电容的电容量C以及公式τ＝RC，计算得出放电电阻值R；

(3)根据放电初始电压U₀、放电电阻值R、放电时间常数τ以及公式再代入预达到平均电流的时间t_av，计算得到平均电流i_av；

(4)通过平均电流i_av和放电电阻值R，计算得出电阻平均功率P_av；

(5)通过放电初始电压U₀、放电电阻值R，计算得出放电冲击电流i_max；

(6)通过放电冲击电流i_max、放电电阻值R,计算得出放电冲击功率P_max。

本发明还提供一种直驱型风电机组中变流器的放电电阻选型方法，该放电电阻的选型方法如上述变流器中放电电阻的选型方法。

进一步改进，在得出放电电阻参数后，还包括通过Matlab仿真确认参数是否正确的步骤。

采用上述的技术方案，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明采用中性线接地方式进行放电回路的设计，将正母线与负母线对系统同时进行放电，使原本施加到接触器与放电电阻的母线电压下降，故使接触器和放电电阻选型放宽，在满足变流系统放电要求的情况下大大降低了系统的生产成本。

(2)本发明放电电阻的选型方法，从理论计算、波形仿真、实际挂机验证了放电电阻的可靠性，使放电电阻的选型更加可靠准确。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明风电机组中变流器的电路设计拓扑结构示意图；

图2是利用Matlab仿真测试依据本发明选型的放电电阻在放电过程的电压曲线图；

图3是利用Matlab仿真测试依据本发明选型的放电电阻在放电过程的电流曲线图。

具体实施方式

直驱风力发电机组变流器与双馈风力发电机组变流器的需求不同，同等的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停机时需要通过放电电阻释放更大的能量，变流器放电电阻主要的功能是将支撑电容本身的电能转化为热能，从而降低支撑电容电压，保障运行维护人员安全，防止触电事故发生。

本发明采用中性线接地方式进行放电回路的设计，分别形成并联的正母线对地放电回路和负母线对地放电回路，故正母线与负母线同时对系统进行放电，使原本施加到接触器与放电电阻的母线电压由原来的1050V/DC降至580V/DC。因为工作电压的下降，对于接触器的选型要求降低，本发明还使用交流接触器主触点串联技术替换昂贵的直流接触器，使用绝缘要求较低的波纹放电电阻替换了高绝缘要求的金属膜电阻，在满足变流系统放电要求的情况下大大降低了系统的生产成本。

变流器放电电阻的选型设计需要考虑的主要参数有：额定功率、电阻阻值、冲击功率、额定电压、电阻温漂等。本发明通过提供变流器拓扑元器件基本参数，在满足系统要求的前提下，简化放电电阻实际功率，节约了成本。

本发明变流器的电路设计拓扑结构参照附图1所示，网侧通过变压器T1提供620V/AC电源；经过接触器K4与充电电阻R2组成预充电回路，提供变流器起机时刻的母线电压；D1到D6构成网侧逆变单元，将风机吸收的风能馈送至电网；C1、C2为母线支撑电容，分别由多只电容并联组成，总容量为265.2mF；C1、K5、R3构成正母线对地放电电路，C2、K6、R4构成负母线对地放电电路，用于风机在故障停机或者维护状态释放母线电压，保障运维人员安全；D7到D12构成机侧整流部分，将电机M1吸收的风能转化为直流电能。放电电阻选型方法需要考虑故障停机情况，根据放电初始电压约为580V-590V设计放电电阻参数。

依据附图1所示的一阶电路，即C1、R3、K5构成的放电环路，求解电容电压为式(1)：考虑电容电压放电到安全电压U_C为50V，放电时间t_总为60s，则得到式(2)：从式(2)求得放电时间常数τ＝RC＝24.48S，进一步得到电阻R＝92Ω。

进一步求得：

放电平均电流为：

$i_{\mathrm{av}}=\frac{q}{t}=\frac{\mathrm{CU}}{t}=\frac{265200\×{10}^{-6}\×(580-50)}{60}A=2.34A$

平均功率为：

$P_{\mathrm{av}}=i_{\mathrm{av}}^{2}R={2.34}^2\×92W=503.76W$

放电电流为式(3)：求放电到平均电流i_av需要的时间t,代入式(3)：求解得到t＝24.26s。

从上述计算得到:放电到平均电流需要的时间为24.26s，选择放电电阻的平均功率为503.76W。

考虑放电电阻温升需放电电阻功率扩容，即提升放电电阻的平均功率，按10s达到平均电流时计算功率，那么代入式(3)求得此时平均电流i_av为4.19A。则进一步得到:

电阻平均功率为:P_av＝4.19²×92W＝1615.16W；

放电冲击电流为： $i_{\max }=\frac{580}{92}A=6.3A;$

放电冲击功率为：P_max＝6.3²×92W＝3.65kW。

本发明在上述理论计算的基础上，根据计算得出的放电电阻值R、电阻平均功率P_av、放电冲击电流i_max和放电冲击功率P_max值选择放电电阻。此外，本发明还可采用matlab(矩阵实验室)对变流器放电回路进行仿真，参照附图1放电回路设计，电阻选择90Ω，从附图2和3可见，放电初始电压为580V，放电冲击电流为6.4A。可知放电冲击电流对直流母线电容冲击很小，是安全的。

本发明还通过实际挂机验证了上述变流器放电电阻的选型参数，得到安全可靠的直驱型风力发电机组变流器放电电阻。

综上，本发明通过计算分析与上述风电机组的实际运行工况分析，可以得出上述风电机组中变流器放电电阻的选择参数如下：电阻R＝90Ω；电阻平均功率P_av＝2.0kW；放电冲击功率P_max＝4.0kW；变流器的额定电压U_n＝690V/AC。

当然，本发明风电机组的变流器中放电电路的设计与其中放电电阻的选型方法，还可使用到低压电气行业，如低压变频器、矿山电气设备等。

本发明技术方案带来的有益效果为：

(1)本发明变流器拓扑结构采用三相四线制的中性线接地方式进行放电回路的设计，使正母线与负母线对系统同时进行放电，使原本施加到接触器与放电电阻的母线电压由原来的1050V/DC降至580V/DC，故接触器的选型要求降低，使用交流接触器主触点串联技术替换昂贵的直流接触器，使用绝缘要求较低的波纹放电电阻替换了高绝缘要求的金属膜电阻，在满足变流系统放电要求的情况下大大降低了系统的生产成本；

(2)通过详细的理论计算，得出实际放电电阻参数，再通过Matlab(矩阵实验室)仿真，确认参数是否正确，最后通过现场挂机验证放电电阻的可靠性，为直驱风力发电机组大功率变流器放电电阻选型提供技术保障，填补了大功率变流器对放电电阻设计需要理论依据的空白；

(3)降低了风力发电机组变流器的故障率，减少业主电力损失。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种变流器，包括用于释放正、负母线电压的放电电路，其特征在于，在所述变流器的正、负母线之间设置中性线并接地，在正母线与中性线形成的正母线放电回路以及负母线与中性线形成的负母线放电回路上分别设有母线支撑电容、接触器和放电电阻。

2.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述接触器为采用主触点串联的交流接触器。

3.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述放电电阻为波纹放电电阻。

4.根据权利要求1至3任一项所述的变流器中放电电阻的选型方法，其特征在于，通过变流器的放电初始电压U₀、预设的安全电压U_c、母线支撑电容的电容量C、降到安全电压的放电时间t_总、预达到平均电流的时间t_av和理论计算得出的放电电阻值R、电阻平均功率P_av、放电冲击电流i_max、放电冲击功率P_max值以及结合变流器的额定电压值选择放电电阻，其中，所述的计算步骤为：

(1)根据放电初始电压U₀、预设的安全电压U_c、放电时间t_总以及公式计算得出放电时间常数τ；

(2)再根据放电时间常数τ和所述变流器中母线支撑电容的电容量C以及公式τ＝RC，计算得出放电电阻值R；

(3)根据放电初始电压U₀、放电电阻值R、放电时间常数τ以及公式再代入预达到平均电流的时间t_av，计算得到平均电流i_av；

(4)通过平均电流i_av和放电电阻值R，计算得出电阻平均功率P_av；

(5)通过放电初始电压U₀、放电电阻值R，计算得出放电冲击电流i_max；

(6)通过放电冲击电流i_max、放电电阻值R,计算得出放电冲击功率P_max。

5.一种直驱型风电机组中变流器的放电电阻选型方法，其特征在于，如权利要求4所述的变流器中放电电阻的选型方法。

6.根据权利要求5所述的放电电阻的选型方法，其特征在于，在得出放电电阻参数后，还包括通过Matlab仿真确认参数是否正确的步骤。