CN110352549A - 具有碳化硅mosfet的功率转换器的接地故障隔离 - Google Patents

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Abstract

提供了用于使利用碳化硅MOSFET功率转换器的发电单元接地的系统和方法。发电单元可包括发电机，该发电机配置成产生处于第一电压下的多相交流功率。发电单元还可包括功率转换器，该功率转换器配置成使处于第一电压下的来自发电机的多相交流功率转换成处于第二电压下的多相交流功率。功率转换器可包括一个或多个碳化硅MOSFET和配置成从功率转换器移除热的至少一个散热器。功率转换器的至少一个散热器可电连接到由发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端。

Description

具有碳化硅MOSFET的功率转换器的接地故障隔离
技术领域
本主题大体上涉及功率系统，并且更特别地涉及用于使包括利用碳化硅MOSFET的功率转换器的功率系统接地并使其中的接地故障隔离的系统和方法。
背景技术
发电系统可使用功率转换器来使功率转换成适合于电网的功率形式。在典型的功率转换器中，多个开关装置(诸如，绝缘栅双极型晶体管(“IGBT”)或金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”))可用于电子电路(诸如，半桥或全桥式电路)中以转换功率。开关装置技术上的最新发展已允许在功率转换器中使用碳化硅(“SiC”)MOSFET。与常规的IGBT相比，使用SiC MOSFET允许在高得多的开关频率下操作功率转换器。
发明内容
本公开的实施例的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而认识到，或可通过实践实施例而认识到。
本公开的一个示例性方面涉及一种发电单元。发电单元可包括发电机，该发电机配置成产生处于第一电压下的多相交流功率。发电单元还可包括功率转换器，该功率转换器配置成使处于第一电压下的来自发电机的多相交流功率转换成处于第二电压下的多相交流功率。功率转换器可包括一个或多个碳化硅MOSFET和配置成从功率转换器移除热的至少一个散热器。功率转换器的至少一个散热器可电连接到由发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端。
本公开的另一示例性方面涉及一种使发电系统中的接地故障隔离的方法。发电系统可包括多个发电单元。各发电单元可包括：发电机，其配置成产生处于第一电压下的多相交流功率；以及功率转换器，其配置成使处于第一电压下的来自发电机的多相交流功率转换成处于第二电压下的多相交流功率。各功率转换器可包括一个或多个碳化硅MOSFET和配置成从功率转换器移除热的至少一个散热器。各功率转换器的至少一个散热器可电连接到由发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端。该方法可包括通过一个或多个控制装置来从发电系统中的一个或多个传感器接收指示发电单元中的功率转换器与局部接地端之间的电流的一个或多个信号。该方法可进一步包括通过一个或多个控制装置而至少部分地基于指示发电单元中的功率转换器与局部接地端之间的电流的一个或多个信号来确定是否发生了故障。当一个或多个控制装置已确定发生了故障时，该方法可进一步包括标识有故障的发电单元。该方法可进一步包括使有故障的发电单元电隔离。
本公开的另一示例性方面涉及一种发电系统。发电系统可包括多个发电单元和一个或多个控制装置。各发电单元可包括发电机，该发电机配置成产生处于第一电压下的多相交流功率。各发电单元还可包括功率转换器，该功率转换器配置成使处于第一电压下的来自发电机的多相交流功率转换成处于第二电压下的多相交流功率。功率转换器可包括一个或多个碳化硅MOSFET和配置成从功率转换器移除热的至少一个散热器。各功率转换器的至少一个散热器可电连接到由发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端。一个或多个控制装置可配置成至少部分地基于从发电单元中的至少一个散热器到局部接地端的电流来确定发电系统中的功率转换器中何时发生了接地故障。
可对本公开的这些示例性方面作出变型和修改。
参考以下描述和所附权利要求书，多种实施例的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成其部分的附图示出了本公开的实施例，并与描述一起用于阐释相关的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了实施例的针对本领域普通技术人员的详细讨论，在附图中：
图1描绘了示例性发电单元；
图2描绘了根据本公开的示例性方面的用于在功率转换器中使用的示例性元件；
图3描绘了根据本公开的示例性方面的功率转换器；
图4描绘了根据本公开的示例性方面的示例性发电系统；
图5描绘了根据本公开的示例性方面的示例性方法；
图6描绘了根据本公开的示例性方面的适合于在控制装置中使用的元件。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。各示例作为本发明的阐释而非本发明的限制来提供。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中作出多种修改和变型。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起用于产生另外的其它实施例。因此，意图的是，本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。
本公开的示例性方面涉及用于使利用具有SiC MOSFET的功率转换器的发电系统接地并使其中的接地故障隔离的系统和方法。例如，发电系统(诸如，将双馈感应发电机(“DFIG”)用作发电单元的系统)可使用一个或多个功率转换器来使功率从低压多相交流功率转换成中压多相交流功率。多个发电单元(诸如，DFIG)可布置成群集，并且可一起向公共变压器(“群集变压器”)馈送功率。群集变压器可将中压功率升压成适合于通过一条或多条功率传输线路来传输的更高电压的功率。
然而，偶尔在这些功率转换器中可发生接地故障(诸如，当发生绝缘失效时)。在一些配置中，当在功率转换器中发生接地故障时，接地故障可传播到群集变压器，并且可触发用于群集的接地故障保护方案，从而使整个群集跳闸(trip)而脱机(offline)。在这样的配置中，与单个发电单元相关联的单独功率转换器中的接地故障可使发电系统中的所有发电单元都跳闸而脱机。这可降低整个发电系统的可用性和功率输出。此外，当发生这样的接地故障时，接地故障的位置可能难以检测并隔离，从而可能需要延长的维护周期和系统停机时间。
本公开的示例性方面涉及使发电单元和/或功率转换器接地以使功率转换器中的故障电流(诸如，由于绝缘失效而导致的故障电流)接地的系统和方法。例如，系统和方法可使发电单元和/或功率转换器的中压(“MV”)侧接地。如本文中使用的那样，“MV”功率可为大于大约1.5千伏且小于大约100千伏的功率。如本文中使用的那样，用语“大约”可表示在所陈述的值的20％内。例如，发电系统可包括多个发电单元。各发电单元可包括发电机(诸如，DFIG)，其可配置成产生处于第一电压下的多相交流功率(诸如，低压(“LV”)功率)。如本文中使用的那样，“LV”功率可为小于大约1.5千伏的功率。各发电单元还可包括功率转换器，该功率转换器包括一个或多个SiC MOSFET和至少一个散热器，至少一个散热器配置成从功率转换器的一个或多个构件移除热。功率转换器可配置成使处于第一电压下的来自发电机的多相交流功率转换成处于第二电压下的多相交流功率(诸如，通过使LV AC功率转换成MVAC功率)。各功率转换器的至少一个散热器可电连接到由发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端。局部接地端可特定于发电单元，并且可处于参考或非零电压水平下。发电单元和/或系统可进一步包括控制装置，其可配置成确定功率转换器中何时发生了接地故障。
在实施例中，当在发电单元或发电系统中的功率转换器中发生了接地故障时，控制装置可进一步配置成确定哪个发电单元中发生了接地故障。例如，控制装置可配置成接收指示发电单元中的功率转换器与局部接地端之间的电流的一个或多个信号。控制装置可进一步配置成通过例如将电流与阈值进行比较来确定是否发生了故障。例如，如果电流超过阈值，则控制装置可确定发生了接地故障。此外，控制装置可配置成标识有故障的发电单元，诸如包括经历了接地故障的功率转换器的发电单元。此外，控制装置可配置成使有故障的发电单元电隔离(诸如，例如通过断开一个或多个开关来使有故障的发电单元从发电系统断开)。
例如，发电系统可包括多个DFIG，其中各DFIG耦合到功率转换器。来自各功率转换器的功率输出可由群集网络收集，该群集网络可配置成将功率转换器的组合输出输送到群集变压器。群集变压器可电连接到功率系统中的多个发电单元(诸如，通过连接到群集网络)，并且可配置成使来自各发电单元的功率从第一形式的功率转换成第二形式的功率。例如，群集变压器可为三绕组式变压器，其配置成使来自DFIG的群集的MV功率转换成适合于通过电网传输系统而传输的高压(“HV”)功率。如本文中使用的那样，HV功率可为大于大约100千伏的功率。在一个或多个实施例中，群集变压器可电连接到接地端。例如，群集变压器可为中性成形的变压器，诸如呈星形或锯齿形配置的变压器。群集变压器的中性端可电连接到接地端(诸如，例如通过完全接地(solid earth)的接地端)。在实施例中，群集变压器可为高阻抗接地的(诸如，通过将高阻抗电阻器电连接到接地端和群集变压器的中性端)。高阻抗电阻器可为例如被选择成传送与群集变压器相关联的故障电流的电阻器。
在实施例中，各发电单元可进一步包括多相滤波器，其电连接到发电单元中的功率转换器的功率输出端。例如，各多相滤波器可配置成从相关联的功率转换器的功率输出中移除一个或多个谐波，以便调节功率输出以满足某些功率品质标准。各多相滤波器可包括例如一个或多个电感器和电容器。在实施例中，用于多相滤波器的各相的滤波电容器可电连接以形成中性节点。例如，功率转换器可为三相功率转换器，并且多相滤波器可包括用于三相中的各相的至少一个电感器和电容器。三个滤波电容器可电连接在一起以形成中性节点。在实施例中，各功率转换器的至少一个散热器可通过将至少一个散热器电连接到中性节点而电连接到局部接地端。例如，一根或多根接地导线可连接在功率转换器中的一个或多个散热器与由多相滤波器中的滤波电容器形成的中性节点之间。
在实施例中，各功率转换器可包括多个DC-DC-AC逆变器组块(block)。例如，各DC-DC-AC逆变器组块可包括连接在一个或多个桥式电路中的多个SiC MOSFET。此外，各DC-DC-AC逆变器组块可包括隔离变压器，该隔离变压器配置成将来自发电机的LV功率升压至MV功率。在实施例中，各隔离变压器可包括变压器散热器。例如，隔离变压器的芯体可配置成从隔离变压器耗散热。在实施例中，隔离变压器的变压器散热器可电连接到局部接地端，诸如由多相滤波器的滤波电容器形成的中性节点。此外，各DC-DC-AC逆变器组块可进一步包括：第一转换实体，其配置成使DC功率转换成AC功率；第二转换实体，其配置成使AC功率转换成DC功率；以及第三转换实体，其配置成使DC功率转换成AC功率。隔离变压器可耦合在第一转换实体与第二转换实体之间。第二转换实体和第三转换实体可包括转换器散热器。在实施例中，转换器散热器可电连接到局部接地端，诸如由多相滤波器的滤波电容器形成的中性节点。其它局部接地端可类似地用于使功率转换器中的散热器接地。
以此方式，根据本公开的示例性方面的系统和方法可具有使包括利用SiC MOSFET的功率转换器的功率系统接地的技术效果。此外，根据本公开的示例性方面的系统和方法可允许标识并隔离有故障的发电单元和/或有故障的功率转换器，从而允许包括有故障的功率转换器的发电单元与发电系统中的其它发电单元电隔离。例如，根据本公开的示例性方面的系统和方法可允许单独的发电单元(诸如，DFIG和相关联的功率转换器)与发电系统中的其它发电单元电隔离，从而防止故障传播到群集变压器。这可允许提高发电系统中的未受影响的发电单元的可用性，同时保护单独发电单元中的构件。
现在参考附图，将更详细地讨论本公开的示例性方面。图1描绘了根据本公开的示例性方面的发电单元100，其包括DFIG 120。出于说明和讨论的目的，将参考图1的示例性发电单元100来讨论本公开。使用本文中提供的公开的本领域普通技术人员应当理解，本公开的方面也可适用于其它系统(诸如，全功率转换式风力涡轮系统、太阳能功率系统、能量存储系统和其它功率系统)中。
在示例性发电单元100中，转子106包括联接到旋转毂110的多个转子叶片108。在示例性发电单元100中，任选的齿轮箱118可联接到发电机120。根据本公开的方面，发电机120是双馈感应发电机(DFIG) 120。
DFIG 120典型地耦合到定子总线154，并且经由转子总线156来耦合到功率转换器162。定子总线提供来自DFIG 120的定子的输出多相功率(例如，三相功率)，并且转子总线156提供DFIG 120的输出多相功率(例如，三相功率)。功率转换器162可为配置成将输出功率提供给功率输送点184和/或从功率输送点184接收功率的双向功率转换器。如本文中描述的那样，功率输送点184可为例如电网或群集网络。如显示的那样，DFIG 120经由转子总线156来耦合到转子侧转换器166。转子侧转换器166耦合到线路侧转换器168，线路侧转换器168继而耦合到线路侧总线188。辅助功率馈送装置(未描绘)可耦合到线路侧总线188，以为在风力涡轮系统中使用的构件(诸如，风力涡轮系统的风扇、泵、电动机和其它构件)提供功率。
在示例性配置中，转子侧转换器166和/或线路侧转换器168配置成用于将SiCMOSFET和/或IGBT用作开关装置的三相脉冲宽度调制(PWM)布置中的正常操作模式。与常规的IGBT相比，SiC MOSFET可在非常高的频率下开关。例如，SiC MOSFET可在从大致0.01 Hz至10 MHz的频率下开关，其中典型的开关频率为1 KHz至400 KHz，而IGBT可在从大致0.01Hz至200 KHz的频率下开关，其中典型的开关频率为1 KHz至20 KHz。另外，当在一些电压范围中操作时，SiC MOSFET可提供相对于普通MOSFET的优点。例如，在在LV侧上在1200V-1700V下操作的功率转换器中，SiC MOSFET具有比普通MOSFET更低的开关和传导损耗。
在一些实施方式中，如将关于图2和图3而更详细地讨论的那样，转子侧转换器166和/或线路侧转换器168可包括多个转换模块，其各自与多相功率的输出相相关联。转子侧转换器166和线路侧转换器168可经由DC链路126来耦合，DC链路电容器138可跨过DC链路126。
在一些实施例中，DC链路126可包括动态制动器(未显示)。动态制动器可包括与耗能元件(例如，电阻器)串联耦合的开关元件(例如，IGBT)。可经由一个或多个控制装置(例如，控制器174或控制系统176)使用脉冲宽度调制技术来控制开关元件，以控制DC链路126上的电压。
在一些实施例中，DC链路126可包括串联耦合在正总线与负总线之间的多个电阻器(例如，两个电阻器)。接地端可耦合在电阻器之间的中点处。
功率转换器162可耦合到控制装置174，以控制转子侧转换器166和线路侧转换器168的操作。应当注意的是，在典型的实施例中，控制装置174配置为功率转换器162与控制系统176之间的接口。
在操作中，在DFIG 120处通过使转子106旋转而产生的功率经由双路径来提供给功率输送点184。双路径由定子总线154和转子总线156限定。在定子总线154侧上，将正弦多相(例如，三相)提供给功率输送点(例如，电网或群集网络)。特别地，经由定子总线154来提供的AC功率可为中压(“MV”)AC功率。在转子总线侧156上，将正弦多相(例如，三相)AC功率提供给功率转换器162。特别地，经由转子总线156来提供给功率转换器162的AC功率可为低压(“LV”)AC功率。转子侧功率转换器166使从转子总线156提供的LV AC功率转换成DC功率，并且将DC功率提供给DC链路126。在转子侧功率转换器166的并联桥式电路中使用的开关装置(例如，SiC MOSFET和/或IGBT)可被调制，以使从转子总线156提供的AC功率转换成适合于DC链路126的DC功率。这样的DC功率可为LV DC功率。
在发电单元100中，功率转换器162可配置成使LV AC功率转换成MV AC功率。例如，线路侧转换器168可使DC链路126上的LV DC功率转换成适合于功率输送点184的MV AC功率。特别地，在线路侧功率转换器168的桥式电路中使用的SiC MOSFET可被调制，以使DC链路126上的DC功率转换成线路侧总线188上的AC功率。SiC MOSFET可在比常规的IGBT更高的开关频率下操作。另外，耦合到桥式电路中的一个或多个的一个或多个隔离变压器可配置成使电压升高至MV电压。来自功率转换器162的MV AC功率可与来自DFIG 120的定子的MV功率组合，以提供具有基本上维持于功率输送点184的频率(例如，50 Hz/60 Hz)下的频率的多相功率(例如，三相功率)。以此方式，MV线路侧总线188可耦合到MV定子总线154以提供这样的多相功率。在实施例中，如本文中描述的那样，多个发电单元可被包括在发电系统中，发电系统可包括群集网络，群集网络配置成从各发电单元接收MV AC功率并且将MV AC功率提供给群集变压器。
多种电路断路器和开关(诸如，断路器182、定子同步开关158等)可被包括在发电单元100中，以用于在连接到功率输送点184和从功率输送点184断开的期间如对于DFIG120的正常操作而言必要的那样使多种构件隔离。以此方式，这样的构件可配置成例如当电流过大并且可损坏发电单元100的构件时或出于其它操作考虑而使对应的总线连接或断开。额外的保护构件也可被包括在发电单元100中。例如，如图1中描绘的那样，可包括多相撬棒(crowbar)电路190，以防止损坏发电单元100的电路的过电压状况。
功率转换器162可经由控制装置174来从例如控制系统176接收控制信号。控制信号可尤其基于发电单元100的感测到的状况或操作特性。典型地，控制信号提供对功率转换器162的操作的控制。例如，呈DFIG 120的感测到的速度的形式的反馈可用于控制来自转子总线156的输出功率的转换，以维持适当并且平衡的多相(例如，三相)功率供应。来自其它传感器的其它反馈(包括例如定子和转子总线电压和电流反馈)也可被控制装置174用于控制功率转换器162。可使用多种形式的反馈信息来产生开关控制信号(例如，针对开关装置的栅极定时命令)、定子同步控制信号以及电路断路器信号。在实施例中，控制装置174可配置成感测发电系统100中的功率转换器162中的接地故障。例如，如下文将更详细地讨论的那样，功率转换器162中的一个或多个散热器可电连接到由发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端。一个或多个传感器可配置成感测功率转换器中的接地故障(诸如，由于绝缘失效而导致的接地故障)，并且可将指示功率转换器与局部接地端之间的电流的一个或多个信号提供给控制装置174。在实施例中，控制装置174可配置成确定哪个功率转换器162中发生了接地故障，并且可进一步配置成使发生接地故障的发电单元100电隔离。
现在参考图2，描绘了DC-DC-AC转换器中的构件的拓扑结构。图2描绘了示例性DC-DC-AC逆变器组块206，如图3中描绘的那样，DC-DC-AC逆变器组块206可被包括在线路侧转换器168的转换模块200中。各逆变器组块206可包括多个转换实体。例如，逆变器组块206可包括转换实体212、转换实体214和转换实体216。各转换实体212-216可包括并联耦合的多个桥式电路。例如，转换实体216包括桥式电路218和桥式电路220。如指示的那样，各桥式电路可包括串联耦合的多个开关装置。例如，桥式电路220包括上部开关装置222和下部开关装置224。开关装置可为SiC MOSFET，其可在比常规的IGBT更高的开关频率下操作。如显示的那样，逆变器组块206进一步包括隔离变压器226。隔离变压器226可耦合到转换实体212和转换实体214。如显示的那样，逆变器组块206可进一步包括电容器228和230。
第一转换实体212、隔离变压器226和第二转换实体214可一起限定内部转换器240。可操作内部转换器240以使LV DC功率从DC链路126转换到外部转换器处的第二LV DC功率总线。在实施例中，内部转换器240可为高频谐振转换器。在谐振转换器配置中，谐振电容器232可被包括在内部转换器240中。在多种实施例中，谐振电容器232可被包括在隔离变压器226的LV侧上(如图2中描绘的那样)、在隔离变压器226的MV侧上(未描绘)，或在隔离变压器226的LV侧和MV侧二者上(未描绘)。在另一实施例中，通过移除谐振电容器232，内部转换器240可为硬开关型转换器。第三转换实体216也可被称为外部转换器216。外部转换器216可使来自内部转换器的LV DC功率转换成适合于在电网184上使用的LV AC功率。在典型的应用中，外部转换器216可为硬开关型转换器，并因此不包括谐振电容器。
图3描绘了根据本公开的示例性实施例的示例性线路侧转换器168。如显示的那样，线路侧转换器168包括转换模块200、转换模块202和转换模块204。转换模块200-204可配置成从转子侧转换器166接收LV DC功率并且使LV DC功率转换成MV AC功率以用于馈送到功率输送点184。各转换模块200-204与三相输出AC功率的单相相关联。特别地，转换模块200与三相输出功率的A相输出相关联，转换模块202与三相输出功率的B相输出相关联，并且转换模块204与三相输出功率的C相输出相关联。
各转换模块200-204包括多个逆变器组块206-210。例如，如显示的那样，转换模块200包括逆变器组块206、逆变器组块208和逆变器组块210。在实施例中，各转换模块200-204可包括任何数量的逆变器组块206-210。线路侧转换器168可为双向功率转换器。线路侧转换器168可配置成使LV DC功率转换成MV AC功率以及反过来。例如，当将功率提供给功率输送点184时，线路侧转换器168可配置成在线路侧转换器168的LV侧上从DC链路126接收LVDC功率并且在线路侧转换器168的MV侧上输出MV AC功率。逆变器组块206-210可在LV侧上并联耦合在一起，并且可在MV侧上串联耦合在一起。
在一个特定的示例性实施方式中，当将功率提供给功率输送点184时，转换实体212可配置成使DC链路126上的LV DC转换成LV AC功率。隔离变压器226可配置成提供隔离。转换实体214可配置成使LV AC功率转换成LV DC功率。转换实体216可配置成使LV DC功率转换成适合于提供给功率输送点184的LV AC功率。多个逆变器组块可串联连接以构建适合于在MV AC电网上使用的MV AC电压。
逆变器组块206-210可配置成促成由转换模块200提供的总体MV AC功率。以此方式，任何适合的数量的逆变器组块都可被包括在转换模块200-204内。如指示的那样，各转换模块200-204与输出功率的单相相关联。以此方式，可使用适合的栅极定时命令(例如，其由一个或多个适合的驱动器电路提供)来控制转换模块200-204的开关装置，以产生将提供给电网的输出功率的适当的相。例如，控制装置174可将适合的栅极定时命令提供给桥式电路的开关装置的栅极。栅极定时命令可控制SiC MOSFET和/或IGBT的脉冲宽度调制，以提供期望的输出。
将认识到，尽管图3仅描绘了线路侧转换器168，但图2中描绘的转子侧转换器166可包括相同或类似的拓扑结构。特别地，转子侧转换器166可包括如参考线路侧转换器168而描述的具有一个或多个转换实体的多个转换模块。此外，将认识到，线路侧转换器168和转子侧转换器166可包括SiC MOSFET、IGBT开关装置和/或其它适合的开关装置。在其中使用SiC MOSFET来实施转子侧转换器166的实施方式中，转子侧转换器166可耦合到撬棒电路(例如，多相撬棒电路190)，以在某些故障状况期间保护SiC MOSFET免受高转子电流的影响。
大体上参考图1-3，发电系统100的MV侧或定子侧可能需要控制接地故障的方法以确保MV侧上的绝缘系统在故障期间不会被高压损坏。例如，如果在功率转换器162中将发生绝缘失效，则功率转换器162可经历接地故障(诸如，例如当在功率转换器162的一个或多个构件与散热器之间发生电弧闪光时)。如果功率转换器162未适当地接地，则功率转换器162中的故障电流可传播到群集变压器，并且群集保护方案可使整个群集跳闸而脱机。
现在参考图4，描绘了根据本公开的示例性方面的发电系统400。利用相同的参考数字来指代与图1-3中的元件相同或类似的元件。如图4中描绘的那样，发电系统400可包括多个发电单元100。例如，如图4中显示的那样，发电系统400包括第一发电单元100A、第二发电单元100B、第三发电单元100C和第四发电单元100N。根据本公开的示例性方面，发电系统400可包括任何数量的发电单元100。各发电单元100可包括例如配置成产生多相AC功率的DFIG式发电机以及功率转换器，功率转换器可包括一个或多个碳化硅MOSFET和至少一个散热器。
例如，图4中描绘了发电单元100A的部分，其包括DC链路126、DC链路电容器138和多个DC-DC-AC逆变器组块(诸如，图2和图3中描绘的逆变器组块206-210)。如本文中描述的那样，各发电单元100可包括其它构件。如图2和图3中描述的那样，各DC-DC-AC逆变器组块可包括电容器228和230、转换实体212、转换实体214、转换实体216和隔离变压器226。
各DC-DC-AC逆变器组块可包括转换器散热器410，该转换器散热器410配置成从DC-DC-AC逆变器组块的一个或多个构件移除热。例如，转换器散热器410可配置成从转换实体214、转换实体216和电容器230移除热。转换器散热器410可类似地配置成从DC-DC-AC逆变器组块中的DC-AC逆变器(诸如，转换实体216)移除热。DC-DC-AC逆变器组块或DC-DC-AC逆变器组块中的DC-AC逆变器中可包括其它转换器散热器410，诸如配置成从DC-DC-AC逆变器组块或DC-AC逆变器移除热的任何转换器散热器410。转换器散热器410可由任何适合的热耗散材料构造。例如，诸如铜、铝和钢的金属可用于散热器410。诸如铜锌(黄铜)、铝碳化硅(AlSiC)、铜-钨或铝镁的化合物也可用于散热器410。此外，也可使用一些陶瓷材料和金刚石散热器。
另外，各DC-DC-AC逆变器组块可包括一个或多个变压器散热器，其配置成从隔离变压器移除热。例如，如图4中描绘的那样，各DC-DC-AC逆变器组块可包括变压器散热器420，其配置成从隔离变压器226移除热。变压器散热器420可为例如隔离变压器226的芯体。隔离变压器226中可包括其它变压器散热器420，诸如配置成从隔离变压器226移除热的任何变压器散热器420。变压器散热器420可由任何适合的热耗散材料构造。例如，诸如铜、铝和钢的金属可用于散热器420。诸如铜锌(黄铜)、铝碳化硅(AlSiC)、铜-钨或铝镁的化合物也可用于散热器420。此外，也可使用一些陶瓷材料和金刚石散热器。
在实施例中，转换器散热器410和变压器散热器420可电连接到由发电系统的一个或多个构件形成的局部接地端。例如，转换器散热器410和变压器散热器420可电连接到由多相滤波器430的电容器形成的中性节点438。转换器散热器410和变压器散热器420可电连接到一根或多根接地导线415。接地导线415可为例如配置成将接地故障电流传导至局部接地端的导线。例如，如图4中描绘的那样，转换器散热器410A、410B、410N和变压器散热器420A、420B和420N都通过接地导线415连接到中性节点438，如下文将更详细地讨论的那样。如图4中描绘的那样，接地故障425可发生在功率转换器162中，诸如发生在线路侧转换器166的DC-DC-AC逆变器组块中。接地故障425可能是由于例如DC-DC-AC逆变器组块的SiCMOSFET或其它构件中的一个中的绝缘失效。在功率转换器162经历接地故障(诸如，图4中示出的接地故障425)的情况下，接地导线415可将由于接地故障425而导致的电流传送到局部接地端(诸如，中性节点438)。
发电系统可进一步包括多相滤波器430。例如，如图4中描绘的那样，来自功率转换器162的多相输出的各相可由多相滤波器430滤波。多相滤波器430的各相可包括一个或多个电感器和电容器。例如，如图4中描绘的那样，多相滤波器430的各相包括第一电感器432、第二电感器436和电容器434。在实施例中，来自多相滤波器430的各相的滤波电容器434可电连接以形成中性节点438。例如，如图4中显示的那样，滤波电容器434A、滤波电容器434B和滤波电容器434C的中性端都连接在一起以形成单个节点，该节点是中性节点438。中性节点438可处于参考电压或非零电压下。中性节点438可电连接到一根或多根接地导线415，并且进一步电连接到转换器散热器410和变压器散热器420，从而允许在功率转换器162中发生的接地故障接地至中性节点438。
发电系统400可进一步包括群集变压器440。群集变压器440可为例如中性成形的群集变压器，诸如呈星形或锯齿形配置的变压器。在实施例中，群集变压器440可电连接到变压器接地端470。例如，变压器接地端470可为完全接地的接地端，其可电连接到群集变压器440的中性端。在实施例中，高阻抗电阻器(未描绘)可电连接在群集变压器440与变压器接地端470之间。例如，高阻抗电阻器可为被选择成传送与群集变压器440相关联的漏电流或接地故障电流的电阻器。在这样的配置中，群集变压器440可通过高阻抗电阻器而电连接到变压器接地端470。
群集变压器440可通过群集网络442而连接到各发电单元100。群集网络442可为例如多根导线，其配置成从发电单元100中的各功率转换器接收功率输出，并且进一步配置成将来自各发电单元100的功率传输到群集变压器440。群集变压器440可通过电连接到群集网络442而电连接到发电系统400中的多个发电单元100，并且可配置成使来自各发电单元的功率从第一形式的功率转换成第二形式的功率。例如，群集变压器可为三绕组式变压器，其配置成使来自DFIG的群集的MV功率转换成适合于通过电网传输系统而传输的高压(“HV”)功率。群集变压器可进一步配置成将经转换的功率(即，第二功率)(诸如，HV功率)提供给电网460。电网460可为例如多相(例如，三相)电力传输网。在一个或多个实施例中，群集网络442可配置成传送来自发电单元100的单相功率或多相功率(例如，三相功率)。
发电系统400可进一步包括功率系统控制装置450。功率系统控制装置450可为例如配置成监测发电系统400的一个或多个特性的计算装置或其它控制装置，并且可进一步配置成控制发电系统400的多种构件。例如，功率系统控制装置450可配置成确定发电系统400中的功率转换器162中何时发生了接地故障。
例如，功率系统控制装置450可通信地耦合到发电系统400的各处的一个或多个传感器。例如，接地故障电流传感器445可配置成感测接地线415中的电流。在实施例中，接地故障传感器445可进一步配置成感测接地故障电流的方向。接地故障传感器445可例如在中性节点438与一个或多个转换器散热器410和变压器散热器420之间连接到一根或多根接地导线415。接地故障传感器445可将指示功率转换器与局部接地端之间的电流的一个或多个信号(诸如，电流测量值和/或电流方向)提供给功率系统控制装置450。功率系统控制装置450可配置成至少部分地基于来自(一个或多个)接地故障传感器445的一个或多个信号来确定发电系统400中已发生接地故障。
在实施例中，功率系统控制装置450可配置成确定发电系统400中的哪个发电单元100中发生了接地故障。例如，功率系统控制装置450可耦合到发电系统400的各处的多个接地故障传感器445，诸如各发电单元100中的一个或多个接地故障传感器445。如果由接地故障传感器445感测到的电流超过阈值(诸如，与接地故障相关联的阈值)，则功率系统控制装置450可标识有故障的发电单元，诸如其中功率转换器与局部接地端之间的电流超过阈值的发电单元。此外，通过使用来自多个接地故障传感器445的多个信号，功率系统控制装置450可配置成确定接地故障电流在发电系统400中沿哪个方向流动。通过比较不同发电单元100中的接地故障电流方向，功率系统控制装置450可配置成标识与有故障的发电单元相关联的接地故障。例如，如果接地故障电流从一个或多个发电单元100流入特定的发电单元100中，则功率系统控制装置450可配置成基于接地故障电流流动来确定有故障的发电单元。
在实施例中，功率系统控制装置450可进一步配置成使有故障的发电单元电隔离。例如，功率系统控制装置450可配置成关闭有故障的功率转换器162、断开一个或多个开关(未显示)或执行其它控制动作以使有故障的发电单元电隔离。这样一来，功率系统控制装置450可防止接地故障传播到群集变压器，从而允许未受影响的发电单元100继续发电。
虽然将功率系统控制装置450描绘为配置成监测发电系统400的单个控制装置，但本领域普通技术人员将认识到，功率系统控制装置450及其相关联的功能可由各发电单元中的多个控制装置(诸如，控制装置174)执行。例如，发电系统400可包括分布式控制方案，其中各发电单元100包括配置成执行功率系统控制装置450的一个或多个功能的控制装置174。此外，在分布式控制方案中，各控制装置174可配置成与网络和/或其它控制装置174通信。
现在参考图5，描绘了根据本公开的示例性方面的用于使发电系统中的接地故障隔离的方法(500)。发电系统可包括多个发电单元，其中各发电单元包括诸如DFIG 120的发电机和诸如功率转换器162的功率转换器。发电机可配置成产生处于第一电压下的多相交流功率，并且功率转换器可配置成使处于第一电压下的多相交流功率转换成处于第二电压下的多相交流功率。各功率转换器可包括一个或多个SiC MOSFET和至少一个散热器，至少一个散热器配置成从功率转换器的一个或多个构件移除热。至少一个散热器可电连接到由发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端。
在(502)处，方法(500)可包括通过一个或多个控制装置来从发电系统中的一个或多个传感器接收指示发电单元中的功率转换器与局部接地端之间的电流的一个或多个信号。例如，接地故障电流传感器445可配置成感测连接到转换器散热器410或变压器散热器420和中性节点438的接地导线415中的电流和电流方向。接地故障传感器445可配置成将指示电流的一个或多个信号发送到控制装置，诸如控制装置174或功率系统控制装置450。控制装置174/450可从接地故障传感器445接收信号。
在(504)处，方法(500)可包括通过一个或多个控制装置而至少部分地基于指示发电单元中的功率转换器与局部接地端之间的电流的一个或多个信号来确定是否发生了故障。例如，控制装置174/450可配置成如果功率转换器与局部接地端之间的电流超过阈值(诸如，零电流阈值)则确定发生了接地故障。可类似地使用其它阈值。控制装置174/450可配置成基于一个或多个信号来确定发生了接地故障(诸如，当电流超过阈值时)。
在(506)处，当一个或多个控制装置已确定发生了故障时，一个或多个控制装置可标识有故障的发电单元。例如，控制装置174/450可确定从功率转换器162到中性节点438的电流超过阈值的发电单元100是有故障的发电单元。控制装置174/450可将其中功率转换器与局部接地端之间的电流超过阈值的发电单元选择为有故障的发电单元。此外，控制器174/450可至少部分地基于指示来自接地故障传感器445的电流的一个或多个信号来确定接地故障电流的方向。例如，控制装置174/450可耦合到发电系统400的各处的多个接地故障传感器445，诸如各发电单元100中的一个或多个接地故障传感器445。通过使用来自多个接地故障传感器445的一个或多个信号，控制装置174/450可配置成确定接地故障沿哪个方向流动。通过比较不同发电单元100中的接地故障电流方向，功率系统控制装置450可配置成使接地故障隔离到特定的发电单元100。例如，如果接地故障电流从一个或多个发电单元100流入特定的发电单元100中，则功率系统控制装置450可配置成基于接地故障电流来确定有故障的发电单元。
在(508)处，方法(500)可包括使有故障的发电单元电隔离。例如，控制装置174/450可配置成关闭有故障的功率转换器162、断开一个或多个开关或执行其它控制动作以使有故障的发电单元电隔离。这样一来，功率系统控制装置450可防止接地故障传播到群集变压器，从而允许未受影响的发电单元100继续发电。
图6描绘了根据本公开的示例性实施例的示例性计算系统600。计算系统600例如可用作发电系统400中的控制装置174或功率系统控制装置450。计算系统600可包括一个或多个计算装置610。(一个或多个)计算装置610可包括一个或多个处理器610A和一个或多个存储装置610B。一个或多个处理器610A可包括任何适合的处理装置，诸如微处理器、微控制装置、集成电路、逻辑装置和/或其它适合的处理装置。一个或多个存储装置610B可包括一个或多个计算机可读介质，其包括但不限于非暂时性计算机可读介质、RAM、ROM、硬盘驱动器、闪速驱动器和/或其它存储装置。
一个或多个存储装置610B可存储能够由一个或多个处理器610A存取的信息，该信息包括可由一个或多个处理器610A执行的计算机可读指令610C。指令610C可为在由一个或多个处理器610A执行时使一个或多个处理器610A执行操作的任何指令集。在一些实施例中，指令610C可由一个或多个处理器610A执行以使一个或多个处理器610A执行操作，诸如计算系统600和/或(一个或多个)计算装置610针对其而配置的任何操作和功能、如本文中描述的用于使发电系统中的接地故障隔离的操作(例如，方法500)和/或一个或多个计算装置610的任何其它操作或功能。指令610C可为以任何适合的编程语言来编写的软件，或可在硬件中实施。另外和/或备选地，可在(一个或多个)处理器610A上的逻辑上和/或实际上分开的线程中执行指令610C。(一个或多个)存储装置610B可进一步存储可由(一个或多个)处理器610A存取的数据610D。例如，数据610D可包括指示下者的数据：功率流、电流、实际电压、接地故障电流、标称电压和/或本文中描述的任何其它数据和/或信息。
(一个或多个)计算装置610还可包括用于例如与系统600的其它构件通信(例如，经由网络)的网络接口610E。网络接口610E可包括用于与一个或多个网络对接的任何适合的构件，其包括例如发射器、接收器、端口、控制装置、天线和/或其它适合的构件。例如，网络接口610E可配置成与发电系统400中的一个或多个传感器(诸如，一个或多个接地故障电流传感器445)通信。
本文中讨论的技术参考基于计算机的系统以及通过基于计算机的系统而采取的动作和发送至和发送自基于计算机的系统的信息。本领域普通技术人员将认识到，基于计算机的系统的固有灵活性允许在构件之间和之中有许多种可能的配置、组合以及任务和功能的分配。例如，可使用单个计算装置或以组合的形式工作的多个计算装置来实施本文中讨论的过程。数据库、存储器、指令和应用程序可在单个系统上实施或分布在多个系统中。分布式构件可按顺序或并行地操作。
出于说明和讨论的目的，参考包括利用碳化硅MOSFET的功率转换器的DFIG发电系统来讨论本公开。使用本文中提供的公开的本领域普通技术人员将理解，其它发电系统和/或拓扑结构可受益于本公开的示例性方面。例如，本文中公开的接地和保护方案可用于风力发电系统、太阳能发电系统、燃气涡轮发电系统或其它适合的发电系统中。尽管多种实施例的具体特征可在一些附图中显示而不在其它附图中显示，但这仅是为了方便起见。根据本公开的原理，附图的任何特征都可与任何其它附图的任何特征组合来引用和/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性区别的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种发电单元，包括：
发电机，其配置成产生处于第一电压下的多相交流功率；以及
功率转换器，其配置成使处于所述第一电压下的来自所述发电机的所述多相交流功率转换成处于第二电压下的多相交流功率，所述功率转换器包括一个或多个碳化硅MOSFET和至少一个散热器，所述至少一个散热器配置成从所述功率转换器移除热；并且
其中，所述功率转换器的所述至少一个散热器电连接到由所述发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端。
2.根据权利要求1所述的发电单元，其特征在于，所述发电单元进一步包括：
一个或多个控制装置，其配置成检测所述功率转换器中的接地故障。
3.根据权利要求2所述的发电单元，其特征在于，所述发电单元进一步包括：
一根或多根接地导线，其中所述功率转换器的所述至少一个散热器通过所述一根或多根接地导线而电连接到所述局部接地端；并且
其中，所述一个或多个控制装置配置成通过感测所述一根或多根接地导线中的电流来检测所述功率转换器中的接地故障。
4.根据权利要求2所述的发电单元，其特征在于，所述一个或多个控制装置进一步配置成当在所述功率转换器中检测到接地故障时使所述发电单元电隔离。
5.根据权利要求1所述的发电单元，其特征在于，所述发电单元进一步包括多相滤波器，其配置成对所述功率转换器的多相功率输出进行滤波。
6.根据权利要求5所述的发电单元，其特征在于，所述多相滤波器包括用于来自所述功率转换器的所述多相功率输出的各相的至少一个电感器和至少一个电容器。
7.根据权利要求6所述的发电单元，其特征在于，用于所述多相滤波器的各相的所述电容器电连接以形成中性节点；并且
其中，通过将所述功率转换器的所述至少一个散热器电连接到所述中性节点，所述功率转换器的所述至少一个散热器电连接到由所述发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端。
8.根据权利要求1所述的发电单元，其特征在于，所述功率转换器包括多个DC-DC-AC逆变器组块。
9.根据权利要求7所述的发电单元，其特征在于，各DC-DC-AC逆变器组块包括隔离变压器，其中各隔离变压器包括变压器散热器；并且
其中，通过将所述变压器散热器电连接到由所述发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端，所述功率转换器的所述至少一个散热器电连接到所述局部接地端。
10.根据权利要求9所述的发电系统，其特征在于，各DC-DC-AC逆变器组块进一步包括配置成使DC功率转换成AC功率的第一转换实体、配置成使AC功率转换成DC功率的第二转换实体，以及配置成使DC功率转换成AC功率的第三转换实体；
其中，所述隔离变压器耦合在所述第一转换实体与所述第二转换实体之间；
其中，所述第二转换实体和所述第三转换实体包括转换器散热器；并且
其中，通过将所述转换器散热器电连接到由所述发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端，所述功率转换器的所述至少一个散热器电连接到所述局部接地端。
11.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述发电机包括双馈感应发电机。
12.一种使发电系统中的接地故障隔离的方法，所述发电系统包括多个发电单元，各发电单元包括：发电机，其配置成产生处于第一电压下的多相交流功率；以及功率转换器，其配置成使处于所述第一电压下的来自所述发电机的所述多相交流功率转换成处于第二电压下的多相交流功率，各功率转换器包括一个或多个碳化硅MOSFET和至少一个散热器，所述至少一个散热器配置成从所述功率转换器移除热，各功率转换器的所述至少一个散热器电连接到由所述发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端，所述方法包括：
通过一个或多个控制装置来从所述发电系统中的一个或多个传感器接收指示发电单元中的功率转换器与局部接地端之间的电流的一个或多个信号；
通过所述一个或多个控制装置而至少部分地基于指示发电单元中的所述功率转换器与所述局部接地端之间的电流的所述一个或多个信号来确定是否发生了故障；
当所述一个或多个控制装置已确定发生了故障时，标识有故障的发电单元；以及
使所述有故障的发电单元电隔离。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，确定是否发生了故障包括确定至少一个所述功率转换器与至少一个所述局部接地端之间的所述电流是否超过阈值。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，标识有故障的发电单元包括选择其中所述功率转换器与所述局部接地端之间的所述电流超过所述阈值的所述发电单元。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，各发电单元进一步包括多相滤波器，所述多相滤波器配置成对来自所述发电单元中的所述功率转换器的多相功率输出进行滤波；
其中，各多相滤波器包括用于来自所述发电单元中的所述功率转换器的所述多相功率输出的各相的至少一个电感器和至少一个电容器；
其中，用于发电单元的所述多相滤波器的各相的所述电容器电连接以形成用于所述发电单元的中性节点；并且
其中，通过将各功率转换器的所述至少一个散热器电连接到用于所述发电单元的所述中性节点，各功率转换器的所述至少一个散热器电连接到由所述发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，各发电单元进一步包括一根或多根接地导线；
其中，各功率转换器的所述至少一个散热器通过所述一根或多根接地导线而电连接到用于所述发电单元的所述中性节点；并且
其中，指示发电单元中的功率转换器与局部接地端之间的电流的所述一个或多个信号包括指示所述一根或多根接地导线中的电流的一个或多个信号。
17.一种发电系统，包括：
多个发电单元；以及
一个或多个控制装置；
其中，各发电单元包括：
发电机，其配置成产生处于第一电压下的多相交流功率；以及
功率转换器，其配置成使处于所述第一电压下的来自所述发电机的所述多相交流功率转换成处于第二电压下的多相交流功率，所述功率转换器包括一个或多个碳化硅MOSFET和至少一个散热器，所述至少一个散热器配置成从所述功率转换器移除热；各功率转换器的所述至少一个散热器电连接到由所述发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端；并且
其中，所述一个或多个控制装置配置成至少部分地基于从发电单元中的所述至少一个散热器到所述局部接地端的电流来确定所述发电系统中的功率转换器中何时发生了接地故障。
18.根据权利要求17所述的发电系统，其特征在于，各发电单元进一步包括多相滤波器，所述多相滤波器配置成对来自所述发电单元中的所述功率转换器的多相功率输出进行滤波；
其中，各多相滤波器包括用于来自所述发电单元中的所述功率转换器的所述多相功率输出的各相的至少一个电感器和至少一个电容器；
其中，用于发电单元的所述多相滤波器的各相的所述电容器电连接以形成用于所述发电单元的中性节点；并且
其中，通过将各功率转换器的所述至少一个散热器电连接到用于所述发电单元的所述中性节点，各功率转换器的所述至少一个散热器电连接到由所述发电单元的一个或多个构件形成的局部接地端。
19.根据权利要求17所述的发电系统，其特征在于，所述一个或多个控制装置配置成当在所述发电系统中的功率转换器中发生了接地故障时确定有故障的发电单元；并且
其中，所述一个或多个控制装置进一步配置成使所述有故障的发电单元电隔离。
20.根据权利要求17所述的发电系统，其特征在于，所述发电系统进一步包括：
群集变压器；
其中，所述群集变压器电连接到所述多个发电单元；并且
其中，所述群集变压器配置成使来自所述多个发电单元的功率从第一形式的功率转换成第二形式的功率。
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