CN110932331A - 一种三电平风电变流器软启动电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及风力发电机组三电平变流器技术领域，具体为一种三电平风电变流器软启动电路，主回路电源输入连接变流器控制器U和主回路保护开关Q，主回路保护开关Q至直流母线方向连接依次有主回路并网开关KM2和滤波电抗器L、交流滤波电容C和三电平功率模块M1，且两端设有正母线电容C1和负母线电容C2，变流器控制器U连接三电平功率模块M1；配电电源至直流母线侧方向连接充电交流保护熔丝FU1，充电交流保护熔丝FU1至直流母线侧连接有充电接触器KM1和充电电阻R1、双分裂变压器T1、整流桥V1和整流桥V2、充电直流熔丝FU2。本发明可减小供电电源对母线的直流电容和交流滤波电容的浪涌冲击，避免相关器件由于浪涌电流而造成损伤，实现系统的软启动。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机组三电平变流器技术领域，具体为一种三电平风电变流器软启动电路及控制方法。
背景技术
风能已成为当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生洁净能源。风力发电机组是一套自动调节、无人值守的全自动化设备；而承担着主要转换电能任务的变流器则是系统中的重要的组成部分。
现在风电行业陆上可发展风资源近于饱和，海上风电是未来风电领域的发展方向，由于海上风电吊装和维护成本问题，大功率机组是必然趋势，现有主流设计增大功率机组是一个难题，为了解决这个问题，其中一个方案便是增加机组主回路电压，而受限于功率器件的原因，以使用中低压三电平变流器方式提高机组电压最为方便、成熟，同时增加机组效率，增加机组发电量，增加收益。
不管是双馈型风力发电机组还是全功率发电机组三电平变流器，都是使用AC/DC，DC/AC的转换方式，且有正负两个直流母线，使用大量的直流电容，而在交流端LC滤波回路，由于功率增大，交流滤波电容C容量同样很大，这样在变流器启动过程中，如果直接通入电网电压，会造成电容产生极大的冲击电流，所以需要增加软启动电路和控制方式，通过增加阻抗的形式将母线电压升高到一定值，通过控制三电平功率模块提高交流滤波电容电压后，接入电网，避免了过大涌流的产生。
现在普遍用的充电方式主要是将并网开关旁路，电网侧通过电阻接入网侧开关后端的功率器件交流侧进行充电，充电过后待直流母线电压达到一定数值之后，将并网开关闭合，再将电阻回路切除，此种方法的弊端是主回路提高电压等级后充电回路低压电器器件需要更高电压等级(由常规690V提升至900V或1140V)，市面此种产品很少，且价格很高，可替换性很差。
另外，为达到减少并网冲击电压的效果，同时为直流母线和交流滤波电容充电，充电回路所需容量较大，需要更大空间和成本来满足要求，不符合风电行业功率密度和成本要求高的行业特点；此种充电的对象直流母线和交流滤波电容属于并联关系，单靠此回路充电效果较差，且使用功率器件内部的反向快速二极管进行充电的整流，影响三电平功率模块的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三电平风电变流器软启动电路及控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种三电平风电变流器软启动电路，包括主回路电源和配电电源，所述主回路电源输入连接变流器控制器U和主回路保护开关Q，所述主回路保护开关Q至直流母线方向连接依次有主回路并网开关KM2和滤波电抗器L，所述主回路并网开关KM2和滤波电抗器L之间设有交流滤波电容C；所述滤波电抗器L至直流母线方向连接有三电平功率模块M1，所述三电平功率模块M1两端设有正母线电容C1和负母线电容C2，所述变流器控制器U的信号输出端连接三电平功率模块M1；
所述配电电源至直流母线侧方向连接充电交流保护熔丝FU1，所述充电交流保护熔丝FU1至直流母线侧连接有充电接触器KM1和充电电阻R1，所述充电电阻R1直流母线侧连接有双分裂变压器T1，所述双分裂变压器T1输出端并行连接有整流桥V1和整流桥V2，所述整流桥V1、V2至直流母线之间还设有充电直流熔丝FU2。
进一步的：所述主回路电源为900V或1140V，所述配电电源为230V或400V.
进一步的：所述双分裂变压器T1的原边电压为400V副边电压为690V*2。
进一步的：：所述配电电源最大电流Imax≤23A且充电时间T≤12S。
进一步的：所述使用配电电源通过双分裂变压器T1提供充电能量回路中所有器件包括交流保护熔丝FU1、充电接触器KM1、充电电阻R1、整流桥V1和V2的额定电压均小于690V。
进一步的：一种三电平风电变流器软启动电路所得到的控制方法，所述方法至少包含以下步骤：
一、首先闭合充电接触器KM1，由配电电源通过充电电阻R1、双分裂变压器T1、整流桥V1和V2，将不控整流后的直流电压提供给正母线电容C1和负母线电容C2；
二、C1和C2电压随着时间T升高，当电容电压升高到一定阈值后由变流控制器U通过采集的电网电压的相角和幅值向三电平功率模块M1发出PWM驱动控制信号进行开环发波；
三、三电平功率模块M1发出与电网电压相角和幅值相同的PWM电压波形，使交流滤波电容C产生与电网电压相角和幅值相同的电压，交流滤波电容C能量来源于正母线电容C1和负母线电容C2；
四、步骤三期间充电接触器KM1一直处于闭合为母线充电的状态，充电结束，同时分断充电接触器KM1，闭合主回路并网开关KM2。
本发明的优点在于：本设计使用配电电源通过双分裂变压器T1提供充电能量，回路中所有器件额定电压≤690V，通用性高，成本低；采用充电电阻R11可以减少充电过程中的最大功率，以减少配电端压力；电容C，C1和C2冲击电流满足规格要求，不会受到电网电压或配电电压波动的影响而造成充电时间过长或充电失败；本设计下，并网开关合闸后网侧涌流峰值小于变流器额定电流，完全满足三电平变流器应用要求，不会对任何器件造成损伤。本设计可以减小供电电源对母线的直流电容和交流滤波电容的浪涌冲击，避免相关器件由于浪涌电流而造成损伤，实现系统的软启动。
附图说明
图1为本发明中的软起动电路图；
图2为本发明中的软启动电路对比图；
图3为本发明中的控制方法流程图。
图中：1、主回路电源、10、变流器控制器U；11、主回路保护开关Q；12、主回路并网开关KM2；13、交流滤波电容C；14、滤波电抗器L；15、负母线电容C2；16、正母线电容C1；2、三电平功率模块M1；3、配电电源；31、充电交流保护熔丝FU1；32、充电接触器KM1；33、充电电阻R1；34、双分裂变压器T1；、35、整流桥；36、充电直流熔丝FU2。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“ 顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、 “第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：
一种三电平风电变流器软启动电路，包括主回路电源1和配电电源3，主回路电源1输入连接变流器控制器U10和主回路保护开关Q11，主回路保护开关Q11至直流母线方向连接依次有主回路并网开关KM212和滤波电抗器L14，主回路并网开关KM212和滤波电抗器L14之间设有交流滤波电容C13；滤波电抗器L14至直流母线方向连接有三电平功率模块M12，三电平功率模块M12两端设有正母线电容C116和负母线电容C215，变流器控制器U10的信号输出端连接三电平功率模块M12；
配电电源3至直流母线侧方向连接充电交流保护熔丝FU131，充电交流保护熔丝FU131至直流母线侧连接有充电接触器KM132和充电电阻R133，充电电阻R133直流母线侧连接有双分裂变压器T134，双分裂变压器T134输出端并行连接有整流桥35V1和整流桥35V2，整流桥35V1、V2至直流母线之间还设有充电直流熔丝FU236。
主回路电源1为900V或1140V，配电电源3为230V或400V.
双分裂变压器T134的原边电压为400V副边电压为690V*2。
配电电源3最大电流Imax≤23A且充电时间T≤12S，主回路并网开关KM212合闸后网侧涌流峰值小于变流器额定电流，完全满足三电平变流器应用要求，不会对任何器件造成损伤。
使用配电电源3通过双分裂变压器T134提供充电能量回路中所有器件包括交流保护熔丝FU131、充电接触器KM132、充电电阻R133、整流桥35V1和V2的额定电压均小于690V。
具体的，通用性高，成本低，采用充电电阻R133可以减少充电过程中的最大功率，以减少配电端压力，使用双分裂变压器T134通过整流桥35V1和V2可以将三电平的两个母线充电时相对独立，进行双母线充电，由于风电变流器所使用配电电源3是由主回路900V或1140V通过机组塔基的辅助变压器降压而来，配电和主回路电源1有固定变比，当检测到母线电压达到主回路电源1（900V或1140V）的固定倍数（如1.4倍）时，闭合主回路并网开关KM212，检测电容C，C1和C2冲击电流满足规格要求，不会受到电网电压或配电电压波动的影响而造成充电时间过长或充电失败。
请参阅图3，一种三电平风电变流器软启动电路所得到的控制方法，所述方法至少包含以下步骤：
一、首先闭合充电接触器KM132，由配电电源3通过充电电阻R133、双分裂变压器T1、整流桥35V1和V2，将不控整流后的直流电压提供给正母线电容C116和负母线电容C217；
二、C1和C2电压随着时间T升高，当电容电压升高到一定阈值后由变流控制器U通过采集的电网电压的相角和幅值向三电平功率模块M1发出PWM驱动控制信号进行开环发波；
三、三电平功率模块M1发出与电网电压相角和幅值相同的PWM电压波形，使交流滤波电容C产生与电网电压相角和幅值相同的电压，交流滤波电容C能量来源于正母线电容C1和负母线电容C2；
四、步骤三期间充电接触器KM132一直处于闭合为母线充电的状态，充电结束，同时分断充电接触器KM132，闭合主回路并网开关KM212。
值得注意的是：软启动回路交流侧由于前端直接连接至辅助变压器，大容量风电机组短路电流峰值可达到10kA以上，必须使用分断能力能达到20kA以上的保护设备来保证此回路故障时能够及时分断故障源，以免造成事故扩大化，故使用交流保护熔丝FU131；
直流侧发生故障可能发生在充电电阻前端和后端，一种情况直流功率模块或母线电容发生短路故障，直流母线能量通过充电直流熔丝FU236时，充电直流熔丝FU236分断，另一种情况母线至整流桥35V1和V2间的回路发生故障，或者由于二极管击穿发生的故障，为保证迅速切断故障源，同时功率端不会因为长时间承受过大的故障电流而烧毁，造成事故扩大化，所以使用分断速度较快，对故障电流比较敏感的快速熔断器。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种三电平风电变流器软启动电路，包括主回路电源（1）和配电电源（3），其特征在于：所述主回路电源（1）输入连接变流器控制器U（10）和主回路保护开关Q（11），所述主回路保护开关Q（11）至直流母线方向连接依次有主回路并网开关KM2（12）和滤波电抗器L（14），所述主回路并网开关KM2（12）和滤波电抗器L（14）之间设有交流滤波电容C（13）；所述滤波电抗器L（14）至直流母线方向连接有三电平功率模块M1（2），所述三电平功率模块M1（2）两端设有正母线电容C1（16）和负母线电容C2（15），所述变流器控制器U（10）的信号输出端连接三电平功率模块M1（2）；
所述配电电源（3）至直流母线侧方向连接充电交流保护熔丝FU1（31），所述充电交流保护熔丝FU1（31）至直流母线侧连接有充电接触器KM1（32）和充电电阻R1（33），所述充电电阻R1（33）直流母线侧连接有双分裂变压器T1（34），所述双分裂变压器T1（34）输出端并行连接有整流桥（35）V1和整流桥（35）V2，所述整流桥（35）V1、V2至直流母线之间还设有充电直流熔丝FU2（36）。
2.根据权利要求1所述的一种三电平风电变流器软启动电路，其特征在于：所述主回路电源（1）为900V或1140V，所述配电电源（3）为230V/400V。
3.根据权利要求1所述的一种三电平风电变流器软启动电路，其特征在于：所述双分裂变压器T1（34）的原边电压为400V副边电压为690V*2。
4.根据权利要求1所述的一种三电平风电变流器软启动电路，其特征在于：所述配电电源（3）最大电流Imax≤23A且充电时间T≤12S。
5.根据权利要求1所述的一种三电平风电变流器软启动电路，其特征在于：所述使用配电电源（3）通过双分裂变压器T1（34）提供充电能量回路中所有器件包括交流保护熔丝FU1（31）、充电接触器KM1（32）、充电电阻R1（33）、整流桥（35）V1和V2的额定电压均小于690V。
6.根据权利要求1所述的一种三电平风电变流器软启动电路所得到的控制方法，其特征在于：所述方法至少包含以下步骤：
一、首先闭合充电接触器KM1（32），由配电电源（3）通过充电电阻R1（33）、双分裂变压器T1、整流桥（35）V1和V2，将不控整流后的直流电压提供给正母线电容C1（16）和负母线电容C2（17）；
二、C1和C2电压随着时间T升高，当电容电压升高到一定阈值后由变流控制器U（10）通过采集的电网电压的相角和幅值向三电平功率模块M1（2）发出PWM驱动控制信号进行开环发波；
三、三电平功率模块M1（2）发出与电网电压相角和幅值相同的PWM电压波形，使交流滤波电容C（13）产生与电网电压相角和幅值相同的电压，交流滤波电容C（13）能量来源于正母线电容C1（16）和负母线电容C2（15）；
四、步骤三期间充电接触器KM1（32）一直处于闭合为母线充电的状态，充电结束，同时分断充电接触器KM1（32），闭合主回路并网开关KM2（12）。
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