CN111466073A - 一种运行多个斩波电路的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于同时运行风力涡轮机功率转换器的多个斩波电路的方法，该方法包括以下步骤：根据第一开关模式运行第一斩波电路的可控开关构件，以及根据第二开关模式运行第二斩波电路的可控开关构件，其中，第一开关模式在第一时间段期间不同于第二开关模式。为了降低开关损耗，第一开关模式可以包括：在第一时间段期间对第一斩波电路的可控开关构件进行钳位。可以与第一和第二斩波电路并联地提供附加斩波电路。本发明还涉及根据前述方法运行的功率耗散斩波器。

Description

一种运行多个斩波电路的方法
技术领域
本发明涉及一种用于提高风力涡轮机功率转换器的DC斩波器的功率耗散能力的方法。本发明特别地涉及一种用于降低形成DC斩波器的多个斩波电路的可控开关的开关损耗的方法。本发明还涉及根据本发明的方法运行的DC斩波器。
背景技术
在电力传输或分配电网发生故障的事件中，其中，电网电压下降到可能仅是标称运行电压的一小部分的电压水平时，将无法维持从例如风力涡轮发电机到电力电网的电力传递。此外，为了在电网电压恢复时支撑电力电网，风力涡轮发电机被期望非常迅速地增加有功功率。
对于上述要求的一种理论解决方案可以是在低压穿越(LVRT)事件中非常迅速地使风力涡轮发电机变桨。然而，为了避免机械应力并且为了能够在电压恢复之后立即恢复功率生产，从实用的角度来看，通过耗散亏损来使功率输入和功率输出相匹配是优选的解决方案。使用与功率转换器的DC链路连接的卸载负载电阻器提供功率耗散。通过斩波晶体管控制要耗散的功率的量。取决于所需的卸载负载容量，可以并联连接多个斩波电路，每个斩波电路包括卸载负载电阻器和晶体管。该晶体管可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成栅换向晶闸管(IGCT)、栅截止晶闸管(GTO)或其他相关的功率半导体开关。在下文中，术语IGBT将被用作晶体管的通用术语。
控制斩波IGBT的典型方法是测量DC链路的电压，并将测得的电压与参考电压进行比较。参考电压和测量电压(DC链路电压或DC链路电压的平方)之间的误差(误差信号)可用于调整斩波IGBT的占空比(导通时间)。该误差信号可以通过任何类型的控制器(例如比例控制器(P)和/或比例积分控制器(PI))馈入，然后它们将调整占空比，以将DC链路电压稳定在(或接近)其参考值。
斩波IGBT的运行与功率损耗相关联，该功率损耗由传导损耗和开关损耗(开通损耗和关断损耗)构成。通常，取决于所选的开关频率，传导损耗和开关损耗的分布将大约为50％-50％。
如将相对于图4所展示的那样，在运行期间，传导损耗以及特别是开关损耗使IGBT升温。就可以在斩波电路中耗散的功率以及由此能量的量而言，这种升温可能是限制因素。实际上，使用常规开关模式，IGBT的温度可能会升高到160-170℃。结果，斩波电路的功率耗散能力显著降低。
可以将本发明的实施例的目的视为提高功率转换器的DC斩波器的功率耗散能力。
可以将本发明的实施例的另一个目的视为通过降低多个可控开关的开关损耗来提高功率转换器的DC斩波器的功率耗散能力。
本发明所基于的原理适用于具有多个并联布置的斩波电路的所有斩波器应用。
发明内容
在第一方面，通过提供一种用于同时运行风力涡轮机功率转换器的多个斩波电路的方法来实现上述目的，所述方法包括以下步骤：
-根据第一开关模式运行第一斩波电路的可控开关构件，以及
-根据第二开关模式运行第二斩波电路的可控开关构件，
其中，所述第一开关模式在第一时间段期间不同于所述第二开关模式，并且其中所述第一开关模式包括：在所述第一时间段期间对所述第一斩波电路的所述可控开关构件进行钳位。
本发明的方法的优点在于：所述第一开关模式不同于所述第二开关模式，由此特别是可控开关构件的开关损耗可以显著降低。结果，可以相应地提高多个斩波电路的总功率耗散能力。
在本文中，所述第一开关模式可以以各种方式不同于所述第二开关模式。例如，所述第一和第二开关模式可以相对于彼此相移，使得在给定的时间点，第一斩波电路的可控开关构件根据第一开关模式运行，并且同时第二斩波电路的可控开关构件根据第二且不同的开关模式运行。
因此，在本发明的实施例中，所述第一开关模式可以包括：在所述第一时间段期间对所述第一斩波电路的所述可控开关构件进行钳位。对所述第一斩波电路的所述可控开关构件进行钳位可以包括：该可控开关构件在所述第一时间段期间恒定地闭合或断开。
对可控开关构件进行钳位的优点通常在于：只要开关构件被钳位(即在第一时间段期间)，则被钳位的开关构件的特别是开关损耗就显著降低。
在所述第一开关模式可以包括对所述第一斩波电路的所述可控开关构件进行钳位的同时，所述第二开关模式可以包括：在所述第一时间段期间将具有给定开关频率的调制模式应用于所述第二斩波电路的所述可控开关构件。
通常，所述第一时间段可以显著地长于应用于所述第二斩波电路的所述可控开关构件的开关频率的开关时间段。因此，应用于所述第二斩波电路的所述可控开关构件的开关频率可以具有最多为所述第一时间段的10分之一、例如为所述第一时间段的15分之一、例如为所述第一时间段的20分之一的开关时间段。
在所述第一时间段之后，情况可以反过来，使得在紧接所述第一时间段的第二时间段期间，所述第二开关模式可以包括对所述第二斩波电路的所述可控开关构件进行钳位。同样，对所述第二斩波电路的所述可控开关构件进行钳位可以包括：该可控开关构件在所述第二时间段期间恒定地闭合或断开。以这种方式，可以降低与所述第二斩波电路的所述可控开关构件相关联的开关损耗。
在所述第二开关模式可以包括对所述第二斩波电路的所述可控开关构件进行钳位的同时，所述第一开关模式可以包括：在所述第二时间段期间将具有给定开关频率的调制模式应用于所述第一斩波电路的所述可控开关构件。类似于在所述第一时间段期间的情况，应用于所述第一斩波电路的所述可控开关构件的开关频率可以具有最多为所述第二时间段的10分之一、例如为所述第二时间段的15分之一、例如为所述第二时间段的20分之一的开关时间段。
综上所述，所述第一斩波电路的所述可控开关构件可以在所述第一时间段期间被钳位，而所述第二斩波电路的所述可控开关构件可以在所述第二时间段期间被钳位。如上所述，对可控开关构件进行钳位降低了被钳位的开关构件的开关损耗。
应当注意，根据本发明的方法还适用于具有附加斩波电路(例如第三、第四、第五、第六以及甚至更多斩波电路)的附加可控开关构件的装置。所述第一、第二和附加斩波电路可以并联联接。还应当注意，可以同时对一个以上的开关构件进行钳位。
返回到包括第一和第二斩波电路的情况，可以响应于所述第二斩波电路的所述可控开关构件的测量温度来触发所述第二时间段。因此，在对所述第一斩波电路的所述可控开关构件进行钳位以降低开关损耗的同时，监测所述第二斩波电路的所述可控开关构件的温度。然后温度已经达到预定义的值时，可以启动所述第二时间段，并且因此可以对所述第二斩波电路的所述可控开关构件进行钳位。
在第二方面，本发明涉及一种用于风力涡轮机功率转换器的功率耗散斩波器组件，所述功率耗散斩波器包括：
-第一斩波电路，其包括功率耗散构件和被配置为根据第一开关模式运行的可控开关构件，
-第二斩波电路，其包括功率耗散构件和被配置为根据第二开关模式运行的可控开关构件，以及
-被配置为根据所述第一开关模式和第二开关模式同时运行所述可控开关构件的控制单元，其中，所述第一开关模式在第一时间段期间不同于所述第二开关模式，并且其中所述第一开关模式包括：在所述第一时间段期间对所述第一斩波电路的所述可控开关构件进行钳位。
例如，开关模式的上述定义也适用于第二方面。还应当注意，可以提供附加斩波电路(例如第三、第四、第五、第六以及甚至更多的斩波电路)的附加可控开关构件。所述第一、第二和附加斩波电路可以并联联接。
所述第一开关模式可以包括：所述第一斩波电路的所述可控开关构件在所述第一时间段期间恒定地闭合或断开。所述第二开关模式可以包括：在所述第一时间段期间将具有给定开关频率的调制模式应用于所述第二斩波电路的所述可控开关构件。所述第一时间段可以显著地长于应用于所述第二斩波电路的所述可控开关构件的开关频率的开关时间段。因此，应用于所述第二斩波电路的所述可控开关构件的开关频率可以具有最多为所述第一时间段的10分之一、例如为所述第一时间段的15分之一、例如为所述第一时间段的20分之一的开关时间段。
所述第二开关模式可以包括：所述第二斩波电路的所述可控开关构件在紧接所述第一时间段的第二时间段期间恒定地闭合或断开。在该第二时间段期间，所述第一开关模式可以包括：可以将具有给定开关频率的调制模式应用于所述第一斩波电路的所述可控开关构件。同样，所述第二时间段可以显著地长于应用于所述第一斩波电路的所述可控开关构件的开关频率的开关时间段。因此，应用于所述第一斩波电路的所述可控开关构件的开关频率可以具有最多为所述第二时间段的10分之一、例如为所述第二时间段的15分之一、例如为所述第二时间段的20分之一的开关时间段。可以响应于所述第二斩波电路的所述可控开关构件的测量温度来触发所述第二时间段。
在第三方面，本发明涉及一种风力涡轮机功率转换器，其包括根据所述第二方面的功率耗散斩波器组件，所述斩波器组件连接到所述风力涡轮机功率转换器的整流器和逆变器之间的DC链路。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明，其中
图1示出了DFIG风力涡轮发电机，
图2示出了转换器支路和包括多个并联联接的斩波电路的转换器DC链路，
图3示出了典型的现有技术系统的二极管、晶体管和电阻器电流，
图4示出了典型的现有技术系统的晶体管温度，
图5示出了本发明的开关模式，
图6示出了使用本发明的开关模式的系统的二极管、晶体管和电阻器电流，
图7示出了使用本发明的开关模式的系统的晶体管温度，以及
图8示出了本发明的可能的控制策略。
尽管本发明易于进行各种修改和替代，但是已经通过示例在附图中示出了具体实施例，并且将在本文中对其进行详细描述。然而，应当理解，本发明并不旨在限于所公开的特定形式。而是，本发明将覆盖落入由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。
具体实施方式
在其最广泛的方面，本发明涉及一种通过降低多个斩波电路的多个可控开关的开关损耗来提高功率转换器的DC斩波器的功率耗散能力的方法。该可控开关通常是晶体管(例如IGBT)。根据本发明的方法发现其主要用于功率转换器(例如用于风力发电厂或风力涡轮发电机的功率转换器)。
图1显示了可变速度风力涡轮发电机100，其包括双馈感应发电机(DFIG)101和连接到发电机101的转子的功率/频率转换器102。发电机101包括通过断路开关105和三相变压器106连接到公用电网104的定子103。发电机101可以将有功定子功率PSt、无功定子功率QSt直接供应给公用电网104，或者替代地从公用电网104接收功率。
发电机101的转子由风力涡轮机转子(未示出)通过低速轴、齿轮装置和高速轴(未示出)机械地驱动。此外，转子电连接到功率/频率转换器102。功率/频率转换器102可以将可变AC电压转换为中间DC电压，并且随后转换为具有固定频率的固定AC电压。
功率/频率转换器102包括转子侧转换器电路107，该转子侧转换器电路107将发电机101的AC电压整流为DC链路108处的DC电压，或者将DC电压转化为AC电压以供应给发电机101的转子。DC链路108通过DC链路电容器110使DC电压平滑。电网侧转换器电路109将DC电压转化为具有优选频率的AC电压，反之亦然。
有功转子功率PR和无功转子功率QR经由变压器106和断路开关111联接到公用电网104或从公用电网104联接。因此，风力涡轮发电机可以被控制为从发电机以恒定电压和频率(无论风力和风力涡轮机转子速度如何变化)向公用电网供应电力。
DC链路108还包括连接在DC链路的两条母线之间的至少两个斩波电路112、113。每个斩波电路112、113与DC链路电容器110并联连接，并且至少包括串联连接的电阻器和可控功率开关。此外，每个斩波电路还包括用于电阻器的反并联二极管和用于可控功率开关的反并联二极管。可以闭合和断开可控功率开关，以引导电流通过电阻器，从而在电阻器中耗散功率。由于通过将电流引导通过斩波电路中的一个的电阻器来从DC链路电容器110去除电荷，DC链路电压UDC可以降低。因此，可以通过在不可能将一些或全部生成的功率引导到公用电网104的时间段内激活一个或多个斩波电路112、113来耗散由发电机101生成的功率。
定子和转子的断路开关105、111有助于例如与风力涡轮发电机上的维护工作或公用电网104中的孤岛情况相关联地使发电机101与公用电网104断开连接。此外，如果涉及重大电压下降的电网故障持续较长时间段，则风力涡轮发电机可以与公用电网104断开连接。
尽管以上描述涉及DFIG配置，但是应当注意，本发明还适用于其他风力涡轮发电机配置、例如全尺寸配置(其中所有生成的功率通过连接到发电机的定子的功率转换器输送到公用电网)。
图2示出了DC链路202和转子侧转换器201的支路/相位。该支路对应于三相脉冲宽度调制(PWM)频率转换器中的相位中的一个，并且包括两个功率开关，该两个功率开关例如是具有相关联的反并联二极管205、206的IGBT 203、204。DC链路电容器207和两个斩波电路208、209连接到DC链路的正母线和负母线。应当注意，可以提供附加斩波电路，使得斩波电路的总数超过两个。此外，图2示意性地显示了可以如何在斩波电路208、209的电阻器中耗散功率并且由此降低DC链路电压。斩波电路208、209的可控开关以如下方式被控制：可以根据本发明的开关模式在电阻器中耗散功率，这将在下面进一步解释。
如上所述，运行图1和图2所示的类型的斩波电路的可控开关(例如IGBT)与功率损耗相关联，该功率损耗由传导损耗和开关损耗(开通损耗和关断损耗)构成。取决于所选的开关频率，传导损耗和开关损耗的典型分布约为50％-50％。开关损耗尤其可能起关键作用，因为开通损耗取决于由于斩波电阻器的电感部分的存在而导致的电流流动。当使IGBT截止时，通过晶体管的电流下降至零，但由于斩波电阻器的电感部分的存在，通过电阻器的电流无法突然变为零。取而代之，该电流转向续流二极管，并根据R/L电路的时间常数下降。
对于高斩波器负载，应用于IGBT的占空比接近1，这意味着IGBT在截止后立即导通。在这种情况下，斩波电阻器电流通常可能尚未达到零，因此晶体管导通，而续流二极管电流仍在流动，从而该电流转向IGBT。这与开通开关损耗相关联。图3显示了斩波电路中的典型电流转变，即续流二极管电流301、IGBT电流302和电阻器电流303。此外，为了提供准确的控制，不希望占空比太小，因为这样的话导通时间和上升时间都难以补偿。
传导损耗和开关损耗会在运行期间使IGBT升温。就可以在斩波电路中耗散的功率以及由此能量的量而言，这种升温可能是限制因素。图4显示了IGBT在其典型运行期间的温度。如在图4中所看到的那样，IGBT温度曲线401在小于500ms内达到160℃以上的温度。因此，IGBT的温度升高约为120℃。
根据本发明，提出了新的开关模式，以便在多个斩波电路并联运行的应用中降低特别是开关损耗。更具体地，提出了将至少一个斩波电路的IGBT钳位为在特定时间段内恒定地导通或截止，所述特定时间段显著地长于开关时间段。剩余的一个或多个斩波电路的IGBT可以以给定的占空比运行，所述占空比可以降低或升高，以提供相同的等效占空比，从而与没有IGBT被钳位的情况相比提供相同的整体功率耗散。在该特定时间段之后，一个或多个其他斩波电路的IGBT可以被钳位。
在图5a中描绘了包括两个斩波电路以及由此包括两个IGBT的示例，其中上图示出了应用于第一IGBT的栅极信号T1，而下图示出了应用于第二IGBT的栅极信号T2。如从图1中看到的那样，第一IGBT在钳位时间段501期间被钳位为1，而第二IGBT以特定开关时间段和特定占空比运行。当时间达到400ms时，开关模式将反过来，其中第二IGBT在钳位时间段502期间被钳位为1，而第一IGBT以特定开关时间段和特定占空比运行。如图5所描绘的那样，所应用的开关时间段显著地短于相应的时间段501、502。开关模式还在350ms、450ms和500ms处改变。因此，图5a中描绘的钳位时间段501、502大约为50ms。参考图5b，开关时间段大约为2ms，占空比大约为66％。
图5b是图5a在T＝0.35s附近的放大图，其中上图示出了应用于第一IGBT的栅极信号T1，而下图示出了应用于第二IGBT的栅极信号T2。虚线505在T＝0.35处的点是第二IGBT被松开并且第一IGBT被钳位的时间点。如上所述，开关时间段503、504大约为2ms，并且占空比大约为66％。应当注意，钳位时间段501、502和开关时间段503、504都可以偏离这些值。而且，钳位时间段501、502可以不必具有相同的长度。占空比可以随时间明显地变化，并且可以因此不同于66％。
假设传导损耗和开关损耗之间为上述的50％-50％的份额，则在大约一半的时间内一个IGBT不进行开关降低了大约25％的与该IGBT相关的损耗。此外，由于减小了IBGT进行开关的占空比，因此与传统的开关策略相比，截止和导通之间的持续时间增加。结果，在截止时间中在二极管中流动的感应电流将具有更多的时间下降，从而在导通时在二极管中的电流水平较低。在导通时在二极管中的较低电流水平进一步降低了开关损耗。
图6显示了当应用新的开关模式时斩波电路中的电流转变，即，续流二极管电流601、IGBT电流602和电阻器电流603。
在相同的斩波电路中和在关于图3和图4描述的相同条件下应用新的开关模式，IGBT的温度将如图7所示。与图4相比，作为新的开关模式的结果，IGBT的温度升高已从大约120℃降低至85℃。
本发明所基于的原理可以应用于各种场景。例如，IGBT可以被钳位为零，而不是以非常低的占空比运行，而另一个IGBT的占空比增加，以补偿被钳位(为零)的IGBT。
甚至进一步地，可以将IGBT的钳位时间段调整为低于与IGBT热连接的半导体模块的热时间常数，以确保随时间变化的平稳且可控的温度曲线。因此，通过这种方法，显著减少了温度峰值和高温梯度的出现。关于温度，具有最高温度的IGBT可以比其他IGBT被钳位更长的时间段。
更通用的方案可以包括仅针对非常低和/或非常高的占空比对IGBT进行钳位。这也意味着在占空比变化非常快的情况下，被钳位的IGBT的状态应当相应的改变并且优选地即刻改变。
图8描绘了一种可能的基于时间的控制方法，其中根据预定义的时间表对多个IGBT(IGBT1-IGBTN)进行钳位。因此，根据图8中描绘的控制方法，对IGBT1进行钳位直到预定义的时间t1，此时将IGBT1松开，而对IGBT2进行钳位。IGBT2保持被钳位直到预定义的时间t2，此时将IGBT2松开，而对IGBTN进行钳位。只要需要，该IGBT的钳位/松开的序列就可以连续进行。如上所述，IGBT的钳位/松开序列也可以依赖于测量的IGBT温度，其中IGBT1可以保持被钳位直到IGBT2达到预定义的温度T2，在该温度下IGBT2被钳位并且IGBT1被松开。当IGBT1达到预定义的温度T1时，对IGBT1进行钳位，而将IGBT2松开。在基于温度的钳位/松开序列中可以包括附加的IGBT。

Claims (15)

1.一种用于同时运行风力涡轮机功率转换器的多个斩波电路的方法，所述方法包括以下步骤：
-根据第一开关模式运行第一斩波电路的可控开关构件，以及
-根据第二开关模式运行第二斩波电路的可控开关构件，
其中，所述第一开关模式在第一时间段期间不同于所述第二开关模式，并且其中所述第一开关模式包括：在所述第一时间段期间对所述第一斩波电路的所述可控开关构件进行钳位。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述第一斩波电路的所述可控开关构件进行钳位包括：所述可控开关构件在所述第一时间段期间恒定地闭合或断开。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二开关模式包括：在所述第一时间段期间将具有给定开关频率的调制模式应用于所述第二斩波电路的所述可控开关构件。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，应用于所述第二斩波电路的所述可控开关构件的开关频率具有最多为所述第一时间段的10分之一、例如为所述第一时间段的15分之一、例如为所述第一时间段的20分之一的开关时间段。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在紧接所述第一时间段的第二时间段期间，所述第二开关模式包括对所述第二斩波电路的所述可控开关构件进行钳位。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，对所述第二斩波电路的所述可控开关构件进行钳位包括：所述可控开关构件在所述第二时间段期间恒定地闭合或断开。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一开关模式包括：在所述第二时间段期间将具有给定开关频率的调制模式应用于所述第一斩波电路的所述可控开关构件。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，应用于所述第一斩波电路的所述可控开关构件的开关频率具有最多为所述第二时间段的10分之一、例如为所述第二时间段的15分之一、例如为所述第二时间段的20分之一的开关时间段。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其中，响应于所述第二斩波电路的所述可控开关构件的测量温度来触发所述第二时间段。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，提供附加斩波电路，并且其中所述第一斩波电路、第二斩波电路和附加斩波电路并联联接。
11.一种用于风力涡轮机功率转换器的功率耗散斩波器组件，所述功率耗散斩波器组件包括：
-第一斩波电路，其包括功率耗散构件和被配置为根据第一开关模式运行的可控开关构件，
-第二斩波电路，其包括功率耗散构件和被配置为根据第二开关模式运行的可控开关构件，以及
-被配置为根据所述第一开关模式和第二开关模式同时运行所述可控开关构件的控制单元，其中，所述第一开关模式在第一时间段期间不同于所述第二开关模式，并且其中所述第一开关模式包括：在所述第一时间段期间对所述第一斩波电路的所述可控开关构件进行钳位。
12.根据权利要求11所述的功率耗散斩波器组件，其中，提供附加斩波电路，并且其中所述第一斩波电路、第二斩波电路和附加斩波电路并联联接。
13.根据权利要求11或12所述的功率耗散斩波器组件，其中，所述第一开关模式包括：所述第一斩波电路的所述可控开关构件在所述第一时间段期间恒定地闭合或断开，并且其中，所述第二开关模式包括：在所述第一时间段期间将具有给定开关频率的调制模式应用于所述第二斩波电路的所述可控开关构件。
14.根据权利要求13所述的功率耗散斩波器组件，其中，在紧接所述第一时间段的第二时间段期间，所述第二开关模式包括：所述第二斩波电路的所述可控开关构件在所述第二时间段期间恒定地闭合或断开，并且其中，所述第一开关模式包括：在所述第二时间段期间将具有给定开关频率的调制模式应用于所述第一斩波电路的所述可控开关构件，并且其中响应于所述第二斩波电路的所述可控开关构件的测量温度来触发所述第二时间段。
15.一种风力涡轮机功率转换器，其包括根据权利要求11至14中任一项所述的功率耗散斩波器组件，所述斩波器组件连接到所述风力涡轮机功率转换器的整流器和逆变器之间的DC链路。
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