CN111864789B - 一种Crowbar电路及双馈风电变流系统 - Google Patents

Abstract

一种Crowbar电路及双馈风电变流系统，该Crowbar电路包括：若干功率电阻，各个功率电阻的第一端形成Crowbar电路的外接端口，以用于与风力发电机的转子侧连接；整流电路，其与若干功率电阻连接，用于将功率电阻传输来的交流电转换为相应的直流电；支撑电容，其连接在整流电路的直流侧正负极之间；开关组件，其连接在整流电路的直流侧正负极之间。本Crowbar电路中的功率电阻可以充当充电电阻用，从而限制整流电路内部器件两端的充电电压尖峰，进而提高电路的可靠性，同时还可以最大程度上保护Crowbar电路中的半导体器件。

Description

一种Crowbar电路及双馈风电变流系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体地说，涉及一种Crowbar电路及双馈风电变流系统。

背景技术

目前很多国家都相继推出了新的电网运行准则，其中最具代表性的要数德国电网运营商E.ON对风电场提出的低电压穿越(Low Voltage Ride-Through，简称为LVRT)要求。在低电压穿越要求中，面对网压跌落，风电机组必须提供无功，保持并网一定时间后才允许脱网，以帮助电网“穿越”这段故障时间。

我国也制定了相关技术标准，如GB/T 19963-2011。为了提高风电机组的低电压穿越能力，技术人人员提出了诸多方案，其主要可分为两大类：增加硬件保护电路和增加励磁策略进行优化和改进。

然而，改进的控制策略主要是对电流和电压的等量补偿，以使得输出功率和输入功率维持一定平衡，通过系统自身来吸收过剩能量。然而，该方法仅适用于电网电压轻微跌落，当网压发生较大幅度跌落，系统自身无法吸收过剩能量，使用条件受限，此时需要增加硬件电路。

现阶段最常见的硬件保护电路为转子侧附加主动式Crowbar电路，电路中加入功率电阻。在网压跌落期间，Crowbar电路接入转子回路，功率电阻消耗风机过剩能量，可加速低电压穿越。

主动式Crowbar电路又称有源Crowbar电路，其采用全控型开关器件，可在开关动作后的任意时刻断开转子回路的Crowbar电路，使风电机组在不脱网情况下，转子侧变流器可以很快重新开始工作，向电网提供有功、无功支撑。

然而，如何保证复杂工况下主动式Crowbar电路的可靠性是Crowbar电路的关键和难点。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种Crowbar电路，所述Crowbar电路包括：

若干功率电阻，各个功率电阻的第一端形成Crowbar电路的外接端口，以用于与风力发电机的转子侧连接；

整流电路，其与所述若干功率电阻连接，用于将功率电阻传输来的交流电转换为相应的直流电；

支撑电容，其连接在所述整流电路的直流侧正负极之间；

开关组件，其连接在所述整流电路的直流侧正负极之间。

根据本发明的一个实施例，所述Crowbar电路包括三个功率电阻，其中，这三个功率电阻分别与所述整流电路的三个交流端口连接。

根据本发明的一个实施例，所述整流电路包括二极管整流电路。

根据本发明的一个实施例，所述二极管整流电路中整流二极管所能够承受的最大反压是根据所述支撑电容确定的。

根据本发明的一个实施例，所述开关组件包括第一IGBT单元和第二IGBT单元，其中，所述第一IGBT单元的集电极与所述整流电路的直流侧正极连接，所述第一IGBT单元的发射极与所述第二IGBT单元的集电极连接，所述第二IGBT单元的发射极与所述整流电路的直流侧负极连接。

根据本发明的一个实施例，所述Crowbar电路还包括第一分压电阻和第二分压电阻，其中，所述第一分压电阻的第一端与所述整流电路的直流侧正极连接，所述第一分压电阻的第二端与第二分压电阻的第一端连接，所述第二分压电阻的第二端与所述整流电路的直流侧负极连接，所述第一分压电阻的第二端还与所述第一IGBT单元的发射极连接。

根据本发明的一个实施例，第一分压电阻和第二分压电阻的阻值相等。

本发明还提供了一种双馈风电变流系统，其特征在于，所述系统包括：

如上任一项所述的Crowbar电路，其用于与风力发电机的转子侧连接；

机侧变流器，其用于与所述风力发电机的转子侧连接；

网侧变流器，其与所述机侧变流器连接。

根据本发明的一个实施例，所述系统还包括：

控制电路，其与所述Crowbar电路连接，用于控制所述Crowbar电路的运行状态。

根据本发明的一个实施例，在低电压穿越工况下，所述控制电路配置为控制所述Crowbar电路中的开关组件导通，使得所述风力发电机产生的交流电通过所述Crowbar电路中的功率电阻、整流电路、支撑电容和开关组件形成的泄能回路消耗；

在电压恢复后，所述控制电路配置为控制所述开关组件关断。

对于本发明所提供的Crowbar电路来说，在风力发电系统稳态运行时，变流器输出的高频电压对Crowbar电路进行频繁的充电，Crowbar电路中的功率电阻可以充当充电电阻用，从而限制整流电路内部器件(例如整流二极管)两端的充电电压尖峰，进而提高电路的可靠性。

同时，本发明所提供的Crowbar电路中的功率电阻置于交流测，其能够直接与转子相连，在低电压穿越过程中，开关组件导通，转子电压几乎全部降落在Crowbar电路中的功率电阻上，这样整流电路中的整流器件将不会承担反向电压，从而可以最大程度上保护Crowbar电路中的半导体器件。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的Crowbar电路的电路结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的双馈风电变流系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

现有技术中存在一种由尚能科技所提供的双馈风电变流器穿越电网故障的装置及方法，该装置所采用的Crowbar电路由二极管整流桥、功率电阻、IGBT模块构成。其中，二极管整流桥接在转子侧，输出直流电压。Crowbar电路直流侧的功率电阻和IGBT斩波电路串联，斩波电路由2个IGBT模块串联而成，可以有效增大耐压与耐流能力，减小Crowbar电阻值，提升LVRT能力。但该电路整流二极管是直接连接在发电机的转子侧，在转子侧的高频浪涌电压下增加了实效风险。另外，IGBT与Crowbar电阻串联运行且无有效的分压措施，IGBT有过压失效风险。

同时，现有技术中还存在一种由阳光电源提供的Crowbar电路及双馈变流器系统。该Crowbar电路晶闸管整流桥、电容、IGBT和功率电阻。晶闸管整流桥置于转子侧，整流桥的直流侧并联电容，IGBT单管与一个功率电阻串联后再与电容并联，构成斩波部分。对于该Crowbar电路来说，晶闸管整流的开通和关断是依据三相电压过零点发出触发脉冲，其反应速度相对较慢，不利于快速低电压穿越工况下泄放发电机能量。

由此可见，现有的Crowbar电路无法很好地兼顾抗冲击性和经济性，Crowbar电路在运行过程中存在失效风险。

针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种新的Crowbar电路以及应用了该Crowbar电路的双馈风电变流系统。该Crowbar电路结构简单，既可以快速实现低电压穿越功能，又能够有效提升在各种极限工况下Crowbar电路自身的可靠性。

图1示出了本实施例所提供的Crowbar电路的电路结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的Crowbar电路优选地包括：若干功率电阻、整流电路101、支撑电容C以及开关组件102。其中，各个功率电阻的第一端形成Crowbar电路的外接端口，以用于与风力发电机的转子侧连接。

由于现有的风力发电机多为双馈感应电机，其能够产生三相交流电，因此本实施例中，Crowbar电路优选地包括三个功率电阻(即第一功率电阻R1、第二功率电阻R2和第三功率电阻R3)。其中，这三个功率电阻的第一端分别与风力发电机的三相端口连接，第二端则分别与整流电路101的三个交流端口连接。

本实施例中，整流电路101其与上述功率电阻连接，其能够将功率电阻所传输来的交流电转换为相应的直流电。本实施例中，整流电路101优选地采用二极管整流电路来实现。

具体地，如图1所示，整流电路101优选地包括六个二极管。其中，第一二极管VD1的正极形成整流电路101的第一交流端口，以与第一功率电阻R1的第二端连接，第二二极管VD2的负极与第一二极管的正极连接；第三二极管VD3的正极形成整流电路101的第二交流端口，以与第二功率电阻R2的第二端连接，第四二极管VD4的负极与第三二极管VD3的正极连接；第五二极管VD5的正极形成整流电路101的第三交流端口，以与第三功率电阻R3的第二端连接，第六二极管VD6的负极与第五二极管VD5的正极连接。第一二极管VD1、第三二极管VD3和第三二极管VD5的负极共连形成整流电路101的直流侧正极，第二二极管VD2、第四二极管VD4和第六二极管VD6的正极共连形成整流电路101的直流侧负极。

本实施例所提供的Crowbar电路将功率电阻置于交流转子侧，并设置在交流转子与整流电路之间。这样在稳态运行和低电压穿越过程中，功率电阻也就可以分担绝大部分的转子压降，从而可以有效保护整流电路中的器件。

当然，在本发明的其他实施例中，整流电路101还可以采用其他合理的电路形式来实现，本发明并不对此进行限定。

如图1所示，支撑电容C连接在整流电容101的直流侧正负极之间。同时，开关组件102也连接在整流电路101的直流侧正负极之间。本实施例中，二极管整流电路中整流二极管所能够承受的最大反压优选地根据支撑电容C上的电压来决定。

本实施例中，开关组件102优选地包括第一IGBT单元S1和第二IGBT单元S2。其中，第一IGBT单元S1的集电极与整流电路101的直流侧正极连接，第一IGBT单元S1的发射极与第二IGBT单元S2的集电极连接，第二IGBT单元S2的发射极与整流电路101的直流侧负极连接。

其中，第一IGBT单元S1与第二IGBT单元S2的额定电压之和优选地应高于支撑电容C的最大电压。

在稳态运行过程中，整流电路可以将Crowbar电路中的开关组件与交流电源隔离，过电压被支撑电容吸收，这样也就可以确保开关组件102不会被损伤，这样开关组件也就不会在稳态运行中过压失效。同时，在低电压穿越过程中，由于开关组件102处于短路运行状态，因此开关组件102两端的压降会很低，这样开关组件102也就同样不会因为过压损坏。

此外，计时由于外部原因导致Crowbar电路中的IGBT单元误动作(例如异常关断)，那么开关过电压峰值也可以由两只串联的IGBT单元承担，这样IGBT单元也就不会因为过压损坏。

如图1所示，本实施例中，该Crowbar电路可以包含第一分压电阻R4和第二分压电阻R5。其中，

第一分压电阻R4的第一端与整流电路101的直流侧正极连接，第一分压电阻的第二端R4与第二分压电阻R5的第一端连接，第二分压电阻R5的第二端与整流电路101的直流侧负极连接。第一分压电阻R4的第二端还与第一IGBT单元R5的发射极连接。

本实施例中，上述第一分压电阻R4和第二反压电阻的阻值优选地相等。这样在稳态运行和低电压穿越过程中，第一分压电阻R4和第二分压电阻R5也就可以确保Crowbar电路中第一IGBT单元和第二IGBT单元的电压均衡。

图2示出了本实施例所提供的双馈风电变流系统的结构示意图。

如图2所示，本实施例中，该双馈风电变流系统优选地包括：Crowbar电路202、机侧变流器203、网侧变流器204和直流电容205。其中，Crowbar电路202用于与风力发电机(例如双馈感应电机)201的转子侧连接，机侧变流器203同样用于与风力发电机201的转子侧连接，网侧变流器204则与机侧变流器203连接。直流电容205设置在机侧变流器203与网侧变流器204之间。

本实施例中，上述双馈风电变流系统优选地还包括控制电路206。其中，控制电路206与Crowbar电路202连接，其能够控制Crowbar电路202的运行状态。可选地，控制电路206还可以与机侧变流器203和/或网侧变流器204连接，其同样可以用于对机侧变流器203和/或网侧变流器204的运行状态进行控制。

具体地，在低电压穿越工况下，控制电路206优选地会控制Crowbar电路202中的开关组件导通，使得风力发电机产生的交流电通过Crowbar电路202中的功率电阻、整流电路、支撑电容和开关组件形成的泄能回路消耗。而在在电压恢复后，控制电路206则会控制所述开关组件关断。

本实施例中，稳定运行工况下，风电变流器机侧逆变输出的高频脉冲电压会通过Crowbar电路的功率电阻向中间支撑电容C充电，而脉冲电压中的尖峰过电压都被分压电阻分压或者被支撑电容吸收，这样整流电路中相干器件(例如整流二极管)和开关组件中的相干器件(例如IGBT单元)也就没有过压损坏风险。

在低电压穿越工况下，机侧变流器封锁脉冲，Crowbar电路内的开关组件立刻导通，发电机能量会通过Crowbar电路中的功率电阻、整流二极管、支撑电容和IGBT单元形成泻能回路，这样也就可以确保转子侧不形成过高的电压而损坏变流器，同时系统进入可控范围内后快速启动机侧变流器控制发电机。泻能过程中，电压主要由Crowbar电路中的功率电阻分担，整流二极管和IGBT单元没有过电压风险，这样也就大大提高了电路的可靠性。

如果在规定时限内网压恢复，机侧变流器恢复工作，Crowbar电路中的开关组件关断，从而恢复到稳态运行状态。

对于本发明所提供的Crowbar电路来说，在风力发电系统稳态运行时，变流器输出的高频电压对Crowbar电路进行频繁的充电，Crowbar电路中的功率电阻可以充当充电电阻用，从而限制整流电路内部器件(例如整流二极管)两端的充电电压尖峰，进而提高电路的可靠性。

同时，本发明所提供的Crowbar电路中的功率电阻置于交流测，其能够直接与转子相连，在低电压穿越过程中，开关组件导通，转子电压几乎全部降落在Crowbar电路中的功率电阻上，这样整流电路中的整流器件将不会承担反向电压，从而可以最大程度上保护Crowbar电路中的半导体器件。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (5)

1.一种Crowbar电路，其特征在于，所述Crowbar电路包括：

若干功率电阻，各个功率电阻的第一端形成Crowbar电路的外接端口，以用于与风力发电机的转子侧连接，所述各个功率电阻的第一端挂接于风力发电机转子侧与机侧变流器之间所形成的线路上，其中，所述若干功率电阻为三个，每个功率电阻分别与整流电路的三个交流端口对应连接；

整流电路，其与所述若干功率电阻的第二端对应连接，用于将功率电阻传输来的交流电转换为相应的直流电，其中，所述整流电路包括六个二极管，其中，第一二极管的正极形成整流电路的第一交流端口，以与第一功率电阻的第二端连接，第二二极管的负极与第一二极管的正极连接，第三二极管的正极形成整流电路的第二交流端口，以与第二功率电阻的第二端连接，第四二极管的负极与第三二极管的正极连接，第五二极管的正极形成整流电路的第三交流端口，以与第三功率电阻的第二端连接，第六二极管的负极与第五二极管的正极连接，所述第一二极管、所述第三二极管和所述第三二极管的负极共连形成整流电路的直流侧正极，所述第二二极管、所述第四二极管和所述第六二极管的正极共连形成整流电路的直流侧负极；

支撑电容，其连接在所述整流电路的直流侧正负极之间；

开关组件，其连接在所述整流电路的直流侧正负极之间，所述开关组件包括第一IGBT单元和第二IGBT单元，其中，所述第一IGBT单元的集电极与所述整流电路的直流侧正极连接，所述第一IGBT单元的发射极与所述第二IGBT单元的集电极连接，所述第二IGBT单元的发射极与所述整流电路的直流侧负极连接；

第一分压电阻，其第一端与所述整流电路的直流侧正极连接，所述第一分压电阻的第二端与第二分压电阻的第一端连接；

所述第二分压电阻，其第二端与所述整流电路的直流侧负极连接，所述第二分压电阻的第一端还与所述第一IGBT单元的发射极连接，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的阻值相等。

2.如权利要求1所述的Crowbar电路，其特征在于，所述二极管整流电路中整流二极管所能够承受的最大反压是根据所述支撑电容确定的。

3.一种双馈风电变流系统，其特征在于，所述系统包括：

如权利要求1或2所述的Crowbar电路，其用于与风力发电机的转子侧连接；

机侧变流器，其用于与所述风力发电机的转子侧连接；

网侧变流器，其与所述机侧变流器连接。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

控制电路，其与所述Crowbar电路连接，用于控制所述Crowbar电路的运行状态。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，

在低电压穿越工况下，所述控制电路配置为控制所述Crowbar电路中的开关组件导通，使得所述风力发电机产生的交流电通过所述Crowbar电路中的功率电阻、整流电路、支撑电容和开关组件形成的泄能回路消耗；

在电压恢复后，所述控制电路配置为控制所述开关组件关断。

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