CN112994545A - 用于缓解设备失效的功率转换器的选择性撬棍响应 - Google Patents

用于缓解设备失效的功率转换器的选择性撬棍响应 Download PDF

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Abstract

一种用于操作电功率系统的多级桥式功率转换器的方法包括将功率转换器的多个相连接到在功率转换器的DC侧处的公共端子，以便有效地使多个相在公共电势下相等。该方法还可包括经由控制器对功率转换器的多个设备进行故障监测。在检测到多个设备中的一个或多个中的故障时，该方法包括经由控制器激活功率转换器的撬棍的一个或多个保护设备，以通过从多个设备中的其余设备转移走能量来防止在多个设备中的其余设备中发生另外的故障。

Description

用于缓解设备失效的功率转换器的选择性撬棍响应
技术领域
本公开大体上涉及电功率系统，并且更特别地涉及用于缓解设备失效的电功率系统的功率转换器的选择性撬棍响应。
背景技术
风力涡轮作为一种可再生能量源受到了越来越多的关注。风力涡轮利用风来产生电力。风使连接到转子的多个叶片转动。由风引起的叶片的旋转使转子的轴旋转，转子的轴连接到产生电力的发电机。某些风力涡轮包括双馈感应发电机(DFIG)，以将风能转换成适于输出到电力网的电功率。DFIG典型地连接到转换器，该转换器调节DFIG和电网之间的电功率的流。更特别地，转换器允许风力涡轮以电网频率输出电功率，而不管风力涡轮叶片的旋转速度如何。
典型的DFIG系统包括具有转子和定子的风力驱动的DFIG。DFIG的定子通过定子母线联接到电力网。功率转换器用于将DFIG的转子联接到电力网。功率转换器可为两级功率转换器，其包括转子侧转换器和线路侧转换器两者。转子侧转换器可经由转子母线从转子接收交流(AC)功率，并且可将AC功率转换成DC功率。然后，线路侧转换器可将DC功率转换成具有合适输出频率(诸如电网频率)的AC功率。AC功率经由线路母线提供到电力网。辅助功率馈送器可联接到线路母线，以向风力涡轮系统中使用的部件(诸如风扇、泵、马达和风力涡轮系统的其它部件)提供功率。
典型的DFIG系统包括具有高压初级绕组(例如，大于12KVAC)和低压次级绕组(例如，575VAC、690VAC等)的双绕组变压器，以将DFIG系统联接到电力网。高压初级绕组可联接到高压电力网。提供来自DFIG的定子的AC功率的定子母线和提供来自功率转换器的AC功率的线路母线可联接到低压次级绕组。在该系统中，定子的输出功率和功率转换器的输出功率在相同的电压下操作，并结合到在低电压下的单个变压器次级绕组中。
最近，DFIG系统包括了三绕组变压器，以将DFIG系统联接到电力网。三绕组变压器可具有联接到电力网的高压(例如，大于12KVAC)初级绕组、联接到定子母线的中压(例如，6KVAC)次级绕组以及联接到线路母线的低压(例如，575VAC、690VAC等)辅助绕组。三绕组变压器布置在增大的输出功率的系统(例如，3MW系统)中可为优选的，因为它减少了DFIG的定子侧上的定子母线和其它部件中的电流。
在风力涡轮系统(包括DFIG系统)的操作期间，可发生各种故障事件，包括电网欠电压或过电压状况以及功率系统和/或相关联的风力涡轮内的故障。这可导致功率转换器中的过多能量，能量过多可导致对转换器的损坏。
已经利用了各种方法来降低功率转换器中过电压状况的风险。例如，当电网故障发生时，已利用撬棍作为防止多余能量到达功率转换器的初始措施。也已利用制动斩波器作为吸收这种多余能量的初始措施。此外，在多级桥式功率转换器上的设备失效期间，在不解决初始失效的情况下持续操作可引发失效传播，这可损坏功率转换器中的所有设备。因此，如果初始失效未被快速控制，则损坏可能在其余的阶段中发生，从而全面(effectively)破坏整个转换器。
因此，解决上述问题的用于操作电功率系统的多级桥式功率转换器的改进方法在本领域中是期望的。特别地，利用电功率系统的功率转换器的选择性撬棍响应来缓解设备失效的改进方法将是有利的。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地被阐述，或者可根据描述而为显而易见的，或者可通过本发明的实践获知。
在一个方面，本公开涉及一种用于操作电功率系统的多级桥式功率转换器的方法。功率转换器包括经由DC链路联接到线路侧转换器的转子侧转换器。该方法包括将功率转换器的多个相连接到在功率转换器的DC侧处的公共端子，以便有效地使多个相在公共电势下相等。该方法还可包括经由控制器对功率转换器的多个设备进行故障监测。在检测到多个设备中的一个或多个中的故障时，该方法包括经由控制器激活功率转换器的撬棍的一个或多个保护设备，以通过从多个设备中的其余设备转移走能量来防止在多个设备中的其余设备中发生另外的故障。
在一个实施例中，该方法还可包括经由控制器检测多个设备中的一个或多个中的故障的位置。在这样的实施例中，激活功率转换器的撬棍以防止多个设备的另外的故障可包括基于多个设备中的一个或多个中的故障的位置从多个撬棍响应中选择撬棍响应和激活所选择的撬棍响应。
在特定实施例中，故障可为功率转换器的桥接电路(bridge circuit)上的桥接故障。
在另一个实施例中，(多个)保护设备可包括熔断器、开关元件或它们的组合。在某些实施例中，(多个)保护设备可包括转子侧转换器或线路侧转换器中的至少一个的一个或多个开关元件。备选地，(多个)保护设备可包括设置在转子侧转换器或线路侧转换器中的至少一个上游或下游的一个或多个开关元件。
在另外的实施例中，多个设备可包括一个或多个半导体开关。
在另外的实施例中，电功率系统可包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、储能功率系统或它们的组合。
在另一方面，本公开涉及一种电功率系统。电功率系统包括具有转子和定子的双馈感应发电机。定子将AC功率提供到定子母线。该系统还包括联接到双馈感应发电机的转子的多级桥式功率转换器。功率转换器将输出提供到线路母线，并且包括转子侧转换器、线路侧转换器、DC链路和多个相，该多个相连接到在功率转换器的DC侧处的公共端子，以便有效地使多个相在公共电势下相等。此外，该系统包括通信地联接到功率转换器的控制器。控制器配置成执行多个操作，包括但不限于：对功率转换器的多个设备进行故障监测；以及在检测到多个设备中的一个或多个中的故障时，经由控制器激活功率转换器的撬棍的一个或多个保护设备，以通过从多个设备中的其余设备转移走能量来防止在多个设备中的其余设备中发生另外的故障。应当理解，电功率系统还可包括本文描述的任何另外的特征。
在又一个方面，本公开涉及一种用于操作电功率系统的多级桥式功率转换器的方法。功率转换器包括经由DC链路联接到线路侧转换器的转子侧转换器。该方法包括将功率转换器的多个相连接到在功率转换器的DC侧处的公共端子。此外，该方法包括经由控制器监测功率转换器的多个设备的一个或多个参数。在检测到一个或多个参数指示多个设备中的一个或多个中发生故障时，该方法包括经由控制器激活功率转换器的撬棍的一个或多个保护设备，以通过从多个设备中的其余设备转移走能量来防止在多个设备中的其余设备中发生另外的故障。
在这样的实施例中，(多个)参数可包括电流、电压、去饱和事件或它们的组合中的至少一个。应当理解，该方法还可包括本文描述的任何另外的步骤和/或特征。
技术方案1. 一种用于操作电功率系统的多级桥式功率转换器的方法，所述功率转换器包括经由DC链路联接到线路侧转换器的转子侧转换器，所述方法包括：
将所述功率转换器的多个相连接到在所述功率转换器的DC侧处的公共端子，以便有效地使所述多个相在公共电势下相等；
经由控制器对所述功率转换器的多个设备进行故障监测；和
在检测到所述多个设备中的一个或多个中的故障时，经由所述控制器激活所述功率转换器的撬棍的一个或多个保护设备，以通过从所述多个设备中的其余设备转移走能量来防止在所述多个设备中的所述其余设备中发生另外的故障。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，还包括经由所述控制器检测所述多个设备中的一个或多个中的所述故障的位置。
技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，激活所述功率转换器的所述撬棍以防止所述多个设备的另外的故障还包括：
基于所述多个设备中的一个或多个中的所述故障的位置从多个撬棍响应中选择撬棍响应；和
激活所选择的撬棍响应。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述故障包括所述功率转换器的桥接电路上的桥接故障。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个保护设备包括熔断器、开关元件或它们的组合中的至少一个。
技术方案6. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个保护设备包括所述转子侧转换器或所述线路侧转换器中的至少一个的一个或多个开关元件。
技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个保护设备包括设置在所述转子侧转换器或所述线路侧转换器中的至少一个的上游或下游的一个或多个开关元件。
技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述多个设备包括一个或多个半导体开关。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述电功率系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、储能功率系统或它们的组合。
技术方案10. 一种电功率系统，包括：
双馈感应发电机，其具有转子和定子，所述定子将AC功率提供到定子母线；
多级桥式功率转换器，其联接到所述双馈感应发电机的所述转子，所述功率转换器将输出提供到线路母线，所述功率转换器包括转子侧转换器、线路侧转换器、DC链路和多个相，所述多个相连接到在所述功率转换器的DC侧处的公共端子以便有效地使所述多个相在公共电势下相等；和
控制器，其通信地联接到所述功率转换器，所述控制器配置成执行多个操作，所述多个操作包括：
对所述功率转换器的多个设备进行故障监测；和
在检测到所述多个设备中的一个或多个中的故障时，经由所述控制器激活所述功率转换器的撬棍的一个或多个保护设备，以通过从所述多个设备中的其余设备转移走能量来防止在所述多个设备中的所述其余设备中发生另外的故障。
技术方案11. 根据技术方案10所述的电功率系统，其特征在于，还包括经由所述控制器检测所述多个设备中的所述一个或多个中的所述故障的位置。
技术方案12. 根据技术方案11所述的电功率系统，其特征在于，激活所述功率转换器的所述撬棍以防止所述多个设备的另外的故障还包括：
基于所述多个设备中的所述一个或多个中的所述故障的位置从多个撬棍响应中选择撬棍响应；和
激活所选择的撬棍响应。
技术方案13. 根据技术方案10所述的电功率系统，其特征在于，所述故障包括所述功率转换器的桥接电路上的桥接故障。
技术方案14. 根据技术方案10所述的电功率系统，其特征在于，所述一个或多个保护设备包括熔断器或开关元件。
技术方案15. 根据技术方案10所述的电功率系统，其特征在于，所述一个或多个保护设备包括所述转子侧转换器或所述线路侧转换器中的至少一个的开关元件。
技术方案16. 根据技术方案10所述的电功率系统，其特征在于，所述一个或多个保护设备包括设置在所述功率转换器内的所述转子侧转换器上游的开关元件。
技术方案17. 根据技术方案10所述的电功率系统，其特征在于，所述电功率系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、储能功率系统或它们的组合。
技术方案18. 一种用于操作电功率系统的多级桥式功率转换器的方法，所述功率转换器包括经由DC链路联接到线路侧转换器的转子侧转换器，所述方法包括：
将所述功率转换器的多个相连接到在所述功率转换器的DC侧处的公共端子；
经由控制器监测所述功率转换器的多个设备的一个或多个参数；和
在检测到所述一个或多个参数指示所述多个设备中的一个或多个中发生故障时，经由所述控制器激活所述功率转换器的撬棍的一个或多个保护设备，以通过从所述多个设备中的其余设备转移走能量来防止在所述多个设备中的所述其余设备中发生另外的故障。
技术方案19. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，所述一个或多个参数包括电流、电压、去饱和事件或它们的组合中的至少一个。
技术方案20. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，还包括经由所述控制器检测所述多个设备中的所述一个或多个中的所述故障的位置，其中，激活所述功率转换器的所述撬棍以防止所述多个设备的另外的故障还包括基于所述多个设备中的所述一个或多个中的所述故障的位置从多个撬棍响应中选择撬棍响应和激活所选择的撬棍响应。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员而言的本发明的完整且能够实现的公开内容，包括其最佳模式，在附图中：
图1示出了根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2示出了根据本公开的风力涡轮的机舱的一个实施例的内部透视图；
图3示出了根据本公开的可包括在风力涡轮和/或电功率系统的控制器内的合适部件的一个实施例的示意图；
图4示出了根据本公开的电功率系统的一个实施例的示意图；
图5示出了根据本公开的电功率系统的一个实施例的示意图；
图6示出了根据本公开的方法的一个实施例的流程图；和
图7示出了根据本公开的方法的另一个实施例的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中被示出。每个示例通过解释本发明而不是限制本发明的方式提供。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，旨在本发明覆盖如归入所附权利要求书的范围内的这种修改和变型及其等同物。
现在参考附图，图1示出了根据本公开的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如图所示，风力涡轮10包括从支撑表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16以及联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转的毂20和至少一个转子叶片22，转子叶片112联接到毂20并从毂20向外延伸。例如，在示出的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个转子叶片22。每个转子叶片22可围绕毂20间隔开，以便于旋转转子18，从而使动能能够从风能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。例如，毂20可能够旋转地联接到定位在机舱16内的发电机24(图2)，以允许产生电能。
如图所示，风力涡轮10还可包括集中在机舱16内的涡轮控制系统或涡轮控制器26。然而，应当理解，涡轮控制器26可设置在风力涡轮10上或风力涡轮10中的任何位置处、支撑表面14上的任何位置处或大体上任何其它位置处。涡轮控制器26可大体上配置成控制风力涡轮10的各种操作模式(例如，启动或关闭顺序)和/或部件。例如，控制器26可配置成控制转子叶片22中的每个的叶片桨距或桨距角(即，确定转子叶片22相对于风的方向28的视角(perspective)的角度)以通过调节至少一个转子叶片22相对于风的角位置来控制转子叶片22上的负载。例如，涡轮控制器26可通过将合适的控制信号/命令传输到风力涡轮10的各种变桨驱动器(pitch drive)或桨距调节机构32(图2)来单独或同时控制转子叶片22的桨距角。具体地，转子叶片22可通过一个或多个变桨轴承(未示出)能够旋转地安装到毂20，使得可通过使用桨距调节机构32使转子叶片22围绕其变桨轴线(pitch axis)34旋转来调节桨距角。此外，随着风的方向28改变，涡轮控制器26可配置成：控制机舱16围绕偏航轴线36的偏航方向，以相对于风的方向28定位转子叶片22，从而控制作用在风力涡轮10上的负载。例如，涡轮控制器26可配置成将控制信号/命令传输到风力涡轮10的偏航驱动机构38(图2)使得机舱16可围绕偏航轴线30旋转。
更进一步地，涡轮控制器26可配置成控制发电机24的扭矩。例如，涡轮控制器26可配置成：将控制信号/命令传输到发电机24，以便调制发电机24内产生的磁通量，从而调节发电机24上的扭矩需求。发电机24的这种暂时减额可降低转子叶片22的旋转速度，从而降低作用在叶片22上的空气动力负载和作用在各种其它风力涡轮10的部件上的反作用负载。
应当理解，涡轮控制器26可大体上包括计算机或任何其它合适的处理单元。因此，在若干实施例中，涡轮控制器26可包括一个或多个处理器和(多个)相关联的存储器设备，其配置成执行各种计算机实现的功能，如图3所示和本文所讨论的。如本文所用的，术语“处理器”不仅指在本领域中被认为包含在计算机中的集成电路，还指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路。另外，涡轮控制器26的(多个)存储器设备大体上可包括(多个)存储器元件，包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪存存储器)、软盘、致密盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它合适的存储器元件。(多个)这样的存储器设备大体上可配置成存储合适的计算机可读指令，当由(多个)处理器实现时，该指令使控制器26配置成执行各种计算机实现的功能，包括但不限于：执行比例积分微分(“PID”)控制算法，包括一个或多个PID控制回路中的各种计算；以及各种其它合适的计算机实现的功能。此外，涡轮控制器26还可包括各种输入/输出通道，用于从传感器和/或其它测量设备接收输入，并用于向风力涡轮10的各种部件发送控制信号。
另外应当理解，控制器26可为单个控制器，或者包括各种部件，诸如桨距控制器和/或偏航控制器，它们与中央控制器通信，用于如所讨论的那样专门控制桨距和偏航。另外，术语“控制器”还可包括彼此通信的计算机、处理单元和/或相关部件的组合。
现在参考图2，示出了风力涡轮10的机舱16的一个实施例的简化内部视图。如图所示，发电机24可设置在机舱16内。一般来说，发电机24可联接到风力涡轮10的转子18，用于由通过转子18产生的旋转能量产生电功率。例如，转子18可包括联接到毂20以与其一起旋转的主转子轴40。发电机24可然后联接到转子轴40，使得转子轴40的旋转驱动发电机24。例如，在示出的实施例中，发电机24包括通过齿轮箱44能够旋转地联接到转子轴40的发电机轴42。然而，在其它实施例中，应当理解，发电机轴42可直接能够旋转地联接到转子轴40。备选地，发电机24可直接能够旋转地联接到转子轴40(通常称为“直接驱动风力涡轮”)。
应当理解，转子轴40可大体上由定位在风力涡轮塔架12顶部的支撑框架或底板46支撑在机舱内。例如，转子轴40可经由安装到底板46的一对轴台48、50而由底板46支撑。
另外，如本文所指示，涡轮控制器26也可位于风力涡轮10的机舱16内。例如，如在示出的实施例中所示，涡轮控制器26设置在安装到机舱16的一部分的控制柜52内。然而，在其它实施例中，涡轮控制器26可设置在风力涡轮10上和/或风力涡轮10内的任何其它合适的位置处或远离风力涡轮10的任何合适的位置处。此外，如本文所述，涡轮控制器26也可通信地联接到风力涡轮10的各种部件，用于大体上控制风力涡轮和/或这样的部件。例如，涡轮控制器26可通信地联接到风力涡轮10的(多个)偏航驱动机构38，用于控制和/或改变机舱16相对于风的方向28(图1)的偏航方向。类似地，涡轮控制器26也可通信地联接到风力涡轮10的每个桨距调节机构32(示出了其中一个)，用于控制和/或改变转子叶片22相对于风的方向28的桨距角。例如，涡轮控制器26可配置成将控制信号/命令传输到每个桨距调节机构32，使得可利用桨距调节机构32的一个或多个致动器(未示出)来使叶片22相对于毂20旋转。特别地，可利用控制器26来执行这样的方法，并且控制器26可基于本文所讨论的这样的方法进一步控制发电机24的扭矩调节、风力涡轮10的偏航调节和/或转子叶片22的桨距调节。
现在参考图3，示出了根据本主题的各方面的可包括在涡轮控制器26内的合适部件的一个实施例的框图。如图所示，控制器26可包括一个或多个处理器60和(多个)相关联的存储器设备62，其配置成执行各种计算机实现的功能(例如，执行本文公开的方法、步骤、计算等)。另外，控制器26还可包括通信模块64，以便于控制器26和风力涡轮10的各种部件之间的通信。例如，通信模块64可用作接口以允许涡轮控制器26向每个桨距调节机构32传输控制信号，以用于控制转子叶片22的桨距角。此外，通信模块64可包括传感器接口66(例如，一个或多个模数转换器)，以允许从例如各种传感器传输的输入信号被转换成可由处理器60理解和处理的信号。
现在参考图4和图5，根据本公开示出了电功率系统100的实施例。特别地，如图所示，系统100是双馈感应发电机(DFIG)风力涡轮系统。此外，如图所示，系统100包括如上文所讨论的风力涡轮10和任选的齿轮箱44，齿轮箱44又联接到发电机24。根据本公开的方面，发电机24是双馈感应发电机(DFIG) 24。然而，应当理解，本公开不限于DFIG系统100和DFIG24，并且相反，包括例如全功率转换系统和发电机在内的任何合适的系统和发电机都在本公开的范围和精神内。
DFIG 24典型地经由转子母线124联接到定子母线122和功率转换器130。定子母线122从DFIG 24的定子提供输出多相功率(例如，三相功率)，并且转子母线124提供DFIG 24的转子的输出多相功率(例如，三相功率)。参考功率转换器130，DFIG 24经由转子母线124联接到转子侧转换器132。转子侧转换器132联接到线路侧转换器134，线路侧转换器134又联接到线路侧母线138。
功率转换器130可包括一个或多个转子侧开关元件192和一个或多个线路侧开关元件194，转子侧开关元件192可为转子侧转换器132的部件，线路侧开关元件194可为线路侧转换器134的部件。用于转子侧转换器132的各个相的开关元件192可包括在转子侧转换器132的桥中，并且用于线路侧转换器134的各个相的开关元件194可包括在线路侧转换器134的桥中。在示例性实施例中，开关元件192、194可为IGBT。例如，在示例性配置中，转子侧转换器132和线路侧转换器134被配置用于使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为开关设备的三相脉宽调制(PWM)布置中的正常操作模式。可使用其它合适的开关设备，诸如绝缘栅整流晶闸管、MOSFET、双极晶体管、可控硅整流器或其它合适的开关设备。转子侧转换器132和线路侧转换器134可经由DC链路135联接，DC链路电容器136横跨该DC链路135。
在一些实施例中，可利用多个转子侧转换器132和/或线路侧转换器134，多个转子侧转换器132和/或线路侧转换器134并联地电联接在一起。
功率转换器130可通信地联接到控制器26，以控制转子侧转换器132和线路侧转换器134的操作。例如，控制器26可将控制命令发送到转子侧转换器132和线路侧转换器134，以控制功率转换器130中使用的开关元件(诸如IGBT)的调制，从而提供期望的有功和无功功率输出。
如图所示，系统100还可包括将风力涡轮系统100联接到电力网168的变压器160。在实施例中，如图所示，变压器160可为三绕组变压器，其包括联接到电力网168的高压(例如，大于12KVAC)初级绕组162、联接到定子母线122的中压(例如，6KVAC)次级绕组164和/或联接到线路母线138的低压(例如，575VAC、690VAC等)辅助绕组166。应当理解，变压器160可为如图所示的三绕组变压器，或者备选地可为仅具有初级绕组162和次级绕组164的双绕组变压器；可为具有初级绕组162、次级绕组164、辅助绕组166和另外的辅助绕组的四绕组变压器；或者可具有任何其它合适数量的绕组。
辅助功率馈送器170联接到功率转换器130的输出。辅助功率馈送器170充当风力涡轮系统100的各种部件的功率源。例如，辅助功率馈送器170可为风扇、泵、马达和风力涡轮系统100的其它合适的部件提供功率。
在操作中，通过旋转转子106在DFIG 24处产生的功率经由双路径提供到电力网168。双路径由定子母线122和转子母线124限定。在转子母线124侧上，正弦多相(例如三相)交流(AC)功率被提供至功率转换器130。转子侧功率转换器132将从转子母线124提供的AC功率转换成直流(DC)功率，并将DC功率提供至DC链路135。在转子侧功率转换器132的并联桥接电路中使用的开关设备(例如，IGBT)可被调制，以将从转子母线124提供的AC功率转换成适合于DC链路135的DC功率。
线路侧转换器134将DC链路135上的DC功率转换成在适合于电力网168的频率下的AC功率。特别地，线路侧功率转换器134的桥接电路中使用的开关设备(例如，IGBT)可被调制，以将DC链路135上的DC功率转换成线路侧总线138上的AC功率。来自功率转换器130的功率可经由变压器160的辅助绕组166被提供到电力网168。
功率转换器130可从例如控制器26接收控制信号。控制信号尤其(among otherthings)可基于风力涡轮系统100的感测到的状况或操作特性。例如，控制信号可基于由电压传感器144确定的与变压器160相关联的感测电压。作为另一示例，控制信号可基于由电压传感器146确定的与辅助功率馈送器170相关联的感测电压。
典型地，控制信号提供用于控制功率转换器130的操作。例如，成DFIG 24的感测速度形式的反馈可用于控制来自转子母线156的输出功率的转换，以保持适当且平衡的多相(例如三相)功率源。来自其它传感器的其它反馈也可由控制器174使用来控制功率转换器130，包括例如定子和转子母线电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息，可生成开关控制信号(例如，用于IGBT的栅极定时命令)、定子同步控制信号和断路器信号。
在定子母线122侧上，正弦多相(例如，三相)交流(AC)功率从发电机120的定子被提供到定子母线122，并且从定子母线122被提供到变压器160，并且特别地被提供到其次级绕组164。在系统100中可包括各种断路器、熔断器、接触器和其它设备，诸如电网断路器158、定子母线断路器156、开关154和线路母线断路器152，以例如在电流过大并可能损坏风力涡轮系统100的部件或出于其它操作考虑时连接或断开对应的母线。在风力涡轮系统100中还可包括另外的保护部件。
另外，在一些实施例中，可在功率转换器130中提供撬棍。在某些实施例中，撬棍可包括一个或多个保护设备，包括例如熔断器、开关元件或它们的组合。例如，如图4所示，(多个)保护设备可包括转子侧开关元件192和/或线路侧开关元件194。在备选实施例中，如图5所示，保护设备可包括另外的开关元件196，其被包括在功率转换器130中并且位于转子侧转换器132和/或线路侧转换器134的上游和/或下游。因此，在实施例中，当撬棍被激活时，开关元件(即，元件192或元件196)可被导通。当撬棍被去激活时，开关元件(即，元件192或元件196)可被关断。
现在参考图4至图6，本公开还涉及用于操作电功率系统100的方法。在一些实施例中，控制器26配置成执行这样的操作。更具体地，图6示出了根据本公开的用于操作电功率系统的多级桥式功率转换器的方法200的一个实施例的流程图。一般来说，方法200将在本文中参考图1至图5中示出的风力涡轮10、电功率系统100和控制器26进行描述。然而，应当理解，所公开的方法200可用具有任何其它合适配置的风力涡轮和功率系统(诸如例如太阳能功率系统、储能功率系统或它们的组合)来实现。
此外，尽管为了说明和讨论的目的，图6描绘了以特定顺序执行的步骤，但是本文讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文提供的公开内容，本领域技术人员将理解，在不偏离本公开的范围的情况下，本文公开的方法的各种步骤可以各种方式被省略、重新布置、组合和/或修改。
如在(202)所示，方法200包括将功率转换器130的多个相连接到在功率转换器的DC侧处的公共端子，以便有效地使多个相在公共电势下相等。如在(204)所示，方法200包括经由控制器26对功率转换器130的多个设备进行故障监测。例如，在特定实施例中，故障可为功率转换器130的桥接电路上的桥接故障。照此，可能在功率转换器130的开关元件(即，半导体开关)中的一个或多个中经历故障。
如在(206)所示，方法200确定是否检测到故障。在检测到多个设备中的一个或多个中的故障时，如在(208)所示，方法200还可包括经由控制器26检测多个设备中的一个或多个中的故障的位置。因此，如在(210)所示，方法200还包括经由控制器26激活功率转换器130的撬棍的一个或多个保护设备，以通过从多个设备中的其余设备转移走能量来防止在多个设备中的其余设备中发生另外的故障。如果不是，方法200继续如(204)所示进行监测。
更具体地，在实施例中，控制器26可通过基于一个或多个设备中的故障的位置从多个撬棍响应中选择撬棍响应并激活所选择的撬棍响应来激活功率转换器130的撬棍。因此，使用撬棍将产生即时的瞬态，在对桥接电路造成进一步损坏之前，该瞬态将迅速激活保护设备(例如，熔断器或保护开关装置)。
现在参考图7，其示出根据本公开的用于操作电功率系统的多级桥式功率转换器的方法300的另一个实施例的流程图。一般来说，方法300将在本文中参考图1至图5中示出的风力涡轮10、电功率系统100和控制器26进行描述。然而，应当理解，所公开的方法300可用具有任何其它合适配置的风力涡轮和功率系统(诸如例如太阳能功率系统、储能功率系统或它们的组合)来实现。
此外，尽管为了说明和讨论的目的，图7描绘了以特定顺序执行的步骤，但是本文讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文提供的公开内容，本领域技术人员将理解，在不偏离本公开的范围的情况下，本文公开的方法的各种步骤可以各种方式被省略、重新布置、组合和/或修改。
如在(302)所示，方法300包括将功率转换器130的多个相连接到在功率转换器130的DC侧处的公共端子。如在(304)所示，方法300包括经由控制器26监测功率转换器130的多个设备的一个或多个参数。例如，在这样的实施例中，(多个)参数可包括电流、电压、去饱和事件或它们的组合中的至少一个。如在(306)所示，方法300包括确定(多个)参数是否指示在多个设备中的一个或多个中发生故障。如果是，如在(308)所示，方法300包括经由控制器26激活功率转换器130的撬棍的一个或多个保护设备，以通过从多个设备中的其余设备转移走能量来防止在多个设备中的其余设备中发生另外的故障。
本发明的各个方面和实施例由以下编号的条款限定：
条款1. 一种用于操作电功率系统的多级桥式功率转换器的方法，该功率转换器包括经由DC链路联接到线路侧转换器的转子侧转换器，该方法包括：
将功率转换器的多个相连接到在功率转换器的DC侧处的公共端子，以便有效地使多个相在公共电势下相等；
经由控制器对功率转换器的多个设备进行故障监测；和
在检测到多个设备中的一个或多个中的故障时，经由控制器激活功率转换器的撬棍的一个或多个保护设备，以通过从多个设备中的其余设备转移走能量来防止在多个设备中的其余设备中发生另外的故障。
条款2. 根据条款1所述的方法，还包括经由控制器检测多个设备中的一个或多个中的故障的位置。
条款3. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，激活功率转换器的撬棍以防止多个设备的另外的故障还包括：
基于多个设备中的一个或多个中的故障的位置从多个撬棍响应中选择撬棍响应；和
激活所选择的撬棍响应。
条款4. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，故障包括功率转换器的桥接电路上的桥接故障。
条款5. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，一个或多个保护设备包括熔断器、开关元件或它们的组合中的至少一个。
条款6. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，一个或多个保护设备包括转子侧转换器或线路侧转换器中的至少一个的一个或多个开关元件。
条款7. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，一个或多个保护设备包括设置在转子侧转换器或线路侧转换器中的至少一个的上游或下游的一个或多个开关元件。
条款8. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，多个设备包括一个或多个半导体开关。
条款9. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，电功率系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、储能功率系统或它们的组合。
条款10. 一种电功率系统，包括：
双馈感应发电机，其具有转子和定子，定子将AC功率提供到定子母线；
多级桥式功率转换器，其联接到双馈感应发电机的转子，该功率转换器将输出提供到线路母线，该功率转换器包括转子侧转换器、线路侧转换器、DC链路和多个相，该多个相连接到在功率转换器的DC侧处的公共端子，以便有效地使多个相在公共电势下相等；和
控制器，其通信地联接到功率转换器，该控制器配置成执行多个操作，该多个操作包括：
对功率转换器的多个设备进行故障监测；和
在检测到多个设备中的一个或多个中的故障时，经由控制器激活功率转换器的撬棍的一个或多个保护设备，以通过从多个设备中的其余设备转移走能量来防止在多个设备中的其余设备中发生另外的故障。
条款11. 根据条款10所述的电功率系统，还包括经由控制器检测多个设备中的一个或多个中的故障的位置。
条款12. 根据条款11所述的电功率系统，其中，激活功率转换器的撬棍以防止多个设备的另外的故障还包括：
基于多个设备中的一个或多个中的故障的位置从多个撬棍响应中选择撬棍响应；和
激活所选择的撬棍响应。
条款13. 根据条款10至12所述的电功率系统，其中，故障包括功率转换器的桥接电路上的桥接故障。
条款14. 根据条款10至13所述的电功率系统，其中，一个或多个保护设备包括熔断器或开关元件。
条款15. 根据条款10至14所述的电功率系统，其中，一个或多个保护设备包括转子侧转换器或线路侧转换器中的至少一个的开关元件。
条款16. 根据条款10至15所述的电功率系统，其中，一个或多个保护设备包括设置在功率转换器内的转子侧转换器上游的开关元件。
条款17. 根据条款10至16所述的电功率系统，其中，电功率系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、储能功率系统或它们的组合。
条款18. 一种用于操作电功率系统的多级桥式功率转换器的方法，该功率转换器包括经由DC链路联接到线路侧转换器的转子侧转换器，该方法包括：
将功率转换器的多个相连接到在功率转换器的DC侧处的公共端子；
经由控制器监测功率转换器的多个设备的一个或多个参数；和
在检测到一个或多个参数指示多个设备中的一个或多个中发生故障时，经由控制器激活功率转换器的撬棍的一个或多个保护设备，以通过从多个设备中的其余设备转移走能量来防止在多个设备中的其余设备中发生另外的故障。
条款19. 根据条款18所述的方法，其中，一个或多个参数包括电流、电压、去饱和事件或它们的组合中的至少一个。
条款20. 根据条款18至19所述的方法，还包括经由控制器检测多个设备中的一个或多个中的故障的位置，其中，激活功率转换器的撬棍以防止多个设备的另外的故障还包括基于多个设备中的一个或多个中的故障的位置从多个撬棍响应中选择撬棍响应和激活所选择的撬棍响应。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。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要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等效结构要素，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于操作电功率系统的多级桥式功率转换器的方法，所述功率转换器包括经由DC链路联接到线路侧转换器的转子侧转换器，所述方法包括：
将所述功率转换器的多个相连接到在所述功率转换器的DC侧处的公共端子，以便有效地使所述多个相在公共电势下相等；
经由控制器对所述功率转换器的多个设备进行故障监测；和
在检测到所述多个设备中的一个或多个中的故障时，经由所述控制器激活所述功率转换器的撬棍的一个或多个保护设备，以通过从所述多个设备中的其余设备转移走能量来防止在所述多个设备中的所述其余设备中发生另外的故障。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括经由所述控制器检测所述多个设备中的一个或多个中的所述故障的位置。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，激活所述功率转换器的所述撬棍以防止所述多个设备的另外的故障还包括：
基于所述多个设备中的一个或多个中的所述故障的位置从多个撬棍响应中选择撬棍响应；和
激活所选择的撬棍响应。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述故障包括所述功率转换器的桥接电路上的桥接故障。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个保护设备包括熔断器、开关元件或它们的组合中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个保护设备包括所述转子侧转换器或所述线路侧转换器中的至少一个的一个或多个开关元件。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个保护设备包括设置在所述转子侧转换器或所述线路侧转换器中的至少一个的上游或下游的一个或多个开关元件。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个设备包括一个或多个半导体开关。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电功率系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、储能功率系统或它们的组合。
10.一种电功率系统，包括：
双馈感应发电机，其具有转子和定子，所述定子将AC功率提供到定子母线；
多级桥式功率转换器，其联接到所述双馈感应发电机的所述转子，所述功率转换器将输出提供到线路母线，所述功率转换器包括转子侧转换器、线路侧转换器、DC链路和多个相，所述多个相连接到在所述功率转换器的DC侧处的公共端子以便有效地使所述多个相在公共电势下相等；和
控制器，其通信地联接到所述功率转换器，所述控制器配置成执行多个操作，所述多个操作包括：
对所述功率转换器的多个设备进行故障监测；和
在检测到所述多个设备中的一个或多个中的故障时，经由所述控制器激活所述功率转换器的撬棍的一个或多个保护设备，以通过从所述多个设备中的其余设备转移走能量来防止在所述多个设备中的所述其余设备中发生另外的故障。
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