CN116093904B - 一种直流母线过电压保护电路及元件参数配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流母线过电压保护电路及元件参数配置方法，直流母线过电压保护电路中设置两个负载电阻R₁和R₂，R₁独立承担大负荷工作模式下风电机组直流母线过电压的保护，在小负荷运行模式下，R₁和R₂均投入运行。本发明基于风力机捕获的风能量与风电机组转子存储能量和/或：直流电容存储能量、网侧变换器输送能量、直流电压保护电路消耗能量之间的平衡，准确计算出了不同负载电阻的参数，实现了避免直流母线电压的频繁抖震和极端情况下因直流母线过电压或机组转速飞车引起的故障穿越失败的问题，本发明提供的方法还解决了参数配置盲目、无理论指导的问题，避免了反复修改电路参数，降低了生产成本。

Description

一种直流母线过电压保护电路及元件参数配置方法

技术领域

本发明涉及电路领域，具体涉及一种直流母线过电压保护电路及元件参数配置方法。

背景技术

随着能源危机、环境污染和气候变化等问题的日益突出，大力发展新能源已成为世界各国贯彻国家能源安全和低碳化战略的重大需求。不同于传统发电，新能源发电广泛采用电力电子变换器接入电网，对电网电压波动的抗扰性差，易于故障穿越失败而发生风电大面积连锁脱网事故，严重危害电力系统的安全稳定运行，因此各国都出台了要求风电机组具备故障穿越能力的并网原则。

电网电压骤变(跌落和骤升)期间保持直流母线电压的稳定是发电系统实现故障穿越的前提条件。直流母线过电压保护电路用于在电网故障导致电压突变，风电机组运行在低电压穿越故障时期间，维持风电机组直流母线电压在安全水平，目前发电系统的传统直流母线过电压保护电路是Chopper电路，如图1、图2所示。

发电系统直流母线过电压Chopper保护电路由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和负载电阻构成，其主要工作原理是：在电网电压骤变期间，如果直流母线电压(V _dc)超过1.2倍的额定电压，IGBT导通，通过负载电阻R消耗直流支撑电容Cz中能量，从而避免直流支撑电容Cz两端电压过高，造成直流支撑电容Cz和逆变器的损坏；当V _dc低于1.2倍的额定电压时，IGBT关闭。

传统Chopper电路存在两方面的不足。

极端故障状态下故障穿越能力失败风险高。负载电阻值的选择对于Chopper电路的保护效果具有重要作用。当电网故障程度较轻时，若负载电阻值较小，可能造成IGBT频繁投入和关断，一方面会造成直流母线电压抖震，另一方面IGBT会在短时间内频繁产生较大的尖峰电压，因其超过IGBT的耐受电压而造成IGBT的损坏。当电网故障程度较严重时，若负载电阻值较大，无法实现对直流母线过电压的有效抑制，一方面因直流母线电压过高触发机组安全链动作，导致风电机组解列；另一方面，直流电压过高会造成风电机组转速不断加速，导致风电机组因转速飞车而故障穿越失败。因此，风电机组直流侧过电压保护与监控电路的参数配置直接决定了风电机组故障穿越的性能，迫切需要开展风电机组直流母线过电压保护与监控电路的参数最优配置工作，在保证保护电路经济型的条件下，提升风电机组故障穿越性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种直流母线过电压保护电路元件参数配置方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种直流母线过电压保护电路元件参数配置方法，所述直流母线过电压保护电路用于在电网故障导致电压突变，风电机组运行在低电压穿越故障期间，维持风电机组直流母线电压在安全水平，所述过电压包括依次串联在直流母线的正/负极之间的第一IGBT单管、负载电阻，所述过电压还与第一电容并联，所述负载电阻由串联的第一负载电阻和第二负载电阻组成；

当直流母线过电压保护电路两端电压U_dc≥预设触发阈值U_Fset，且直流母线电压变化率dU_dc/dt≥λrate时，第一IGBT单管导通，且第二负载电阻被短路，由第一负载电阻消耗直流；

当直流母线过电压保护电路两端电压U_dc<预设触发阈值U_Fset，且直流母线电压变化率dU_dc/dt<λrate时，第一IGBT单管导通，由第一负载电阻和第二负载电阻一起消耗直流；

第一负载电阻按以下方程式配置：

；

其中，E_w为风电机组捕获的风能量，E_r为风电机组的转子存储能量，E_C为直流电容存储能量，E_GSC为网侧变换器输送能量，E_DC-R为直流母线过电压保护电路消耗能量， _Pw 为捕获的风功率，r为风电机组叶片半径，ρ为空气密度，v _w 为等效风速，C_p为风电机组的风能捕获系数，T₀为当风电机组运行在功率恒定时电网电压幅值跌落到0.p.u的时刻，风电机组运行在功率恒定即风电机组输出功率为额定功率P _rate且机组转速为W _{r n} 时， W _{r n} 是风电机组额定转速，T _Tmax 为故障穿越过程中风电机组转速升高到上限值W _r-limit时的时刻，T _Tmax -T ₀ =0.625=t ，J为风电机组转子转动惯量，U _dc-limit 是风电机组直流母线电压安全阈值，U _dc 是第一电容两端电压，U_rated是第一电容的额定电压；

C_p根据C_p与转速W拟合的函数关系求出；

第二负载电阻按以下方程式配置：

；

其中，P_rated是风电机组额定风功率, t是故障穿越时间。

如上所述在直流母线的正/负极之间还串联着吸收电容与回收电阻，所述回收电阻还并联着第三二极管，第三二极管的正极电连接直流母线正极，吸收电容电连接直流母线负极，吸收电容、回收电阻及第三二极管组成尖峰保护电路，所述过电压还包括与第二负载电阻并联着的第二IGBT单管；

所述吸收电容与回收电阻按以下方程式配置：

；

其中，T_IGBT为第一IGBT单管/第二IGBT单管的开关周期，L_equ是尖峰保护电路的等效电感，U_RC-max是吸收电容两端可允许的最大电压。

如上所述直流母线过电压保护电路还包括传感器、控制器，所述传感器用于监测经过吸收电容的充电电流i_L2、直流母线电压U_dc及U_dc的变化率，并反馈给控制器；所述控制器通过所述驱动电路控制第一IGBT单管和第二IGBT单管的开闭。

如上所述直流母线过电压保护电路还包括辅助电源和第四二极管，第四二极管的正极和负极分别连接辅助电源和第一IGBT单管的发射极，第二IGBT单管由并联的第二三极管、第二二极管组成，第二IGBT单管的发射极与直流母线负极电连接。

如上所述的第一IGBT单管由并联的第一三极管、第一二极管组成，第一三极管的集电极与直流母线的正极电连接，第一三极管的发射极与第一负载电阻电连接。

如上所述控制器在吸收电容充电电流i_L2不为0时，控制第一IGBT单管和第二IGBT单管断开，使吸收电容充电或放电；

所述控制器在吸收电容充电电流i_L2为0，且直流母线电压U_dc小于阈值时，使第一IGBT单管和第二IGBT单管闭合，根据辅助电源电流i_L1,进行卸载电阻状态监测；

所述控制器在吸收电容充电电流i_L2为0，且直流母线电压U_dc不小于阈值时，若直流母线电压变化率dU_dc/dt不小于直流母线变化率阈值λrate，则所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管导通；若直流母线电压变化率dU_dc/dt＜λrate，则所述控制器使第一IGBT单管导通，第二IGBT单管断开。

如上所述控制器根据辅助电源电流i_L1,进行卸载电阻状态监测，包括：判断辅助电源电流i_L1是否等于0；若辅助电源电流i_L1≠0，则表明第一负载电阻和第二负载电阻均处于正常状态，此时所述控制器使第二IGBT单管断开；若辅助电源电流i_L1=0，则所述控制器使第二IGBT单管导通，若电流i_L1≠0，则输出第二负载电阻故障，若电流i_L1=0，则输出第一负载电阻故障或者第一负载电阻、第二负载电阻均故障。

如上所述的直流母线过电压保护电路的监测与控制方法，包括如下步骤：

S01：所述控制器判断所述吸收电容充电电流i_L2是否等于0；

S02：若电流i_L2=0，则判断直流母线电压Udc是否不小于预设触发阈值U_Fset；若直流母线电压U_dc<预设触发阈值U_Fset，则进行卸载电阻状态监测，此时所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管均闭合；若直流母线电压U_dc≥预设触发阈值U_Fset，则进行直流母线过电压保护；

S03：卸载电阻状态监测：判断辅助电源电流i_L1是否等于0；若辅助电源电流i_L1≠0，则表明第一负载电阻和第二负载电阻均处于正常状态，此时所述控制器使第二IGBT单管断开；若辅助电源电流i_L1=0，则所述控制器使导通第二IGBT单管，若电流i_L1≠0，则表明第二负载电阻故障，若电流i_L1=0，则第一负载电阻故障或者第一负载电阻、第二负载电阻均故障；

S04：直流母线过电压保护：若直流母线电压变化率dU_dc/dt≥λrate，则所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管导通；若直流母线电压变化率dU_dc/dt＜λrate，则所述控制器使第一IGBT单管导通，第二IGBT单管断开，λrate为直流母线变化率阈值；

S05：若电流i_L2≠0，则所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管由导通到断开，在电流i_L2>0时，对吸收电容进行充电，在电流i_L2<0时，通过回收电阻消耗吸收电容中存储的能量。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)所提出的直流母线过电压控制策略能够根据发电机组直流母线变化情况自动选择不同负载电阻投入模式，一方面能够有效降低直流母线电压的频繁抖震，另一方面能够避免极端情况下因直流母线过电压或机组转速飞车引起的故障穿越失败，提升了发电机组故障穿越能力。

(2) 第一负载电阻R₁独立承担大负荷工作模式下风电机组直流母线过电压的保护，其参数配置综合考虑的条件包括极端高负载运行工况、机组直流母线电压安全阈值U_dc-limit、机组转速过保护阈值W_r-limit和机组故障后恢复动态特性；在小负荷运行模式下，第一和第二负载电阻（R ₂和R ₁）均投入运行，R（R ₂和R ₁的电阻值之和）的参数配置基本原则是在故障过程中尽量减少第一IGBT单管和第二IGBT单管的开断次数。为保障R能够适应所有运行工况；本发明所提出的风电机组中直流母线过电压保护电路元件参数配置方法，基于风力机捕获的风能量（Ew）与风电机组转子存储能量(Er)和/或：直流电容存储能量(EC)、网侧变换器输送能量(EGSC)、直流母线过电压保护电路消耗能量(EDC-R)之间的平衡，准确计算出了不同负载电阻的参数，实现了避免直流母线电压的频繁抖震和极端情况下因直流母线过电压或机组转速飞车引起的故障穿越失败的问题，本发明提供的方法还解决了参数配置盲目、无理论指导的问题，避免了反复修改电路参数，降低了生产成本。

(3)本发明还提出的发电系统直流母线过电压保护电路包括了尖峰电压回路单元，提升了IGBT的抗扰动性能和可靠性，也给出了尖峰电压回路单元的参数配置方法。

附图说明

图1为双馈感应风力发电系统；

图2为永磁直驱风力发电系统；

图3为本发明整体结构电路图；

图4为风电机组Cp变化曲线；

图5为风电机组捕获风功率Pw变化曲线；

附图标记：S1-第一三极管；S2-第二三极管；UPS-辅助电源；VD1-第一二极管；VD2-第二二极管；VD3-第三二极管；VD4-第四二极管；R₁-第一负载电阻；R₂-第二负载电阻；R₃-回收电阻；Cb-吸收电容、Cz-直流侧支撑电容。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

为解决传统Chopper电路存在的不足，本发明公开了一种风电机组直流母线过电压保护电路，直流母线过电压保护电路用于在电网故障导致电压突变，风电机组运行在低电压穿越故障期间，维持风电机组直流母线电压在安全水平，如图3所示，包括直流侧支撑电容Cz、直流母线过电压保护电路、卸载电阻状态监测电路、尖峰电压回路单元、第一IGBT单管、驱动电路、传感器、控制器，直流母线过电压保护电路包括串联在直流母线正极U_dc+和直流母线负极U_dc-之间的第一IGBT单管、第一负载电阻R₁、第二负载电阻R₂；

直流侧支撑电容Cz、直流母线过电压保护电路、尖峰电压回路单元互相并联着，连接在风电机组的直流母线正极U_dc+和直流母线负极U_dc-之间；

卸载电阻状态监测电路包括第四二极管VD4、辅助电源UPS和第二IGBT单管，第四二极管VD4的正极和负极分别连接辅助电源UPS和第一IGBT单管的发射极，第二IGBT单管由并联的第二三极管S2、第二二极管VD2组成，第二负载电阻R₂与第二IGBT单管并联，且第二IGBT单管的发射极与直流母线负极U_dc-电连接；

尖峰电压回路单元包括依次串联在直流母线正极U_dc+和直流母线负极U_dc-之间的回收电阻R₃和吸收电容Cb组成的RC电路，回收电阻R₃与第三二极管VD3并联，第三二极管VD3的正极电连接直流母线正极U_dc+，吸收电容Cb电连接直流母线负极U_dc-；

第一IGBT单管由并联的第一三极管S1、第一二极管VD1组成。

所述传感器用于监测经过辅助电源UPS电流i_L1、吸收电容Cb充电电流i_L2、直流母线电压U_dc及U_dc的变化率；并反馈给控制器，所述控制器通过所述驱动电路控制第一IGBT单管和第二IGBT单管的开闭。

U_C是尖峰电压回路单元吸收电容Cb两端电压；不间断电源UPS是幅值为Uups=12V的辅助电源。

卸载电阻状态监测电路的功能是实时诊断评估第一负载电阻R₁、第二负载电阻R₂的运行状态，根据运行状态确定第一负载电阻R₁、第二负载电阻R₂的检修计划，确保第一负载电阻R₁、第二负载电阻R₂正常运行，在电网故障时能够卸载直流母线支撑电容存储的能量，实现对直流母线过电压抑制。

第一IGBT单管由并联的第一三极管S1、第一二极管VD1组成，所述第一IGBT单管、第一负载电阻R₁与第二负载电阻R₂串联在直流母线正极Udc+和直流母线负极Udc-之间形成直流母线过电压保护电路。直流母线过电压保护电路主要功能根据直流母线电压不同幅值和电压变化率，确定直流母线过电压保护电路的不同运行策略，实现对直流母线过电压的多策略协同保护。

尖峰电压回路单元(RCD)的功能是在极端运行工况下，主回路电流在第一IGBT单管或第二IGBT单管断开时通过第三二极管VD3为吸收电容Cb充电，避免第一IGBT单管和第二IGBT单管关断时产生很大的尖峰电压，超过第一IGBT单管(第二IGBT单管)的可承受耐受电压范围而造成第一IGBT单管(第二IGBT单管)损坏。同时在瞬态过程后通过回收电阻R₃消耗吸收电容Cb中存储的能量，从而使吸收电容Cb两端的电压下降到直流母线电压。

本发明控制工作原理及工作过程

根据直流母线电压U_dc大小，一种风电机组发电系统直流母线过电压保护电路自动切换到相应功能模式。

控制器判断吸收电容Cb充电电流i_L2是否等于0；若电流i_L2=0，则判断直流母线电压U_dc是否不小于预设触发阈值U_Fset，若直流母线电压U_dc<预设触发阈值U_Fset，则进行卸载电阻状态监测，此时控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管均闭合；若直流母线电压U_dc≥预设触发阈值U_Fset，则进行直流母线过电压保护 。

(1)直流母线过电压保护原理与控制策略

电网发生短路故障状态下，若直流母线电压U_dc≥预设触发阈值U_Fset，立刻触发直流母线过电压保护功能，并根据直流母线电压幅值变化速率，决定直流母线过电压保护的控制策略。

若直流母线电压变化率dU_dc/dt<λrate时，说明电网故障属于中等程度故障，故障过程风电机组直流母线支撑电容以中等速度存储容量，为了避免直流母线过电压保护功能在投入与退出之间频率切换造成的直流母线电压抖震问题，直流母线过电压保护工作于小负荷模式，此时控制器使第一IGBT单管导通，第二IGBT单管断开，λrate为直流母线变化率阈值。

若直流母线电压变化率dU_dc/dt≥λrate时，说明电网故障属于严重程度故障，故障过程风电机组直流母线支撑电容将集聚大量能量，为了避免直流母线电压快速上升造成电容损坏和发电机组转速加速引起的机组飞车问题，直流母线过电压保护工作于大负荷模式，控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管导通，λrate为直流母线变化率阈值。

(2)尖峰电压保护工作原理

控制器判断电容C充电电流i_L2是否等于0，若电流i_L2≠0，则控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管由导通到断开。

在电流i_L2>0时，尖峰电压回路单元工作于吸收模式，即原来流过第一IGBT单管\第二IGBT单管寄生电感的电流通过尖峰电压回路单元分流，从而将第一IGBT单管\第二IGBT单管寄生电感上的储能部分转移到电容C上，对电容C进行充电，避免在期间突然关断时，第一IGBT单管\第二IGBT单管两端产生的尖峰电压Ucep=di/dt的值过大，保护IGBT工作在可耐受电压范围内。

在电流i_L2<0时，充电过程结束，由于电容C两端电压U_C电压值高于直流母线电压U_dc，存储在电容C上的能量通过回收电阻R₃释放，从而使电容C两端的电压下降到直流母线电压。

本发明针对图所示直流母线过电压保护电路，提出其关键元件的参数配置的理论方法，实现自主进行电路参数配置，解决参数配置盲目、无理论指导的问题，降低参数配置成本。

R₁参数配置数学模型建模

下面以PMSG风电机组为例来介绍保护电路参数设置方法，DFIG风电机组设置方法类似。

保护电路参数需要综合考虑电容安全、机组转速限速保护、机组故障恢复动态特性和器件成本经济性等因素进行配置。

在直流母线电压变化率dU_dc/dt≥λrate时，第一负载电阻R1独立承担大负荷工作模式下风电机组直流母线过电压的保护，其参数配置需要综合考虑的条件包括极端高负载运行工况、机组直流母线电压安全阈值U_dc-limit、机组转速过保护阈值W_r-limit和机组故障后恢复动态特性。

风电机组故障穿越的本质是在保障风电机组安全的前提下，实现风力机捕获的风能量（E_w）在风电机组转子存储能量(E_r)、直流侧支撑电容存储能量(E_C)、网侧变换器输送能量(E_GSC)和直流母线过电压保护电路消耗能量(E_DC-R)之间的平衡，即

（1）

(1)风能量_EW约束条件与计算方法

极端高负载运行工况选择为：风电机组运行在功率恒定区且电网电压跌落到0.p.u时，即风电机组输出功率为额定功率P _rate且机组转速为W _{r n} ，W _{r n} 是风电机组额定转速；

根据风电场并网运行国家标准，风电机组在极端故障情况下需要保持连续运行时间(T _Tmax -T ₀₎ 为625ms，T _Tmax 为故障穿越过程中风电机组转速升高到上限值W _r-limit时的时刻，T₀为当风电机组运行在功率恒定时电网电压幅值跌落到0.p.u的时刻，因此在这个短时间范围内可以认为风电机组风速和桨距角保持不变。在故障穿越过程中风电机组转子转速不断加速，风电机组的风能捕获系数C_p也会不断变化，根据风电机组的运行特性，可以绘制出在额定风速V_rate时C_p在风电机组转速范围（W _rn，W _r-limit）内C_p曲线的变化曲线，如图4所示。

C_p与W具有对应的函数关系Cp=f(β, λ)，本领域技术人员根据风电机组实际捕获的风功率 _Pw 求出风能捕获系数Cp，再与叶片桨距角β、叶尖速比λ进行多项式拟合可得到拟合函数：

，

r为叶片半径， β 为叶片桨距角，V_w为等效风速，在风电机组所处的风场环境中测量获得，α_ij为四次多项式拟合函数因数，为常数，W为转子转速，W=W _{r n}~W _r-limit; n=4，k=4时，四次多项式拟合函数因数 α_ij的值如下表；

表 1 系数的取值表：

Cp与W还可以利用本领域其他人求出的拟合函数，并不限于本实施例提供的函数。

风电机组捕获的风功率P _w 同C_p的关系如式（2）所示：

（2）

式中， P _w 为捕获的风功率（W），r为风电机组叶片半径（m），ρ为空气密度（kg/m ³ ），v_m为等效风速（m/s）；

结合式（2）和图4，采用时间等效变换原理，可以获得风电机组捕获的风功率随时间的变化曲线，如图5所示。

图5中风电机组P _w与(T _Tmax-T ₀ )围成的面积，即为风电机组在故障过程中捕获的能量，可由式（3）表示：

（3）

(2) 风电机组转子存储能量E_r约束条件与计算方法

计及最极端运行场景且风电机组在T_Tmax期间内转速上升到极限安全阈值W_r-limit，因此在故障期间内风电机组转子存储能量可由式（4）表示。

（4）

式中J为风电机组转子转动惯量，通过查看风电机组铭牌参数获取。

(3) 直流侧支撑电容存储能量E_C约束条件与计算方法

在故障穿越过程中，直流侧支撑电容Cz存储能量按照故障期间结束时刻断电压为U_dc-limit计算，即：

（5）

式中U _rated为直流侧支撑电容额定电压，C_z为直流侧支撑电容值。

(4) 网侧变换器输送能量E_GSC约束条件与计算方法

在最严重故障情况下（电网电压幅值跌落到0），此时网侧变换器GSC输送功率能力为0，即：

（6）

(5)直流母线过电压保护电路消耗能量E_DC-R约束条件与计算方法

根据焦耳定律，在故障过程中直流母线过电压保护电路消耗能量E_DC-R为：

（7）

式中i_t为直流保护电路电流。

因此，基于式（1）-（7）可获得R₁参数配置的数学模型。

；

求解上述数学模型，即可确定参数R₁的数值。

R₂参数配置数学模型建模

在小负荷运行模式下，R ₂和R ₁均投入运行，R（R ₂和R ₁的电阻值之和）的参数配置基本原则是在故障过程中尽量减少第一IGBT单管和第二IGBT单管的开断次数。为保障R能够适应所有运行工况，考虑极端电网故障情况下风电机组是中等风速条件(通常认为此时风电机组输出功率为0.5倍额定功率P _rate)，为了提升风电机组故障后的恢复动态特性，故障过程中仍然不变更转子侧变流器控制策略，此运行状态下风电机组转速将保持不变。因此故障过程风力机捕获的风能量（E_w）在直流侧支撑电容存储能量(E_C)、网侧变换器输送能量(E_GSC)和直流母线过电压保护电路消耗能量(E_DC-R)之间的平衡，即：

（8）

(1) 风能量Ew约束条件与计算方法

中等风速条件下风电机组转速保持不变，风电机组风能捕获系数也保持不变，因为可以故障过程中风功率保持不变，即：

（9）

式中P_rated为风电机组额定风功率，t为故障穿越时间，这里取为0.625s。

(2) 直流侧支撑电容存储能量_EC约束条件与计算方法

在故障穿越过程中，直流侧支撑电容Cz存储能量按照故障期间结束时刻断电压为U_dc-limit计算，即：

（10）

式中U _rated为直流侧支撑电容额定电压，C_z为直流侧支撑电容值。

(3) 网侧变换器输送能量_EGSC约束条件与计算方法

在最严重故障情况下（电网电压幅值跌落到0），此时网侧变换器GSC输送功率能力为0，即：

（11）/>

(4) 直流母线过电压保护电路消耗能量E_DC-R约束条件与计算方法

根据焦耳定律，在故障过程中直流母线过电压保护电路消耗能量E_DC-R为：

（12）

（13）

因此，联立式（8）-（13）可获得R₂参数配置的数学模型。

求解上述数学模型，即可确定参数R2的数值。

吸收电容Cb参数配置数学模型建模

吸收电容实现尖峰电压保护的本质是靠吸收电容Cb来吸收掉第一IGBT单管和第二IGBT单管主电路寄生电感和杂散电感产生的能量，即能量转移，

（14）

因此由式（14）可确定吸收电容Cb的值为：

（15）

T_IGBT为第一IGBT单管/第二IGBT单管的开关周期，L_equ是尖峰保护电路的等效电感，U_RC-max是吸收电容两端可允许的最大电压。

2.2.3 吸收电阻R₃参数配置数学模型建模

吸收电阻主要作用是在第一IGBT单管导通时，能够将上一次关断期间存储在电容C中的能量消耗掉。由于第二IGBT单管处于连续性工作，要求吸收电阻能够在四分之一的导通时间内完成能量的消耗，即：

（16）

因此由式（16）可确定吸收电容Cb的值为：

（17）

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种直流母线过电压保护电路元件参数配置方法，其特征在于，所述直流母线过电压保护电路用于在电网故障导致电压突变，风电机组运行在低电压穿越故障期间， 维持风电机组直流母线电压在安全水平， 所述直流母线过电压保护包括依次串联在直流母线的正/负极之间的第一IGBT单管、负载电阻，所述直流母线过电压保护还与第一电容(Cz)并联，所述负载电阻由串联的第一负载电阻(R₁)和第二负载电阻(R₂)组成；

当直流母线过电压保护电路两端电压U_dc≥预设触发阈值U_Fset，且直流母线电压变化率dU_dc/dt≥λrate时，第一IGBT单管导通，且第二负载电阻(R₂)被短路，由第一负载电阻(R₁)消耗直流；

当直流母线过电压保护电路两端电压U_dc<预设触发阈值U_Fset，且直流母线电压变化率dU_dc/dt<λrate时，第一IGBT单管导通，由第一负载电阻(R₁)和第二负载电阻(R₂)一起消耗直流；

第一负载电阻(R1)按以下方程式配置：

；

其中，E_w为风电机组捕获的风能量，E_r为风电机组的转子存储能量，E_C为直流电容存储能量，E_GSC为网侧变换器输送能量，E_DC-R为直流母线过电压保护电路消耗能量， _Pw 为捕获的风功率，r为风电机组叶片半径，ρ为空气密度，v _w 为等效风速，C_p为风电机组的风能捕获系数，T₀为当风电机组运行在功率恒定时电网电压幅值跌落到0.p.u的时刻，风电机组运行在功率恒定即风电机组输出功率为额定功率P _rate且机组转速为W _{r n} 时， W _{r n} 是风电机组额定转速，T _Tmax 为故障穿越过程中风电机组转速升高到上限值W _r-limit时的时刻，T _Tmax - T ₀ =0.625=t，J为风电机组转子转动惯量，U _dc-limit 是风电机组直流母线电压安全阈值，U _dc 是第一电容(Cz)两端电压，U_rated是第一电容(Cz)的额定电压；

C_p根据C_p与转速W拟合的函数关系求出；

第二负载电阻(R2)按以下方程式配置：

；

其中，P_rated是风电机组额定风功率，t是故障穿越时间。

2.根据权利要求1所述的直流母线过电压保护电路元件参数配置方法，其特征在于，所述在直流母线的正/负极之间还串联着吸收电容(Cb)与回收电阻(R₃)，所述回收电阻(R₃)还并联着第三二极管(VD3)，第三二极管(VD3)的正极电连接直流母线正极，吸收电容(Cb)电连接直流母线负极，吸收电容(Cb)、回收电阻(R₃)及第三二极管(VD3)组成尖峰保护电路，所述直流母线过电压保护电路还包括与第二负载电阻(R₂)并联着的第二IGBT单管；

所述吸收电容(Cb)与回收电阻(R₃) 按以下方程式配置：

;

其中，T_IGBT为第一IGBT单管/第二IGBT单管的开关周期，L_equ是尖峰保护电路的等效电感，U_RC-max是吸收电容(Cb)两端可允许的最大电压。

3.如权利要求2所述的直流母线过电压保护电路元件参数配置方法中的直流母线过电压保护电路，其特征在于，所述直流母线过电压保护电路还包括传感器、控制器，所述传感器用于监测经过吸收电容(Cb)的充电电流i_L2、直流母线电压U_dc及U_dc的变化率，并反馈给控制器；所述控制器通过驱动电路控制第一IGBT单管和第二IGBT单管的开闭。

4.如权利要求3所述的直流母线过电压保护电路，其特征在于，所述直流母线过电压保护电路还包括辅助电源(UPS)和第四二极管(VD4)，第四二极管(VD4)的正极和负极分别连接辅助电源(UPS)和第一IGBT单管的发射极，第二IGBT单管由并联的第二三极管(S2)、第二二极管(VD2)组成，第二IGBT单管的发射极与直流母线负极电连接。

5.根据权利要求4所述的直流母线过电压保护电路，其特征在于，所述的第一IGBT单管由并联的第一三极管(S1)、第一二极管(VD1)组成，第一三极管(S1)的集电极与直流母线的正极电连接，第一三极管(S1)的发射极与第一负载电阻(R1)电连接。

6.根据权利要求4所述的直流母线过电压保护电路，其特征在于，所述控制器在吸收电容(Cb)充电电流i_L2不为0时，控制第一IGBT单管和第二IGBT单管断开，使吸收电容(Cb)充电或放电；

所述控制器在吸收电容(Cb)充电电流i_L2为0，且直流母线电压U_dc小于阈值时，使第一IGBT单管和第二IGBT单管闭合，根据辅助电源(UPS)电流i_L1,进行卸载电阻状态监测；

所述控制器在吸收电容(Cb)充电电流i_L2为0，且直流母线电压U_dc不小于阈值时，若直流母线电压变化率dU_dc/dt不小于直流母线变化率阈值λrate，则所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管导通；若直流母线电压变化率dU_dc/dt＜λrate，则所述控制器使第一IGBT单管导通，第二IGBT单管断开。

7.根据权利要求4所述的直流母线过电压保护电路，其特征在于，所述控制器根据辅助电源(UPS)电流i_L1,进行卸载电阻状态监测，包括：判断辅助电源(UPS)电流i_L1是否等于0；若辅助电源(UPS)电流i_L1≠0，则表明第一负载电阻(R₁)和第二负载电阻(R₂)均处于正常状态，此时所述控制器使第二IGBT单管断开；若辅助电源(UPS)电流i_L1=0，则所述控制器使第二IGBT单管导通，若电流i_L1≠0，则输出第二负载电阻(R₂)故障，若电流i_L1=0，则输出第一负载电阻(R₁)故障或者第一负载电阻(R₁)、第二负载电阻(R₂)均故障。

8.根据权利要求4~7任一项所述的直流母线过电压保护电路的监测与控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：所述控制器判断所述吸收电容(Cb)充电电流i_L2是否等于0；

S02：若电流i_L2=0，则判断直流母线电压Udc是否不小于预设触发阈值U_Fset；若直流母线电压U_dc<预设触发阈值U_Fset，则进行卸载电阻状态监测，此时所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管均闭合；若直流母线电压U_dc≥预设触发阈值U_Fset，则进行直流母线过电压保护；

S03：卸载电阻状态监测：判断辅助电源(UPS)电流i_L1是否等于0；若辅助电源(UPS)电流i_L1≠0，则表明第一负载电阻(R₁)和第二负载电阻(R₂)均处于正常状态，此时所述控制器使第二IGBT单管断开；若辅助电源(UPS)电流i_L1=0，则所述控制器使导通第二IGBT单管，若电流i_L1≠0，则表明第二负载电阻(R₂)故障，若电流i_L1=0，则第一负载电阻(R₁)故障或者第一负载电阻(R₁)、第二负载电阻(R₂)均故障；

S04：直流母线过电压保护：若直流母线电压变化率dU_dc/dt≥λrate，则所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管导通；若直流母线电压变化率dU_dc/dt＜λrate，则所述控制器使第一IGBT单管导通，第二IGBT单管断开，λrate为直流母线变化率阈值；

S05：若电流i_L2≠0，则所述控制器使第一IGBT单管和第二IGBT单管由导通到断开，在电流i_L2>0时，对吸收电容(Cb)进行充电，在电流i_L2<0时，通过回收电阻(R3)消耗吸收电容(Cb)中存储的能量。

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