TW201332281A - 勵磁控制電路及具有此勵磁控制電路的電勵磁風電系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種勵磁控制電路及具有此勵磁控制電路的電勵磁風電系統。該勵磁控制電路包括多個全功率變換器、一直流勵磁模組和一控制模組。多個全功率變換器中的每一變換器包括一機側變流器以及一網側變流器。該直流勵磁模組包括多個直流-直流轉換器。該控制模組用以控制或切換任一直流-直流轉換器正常工作，控制勵磁開關的閉合與斷開。

Description

勵磁控制電路及具有此勵磁控制電路的電勵磁風電系統

本發明係有關於風力發電技術領域，特別係有關於一種勵磁控制電路以及包含該勵磁控制電路的電勵磁風電系統。

當前，隨著能源危機與環境問題的日益突出，世界各國都在大力發展風力發電、太陽能發電等可再生能源事業。以風力發電為例，從失速型風電系統到變速恒頻風電系統，從有齒輪箱的風電系統到無需齒輪箱的直驅型風電系統，我國風電的裝機容量也在快速增長。尤其是，隨著目前風力發電機的單機容量不斷增大，變速恒頻技術逐漸佔據了主導地位。由於齒輪箱是目前兆瓦級風電機組中損壞率較高的部件，無齒輪箱的直驅式風電系統因噪音低、機組執行時間長、運行維護成本較低等優勢受到了更多的關注和發展。
一般來說，直驅式風電系統主要包括永磁和電勵磁兩種方式。然而，當前稀土材料的價格昂貴，直接導致了永磁式風電系統的製造成本增加。相比之下，電勵磁式風電系統逐漸成為專業技術人員研發的主流趨勢。
習知技術中，一種電勵磁式風電系統結構是在於，藉由單組的背靠背變流器（由機側變流器和網側變流器構成）的直流母線來提供一直流-直流轉換器的輸入電壓，並由該直流-直流轉換器經降壓處理來輸出一合適的直流電壓從而對勵磁裝置進行供電。然而，當該直流-直流轉換器出現運行故障時，風機很可能會突然失磁以致造成轉矩消失，變流器無法提供制動轉矩給風機，使風電系統中的元件損壞。另一種電勵磁式風電系統結構是在於，藉由電網的交流電壓，依次設置勵磁主開關、工頻變壓器和可控整流橋來輸出一整流後的直流電壓直接提供勵磁繞組或者給直流-直流轉換器，再由該直流-直流轉換器經降壓處理來輸出一合適的直流電壓從而對勵磁裝置進行供電。然而，工頻變壓器的體積龐大，成本較高。更嚴重的是，當電網電壓跌落或電網掉電時，直流-直流轉換器的直流輸入電壓消失，風機也會突然失磁以致造成轉矩突變。
由上述可知，習知的電勵磁式風電系統或多或少地存在風機突然失磁而導致轉矩丟失的情形，大大降低了電勵磁的可靠性和系統運行的穩定性。有鑑於此，如何設計一種可靠的勵磁控制電路，以提升勵磁裝置的工作穩定性，確保磁場不會立即消失，是業內相關技術人員亟待解決的一項課題。

針對習知技術中的電勵磁風電系統所存在的上述缺陷，本揭示內容提供一種勵磁控制電路以及包含該勵磁控制電路的電勵磁風電系統。
本揭示內容之一態樣係在於提供一種用於電勵磁風電系統的勵磁控制電路，包括多個全功率變換器、一直流勵磁模組和一控制模組。多個全功率變換器中的每一全功率變換器包括一機側變流器和一網側變流器。該機側變流器具有一交流側和一直流側，其交流側電性連接至一風機，其直流側並聯連接至一母線電容。該網側變流器具有一交流側和一直流側，其交流側電性連接至一交流電網，其直流側並聯連接至該母線電容。該直流勵磁模組包括多個直流-直流轉換器，每一直流-直流轉換器的輸入介面電性耦接至相應全功率變換器的母線電容，每一直流-直流轉換器的輸出介面彼此並聯且電性耦接至一勵磁裝置，並藉由該勵磁裝置提供風機在勵磁時所需的勵磁電流。該控制模組用以控制或切換多個直流-直流轉換器中的任一直流-直流轉換器正常工作。
該勵磁控制電路更包括一交流勵磁模組，具有彼此串聯連接的一勵磁開關和一相控整流橋，該勵磁開關連接至該交流電網，該相控整流橋的輸出端與該直流勵磁模組的輸出端並聯連接，該控制模組控制該勵磁開關的閉合與斷開。交流勵磁模組和直流勵磁模組互為冗餘，多個直流-直流轉換器中的任意兩個直流-直流轉換器互為冗餘。
在一具體實施例中，當交流電網的電壓跌落或掉電時，該勵磁控制電路利用直流勵磁模組對該勵磁裝置進行供電。
在一具體實施例中，當多個直流-直流轉換器中的一直流-直流轉換器出現運行故障時，控制模組輸出一切換控制信號，以便多個直流-直流轉換器中的另一直流-直流轉換器對所述勵磁裝置進行供電。可替換地，當多個直流-直流轉換器中的一直流-直流轉換器出現運行故障時，該控制模組輸出一開關控制信號，以閉合該勵磁開關從而利用該交流勵磁模組對該勵磁裝置進行供電。
每一直流-直流轉換器的輸入介面與對應的母線電容之間更包括反向連接的二極體。
每一直流-直流轉換器的輸入端具有一濾波單元，以濾除該母線電容至該輸入端之間的電纜上的電壓干擾。
該網側變流器的交流側與該交流電網之間更包括一第一共模抑制單元，以抑制共模電流。
該機側變流器的交流側與該風機之間更包括一第二共模抑制單元或者dv/dt抑制單元，以抑制共模電流或dv/dt電壓。
該相控整流橋為一三相可控整流橋或一單相可控整流橋。
該勵磁控制電路更包括一滅磁裝置，設置於該直流勵磁模組的輸出端與該勵磁裝置之間。
本揭示內容之另一態樣係在於提供了一種電勵磁風電系統。該電勵磁風電系統包括一風機和一勵磁裝置，該勵磁裝置用以提供風機勵磁所需的勵磁電流，其中，該電勵磁風電系統更包括上述勵磁控制電路。
採用本發明的勵磁控制電路及其電勵磁風電系統，通過多個全功率變換器各自的直流母線電容來提供對應的直流-直流轉換器的直流輸入電壓，進而利用該直流-直流轉換器降壓處理後的直流電壓對勵磁裝置進行供電，以實現多個直流-直流轉換器彼此之間的冗餘機制。此外，本發明還可通過交流勵磁模組直接對勵磁裝置進行供電，以實現勵磁供電方式（即，來自電網的交流方式和來自母線電容的直流方式）之間的冗餘，可顯著地提升電勵磁的可靠性和電勵磁風電系統運行時的穩定性。

為了使本申請所揭示之技術內容更加詳盡與完備，可參照附圖以及本發明之下述各種具體實施例，附圖中相同之標記代表相同或相似之組件。然而，本領域的普通技術人員應當理解，下文中所提供的實施例並非用來限制本發明所涵蓋之範圍。此外，附圖僅僅用於示意性地加以說明，未依照其原尺寸進行繪製。
下面參照附圖，對本發明各個方面的具體實施方式作進一步的詳細描述。
第1圖係繪示習知技術中的電勵磁風電系統的一勵磁控制電路的電路結構圖。參照第1圖，該勵磁控制電路包括一全功率變換器、一直流-直流轉換器104、一滅磁裝置106和一勵磁裝置108。其中，該全功率變換器包括一網側變流器100、一機側變流器102和位於該網側變流器100和該機側變流器102之間的母線電容Cp。
網側變流器100的交流側與電網相耦接，以及機側變流器102的交流側與風機的三相繞組相耦接。此外，直流-直流轉換器104藉由一對反向的二極體電性連接至母線電容Cp，從而將母線電容Cp兩端所載入的直流電壓作為該直流-直流轉換器104的直流輸入電壓。當經由該直流-直流轉換器104對所輸入的直流電壓進行降壓處理後，可利用該直流-直流轉換器104輸出的直流電壓對勵磁裝置108進行供電。當勵磁裝置108正常工作時，輸出電勵磁所需的勵磁電流至風機。在第1圖中，直流-直流轉換器104與勵磁裝置108之間還設有一滅磁裝置106，當勵磁裝置108運行異常或勵磁電流突然消失時，該滅磁裝置106用來快速地消滅已建立的勵磁磁場。
從第1圖所示的電路結構可知，全功率變換器承擔風機所發出的全部功率，並且勵磁裝置108運行所需提供的直流電來自直流-直流轉換器104的輸出端。一旦全功率變換器或者直流-直流轉換器104出現運行故障，勵磁裝置108將會突然掉電，進而風機會突然失磁以致造成轉矩消失，變流器無法提供制動轉矩給風機，使風電系統中的元件損壞。有鑑於此，這種電路設計結構給電勵磁風電系統的勵磁可靠性和運行穩定性帶來了潛在的嚴重安全隱患。
第2圖係繪示習知技術中的電勵磁風電系統的另一勵磁控制電路的電路結構圖。參照第2圖，該勵磁控制電路包括一全功率變換器、一勵磁主開關204、一工頻變壓器206、一相控整流橋208、一滅磁裝置210和一勵磁裝置212。類似地，該全功率變換器包括一網側變流器200、一機側變流器202和位於該網側變流器200和該機側變流器202之間的母線電容Cp。
網側變流器200的交流側與電網相耦接，以及機側變流器202的交流側與風機的三相繞組相耦接。與第1圖不同的是，勵磁裝置的供電電源並不是藉由全功率變換器中的母線電容和直流-直流轉換器來實現，而是直接通過交流電網、工頻變壓器和相控整流橋來提供供電電壓。然而，這種勵磁方式也存在諸多缺陷，例如，勵磁裝置212的直流供電電壓來自交流電網，當交流電網的電壓跌落或完全掉電時，相控整流橋208輸出端的直流電壓將會突然消失，勵磁裝置212突然掉電進而會使風機失磁造成轉矩突變。又如，設置於勵磁開關204和熔斷器之後的工頻變壓器206體積龐大，成本較高，在加劇勵磁控制電路的設計成本的同時，還會增加電路佈設和安裝的預留空間。
為了解決上述第1圖和第2圖中的勵磁控制電路所存在的缺陷或不足，第3圖係繪示依據本發明之一態樣的用於電勵磁風電系統的勵磁控制電路的電路結構圖。
參照第3圖，該勵磁控制電路包括一直流勵磁模組32、全功率變換器34和36、一勵磁裝置38。此外，該勵磁控制電路更包括一滅磁裝置37，設置於直流勵磁模組32的輸出端與勵磁裝置38之間，以便在勵磁裝置38運行異常或勵磁電流突然消失時，快速地消滅已建立的勵磁磁場。
其中，全功率變換器34包括一網側變流器341、一母線電容C1和一機側變流器343，全功率變換器36包括一網側變流器361、一母線電容C2和一機側變流器363。直流勵磁模組32的直流輸入端電性連接至全功率變換器34和36中的母線電容C1和C2，其直流輸出端電連接至滅磁裝置37。
全功率變換器34的網側變流器341的交流側電性耦接至交流電網，其機側變流器343的交流側電性耦接至風機的一三相繞組，並且該網側交流器341的直流側與該機側變流器343的直流側均接至母線電容C1。類似地，全功率變換器36的網側變流器361的交流側電性耦接至交流電網，其機側變流器363的交流側電性耦接至風機的另一三相繞組，並且該網側交流器361的直流側與該機側變流器363的直流側均接至母線電容C2。本領域的技術人員應當理解，本發明的勵磁控制電路中的多個全功率變換器（如全功率變換器34和36）不僅適用於包含多套三相繞組的風機（諸如六相電機，九相電機，十二相電機等等），還可應用於僅僅具有一套三相繞組的三相電機。對應地，全功率變換器34的機側變流器343的交流側以及全功率變換器36的機側變流器363的交流側均電性耦接至三相電機的同一三相繞組，該可替換實施例的技術方案同樣也包含于本發明的範圍內。
直流勵磁模組32包括直流-直流轉換器321和直流-直流轉換器323，該直流-直流轉換器321的直流輸入端電性耦接至母線電容C1，該直流-直流轉換器323的直流輸入端電性耦接至母線電容C2，該直流-直流轉換器321和323的直流輸出端並聯連接。
由上述可知，當電勵磁風電系統的風機要求電勵磁所需的勵磁電流時，可藉由全功率變換器34和直流勵磁模組32中的直流-直流轉換器323對勵磁裝置38進行供電，以便該勵磁裝置38運行時產生該勵磁電流。可替換地，亦可藉由全功率變換器36和直流勵磁模組32中的直流-直流轉換器321對勵磁裝置38進行供電，以便該勵磁裝置38運行時產生該勵磁電流。因此，在提供該勵磁裝置38運行所需的直流供電電壓時，直流勵磁模組32中的直流-直流轉換器321和直流-直流轉換器323之間互為冗餘，當其中的一直流-直流轉換器出現故障時，可利用另一直流-直流轉換器輸出該供電電壓。此外，在母線電容C1與直流-直流轉換器323之間，以及母線電容C2與直流-直流轉換器321之間均設置一對反向連接的二極體。
在一具體實施例中，該勵磁控制電路更包括一交流勵磁模組30。該交流勵磁模組30的輸入端電性連接至交流電網，其輸出端電性連接至該直流勵磁模組32的輸出端。具體地，該交流勵磁模組30包括一勵磁開關302和一相控整流橋304。例如，該相控整流橋304為一三相可控整流橋或一單相可控整流橋。具體地，該勵磁開關302的輸入端電性連接至交流電網，其輸出端與相控整流橋304相連接，以及該相控整流橋304的輸出端與直流勵磁模組32的輸出端並聯連接。當直流勵磁模組32或全功率變換器34和36出現故障時，可閉合勵磁開關302，以便將來自電網的交流電壓經由相控整流處理後，輸出一直流電壓作為勵磁裝置38運行所需的供電電壓。因此，在本發明的勵磁控制電路中，除了藉由直流勵磁模組32來提供該勵磁裝置38運行所需的直流供電電壓之外，還可藉由交流勵磁模組30來提供該直流供電電壓。換言之，從勵磁供電方式來說，直流勵磁裝置32和交流勵磁裝置30之間互為冗餘，當電網電壓跌落或掉電時，仍然可以從母線電容C1或C2取電從而提供勵磁裝置38的供電電壓。
需要指出的是，針對本發明的勵磁控制電路，上述已詳細描述了直流勵磁模組和交流勵磁模組之間互為冗餘，以及直流勵磁模組中的直流-直流轉換器之間互為冗餘。為了實現冗餘備份功能，該勵磁控制電路更包括控制模組39，該控制模組39用於控制或切換直流-直流轉換器321和直流-直流轉換器323中的任何一個正常工作，並且該控制模組39還用於控制勵磁開關302的閉合與斷開，以便在直流勵磁模組故障時，通過控制勵磁開關302的通斷，由交流電網經相控整流後直接給勵磁裝置供電，從而防止風機突然失磁造成轉矩突變。此外，該控制模組39還可控制相控整流橋304的導通角，以調節交流勵磁模組30所輸出的直流電壓大小。
在一具體實施例中，直流-直流轉換器321和直流-直流轉換器323各自的輸入端均具有一濾波單元（如濾波電容器），以濾除母線電容C1或C2至相應直流-直流轉換器輸入端間的電纜上的電壓干擾。
在一具體實施例中，每一全功率變換器中的網側變流器的交流側與交流電網之間更包括一第一共模抑制單元，如電感或共模扼流線圈，以抑制共模電流。參照第3圖，在網側變流器341的交流側與交流電網之間設置一電感以抑制共模電流，以及在網側變流器361的交流側與交流電網之間也設置一電感以抑制共模電流。
在另一具體實施例中，每一全功率變換器中的機側變流器的交流側與風機之間更包括一第二共模抑制單元，如電感或共模扼流線圈，以抑制共模電流。參照第3圖，在機側變流器343的交流側與風機之間設置一電感以抑制共模電流，以及在機側變流器363的交流側與風機之間也設置一電感以抑制共模電流。
在又一具體實施例中，每一全功率變換器中的機側變流器的交流側與風機之間更包括一dv/dt抑制單元，藉由該dv/dt抑制單元來抑制dv/dt電壓。
第4圖係繪示第3圖中的勵磁控制電路藉由控制模組進行控制的原理架構圖。參照第3圖和第4圖，第一全功率變換器34包括網側變換器341和機側變換器343，第二全功率變換器36包括網側變換器361和機側變換器363，直流-直流轉換器323連接至第一全功率變換器34中的母線電容，直流-直流轉換器321連接至第二全功率變換器36中的母線電容。
對於控制模組39來說，該控制模組39輸出一控制信號S1、一控制信號S2和一控制信號CTRL，其中，該控制信號S1用於控制直流-直流轉換器323的運行或停止，該控制信號S2用於控制直流-直流轉換器321的運行或停止，以及該控制信號CTRL用於控制勵磁開關302的閉合與關斷。
在一具體實施例中，當交流電網的電壓跌落或掉電時，勵磁控制電路利用直流勵磁模組30的直流-直流轉換器323或直流-直流轉換器321對勵磁裝置38進行供電。例如，控制模組39通過控制信號S1使直流-直流轉換器323運行，以便提供勵磁裝置38的供電電壓。或者，控制模組39通過控制信號S2使直流-直流轉換器321運行，以便提供勵磁裝置38的供電電壓。
在一具體實施例中，當直流-直流轉換器中的一直流-直流轉換器323（或直流-直流轉換器321）出現運行故障時，控制模組39輸出一控制信號S2（或控制信號S1），以便使另一直流-直流轉換器321（或直流-直流轉換器323）對勵磁裝置38進行供電。
在另一具體實施例中，當直流-直流轉換器中的一直流-直流轉換器323（或直流-直流轉換器321）出現運行故障時，控制模組39還可輸出一開關控制信號CTRL，以閉合勵磁開關302從而利用交流勵磁模組30對勵磁裝置38進行供電。
由上述可知，本發明的勵磁控制電路在提供勵磁裝置38的供電電壓時，若直流勵磁模組32的一直流-直流轉換器在運行過程中出現故障，則控制模組39可輸出一控制信號（S1或S2）或一開關控制信號（CTRL），以便使直流勵磁模組32中的另一直流-直流轉換器投入運行或者直接採用交流勵磁模組30進行供電。此外，若交流電網電壓跌落或掉電，導致交流勵磁模組30無法正常工作時，控制模組39亦可輸出控制信號S1或控制信號S2，以便使直流勵磁模組32中的直流-直流轉換器323或直流-直流轉換器321投入運行以提供供電電壓。
採用本發明的勵磁控制電路及其電勵磁風電系統，通過多個全功率變換器各自的直流母線電容來提供對應的直流-直流轉換器的直流輸入電壓，進而利用該直流-直流轉換器降壓處理後的直流電壓對勵磁裝置進行供電，以實現多個直流-直流轉換器彼此之間的冗餘機制。此外，本發明還可通過交流勵磁模組直接對勵磁裝置進行供電，以實現勵磁供電方式（即，來自電網的交流方式和來自母線電容的直流方式）之間的冗餘，可顯著地提升電勵磁的可靠性和電勵磁風電系統運行時的穩定性。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．網側變流器

200．．．網側變流器

102．．．機側變流器

202．．．機側變流器

104．．．直流-直流轉換器

204．．．勵磁主開關

106．．．滅磁裝置

206．．．工頻變壓器

108．．．勵磁裝置

208．．．相控整流橋

Cp．．．母線電容

210．．．滅磁裝置

30．．．交流勵磁模組

212．．．勵磁裝置

32．．．直流勵磁模組

341．．．網側變流器

34、36．．．全功率變換器

343．．．機側變流器

37．．．滅磁裝置

361．．．網側變流器

38．．．勵磁裝置

363．．．機側變流器

C1．．．母線電容

C2．．．母線電容

321．．．直流-直流轉換器

323．．．直流-直流轉換器

302．．．勵磁開關

304．．．相控整流橋

39．．．控制模組

CTRL．．．開關控制信號

S1．．．控制信號

S2．．．控制信號

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖係繪示習知技術中的電勵磁風電系統的一勵磁控制電路的電路結構圖。
第2圖係繪示習知技術中的電勵磁風電系統的另一勵磁控制電路的電路結構圖。
第3圖係繪示依據本發明之一態樣的用於電勵磁風電系統的勵磁控制電路的電路結構圖。
第4圖係繪示第3圖中的勵磁控制電路藉由控制模組進行控制的原理架構圖。

30．．．交流勵磁模組

32．．．直流勵磁模組

34、36．．．全功率變換器

341．．．網側變流器

37．．．滅磁裝置

343．．．機側變流器

38．．．勵磁裝置

361．．．網側變流器

C1．．．母線電容

363．．．機側變流器

C2．．．母線電容

321．．．直流-直流轉換器

302．．．勵磁開關

323．．．直流-直流轉換器

304．．．相控整流橋

Claims (10)

1. 一種用於電勵磁風電系統的勵磁控制電路，其中，該勵磁控制電路包括：
   複數個全功率變換器，每一該些全功率變換器包括：
   一機側變流器，具有一交流側和一直流側，該機側變流器之該交流側電性連接至一風機，該機側變流器之該直流側並聯連接至一母線電容；以及
   一網側變流器，具有一交流側和一直流側，該網側變流器之該交流側電性連接至一交流電網，該網側變流器之該直流側並聯連接至該母線電容；
   一直流勵磁模組，包括複數個直流-直流轉換器，每一該些直流-直流轉換器的一輸入介面電性耦接至相應之全功率變換器的該母線電容，每一該些直流-直流轉換器的一輸出介面彼此並聯且電性耦接至一勵磁裝置，並藉由該勵磁裝置提供該風機在勵磁時所需的勵磁電流；以及
   一控制模組，用以控制或切換該些直流-直流轉換器其中任一正常工作。
2. 根據請求項1所述之勵磁控制電路，更包括一交流勵磁模組，具有彼此串聯連接的一勵磁開關和一相控整流橋，該勵磁開關連接至該交流電網，該相控整流橋的輸出端與該直流勵磁模組的輸出端並聯連接，該控制模組控制該勵磁開關的閉合與斷開。
3. 根據請求項2所述之勵磁控制電路，其中，當該交流電網的電壓跌落或掉電時，該勵磁控制電路利用該直流勵磁模組對該勵磁裝置進行供電。
4. 根據請求項1或2所述之勵磁控制電路，其中，當該些直流-直流轉換器其中一者出現運行故障時，該控制模組輸出一切換控制信號，以便該些直流-直流轉換器其中另一者對該勵磁裝置進行供電。
5. 根據請求項2所述之勵磁控制電路，其中，當該些直流-直流轉換器其中一者出現運行故障時，該控制模組輸出一開關控制信號，以閉合該勵磁開關從而利用該交流勵磁模組對該勵磁裝置進行供電。
6. 根據請求項1所述之勵磁控制電路，其中，每一該些直流-直流轉換器的輸入端具有一濾波單元，以濾除該母線電容至該輸入端之間的電纜上的電壓干擾。
7. 根據請求項1所述之勵磁控制電路，其中，該網側變流器的交流側與該交流電網之間更包括一第一共模抑制單元，以抑制共模電流。
8. 根據請求項1所述之勵磁控制電路，其中，該機側變流器的交流側與該風機之間更包括一第二共模抑制單元，以抑制共模電流。
9. 根據請求項1所述之勵磁控制電路，其中，該機側變流器的交流側與該風機之間更包括一dv/dt抑制單元，以抑制dv/dt電壓。
10. 一種電勵磁風電系統，包括一風機和一勵磁裝置，該勵磁裝置用以提供該風機勵磁所需的勵磁電流，其中，該電勵磁風電系統更包括：
    根據請求項1至9中任一項所述之一勵磁控制電路。