一種雙饋式風(fēng)電變流器Crowbar保護電路及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙饋式風(fēng)電變流器Crowbar保護電路及控制方法，雙饋式風(fēng)電變流器結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、中間直流環(huán)節(jié)以及網(wǎng)側(cè)變流器構(gòu)成。Crowbar保護電路的特征在于：三相雙向可控硅依次連接組成三角形結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的三個端點串接三相保護電阻后組成Crowbar保護電路，Crowbar保護電路的三相輸出端與雙饋電機變流器結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器三相交流輸出端連接。本發(fā)明通過三角形結(jié)構(gòu)中的可控硅與雙饋電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器橋臂開關(guān)的配合控制，從而以低成本、高可靠性的半控型器件可控硅取代常規(guī)全控型器件實現(xiàn)了主動式Crowbar保護電路功能，降低了Crowbar保護電路的成本，提高了其可靠性，保證了雙饋式風(fēng)力發(fā)電機的低電壓穿越功能的實現(xiàn)。
【專利說明】—種雙饋式風(fēng)電變流器Crowbar保護電路及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域,尤其是雙饋式風(fēng)電變流器Crowbar保護電路。
【背景技術(shù)】
[0002]雙饋式風(fēng)力發(fā)電機的定子繞組直接與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組通過變流器與電網(wǎng)連接，其變流器容量通常僅為機組額定容量的30%左右，使得雙饋電機具備成本低的優(yōu)勢，所以被廣泛應(yīng)用于兆瓦級大功率風(fēng)力發(fā)電機中，成為了目前風(fēng)力發(fā)電機的主導(dǎo)機型。但同時這一特殊的變流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也使得該機型對電網(wǎng)電壓的擾動較為敏感，其低電壓穿越運行也較為復(fù)雜。隨著風(fēng)電電網(wǎng)穿透率的提高，國家相關(guān)機構(gòu)已經(jīng)出臺了標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，要求風(fēng)力發(fā)電機必須具備低電壓穿越功能，這使得雙饋式風(fēng)電變流器的低電壓穿越問題成為當(dāng)前研究的熱點問題。
[0003]現(xiàn)有的低電壓穿越技術(shù)分為軟件和附加硬件兩種方法。目前提出的不增加額外硬件的軟件控制方法很多，但是均無法達到實際應(yīng)用的效果。而附加硬件的方法主要有轉(zhuǎn)子回路附件硬件和定子回路附加硬件兩類:轉(zhuǎn)子回路附加硬件方法主要指在雙饋電機轉(zhuǎn)子側(cè)配置Crowbar保護電路；定子回路附加硬件方法主要包括:串聯(lián)電力電子開關(guān)、串聯(lián)變流器以及增設(shè)無源阻抗網(wǎng)絡(luò)等方法。
[0004]轉(zhuǎn)子側(cè)附加Crowbar保護電路的方法是當(dāng)前較為成熟并商用的一種雙饋式風(fēng)電機組低電壓穿越技術(shù)(Morren J, Sjoerd W H.Ride through of wind turbines withdoubly-fed induction generator during a voltage dip[J].1EEE Transacitons onEnergy Conversion, 2005, 20 (2):435-441 ;徐殿國，王偉，陳寧.基于撬棒保護的雙饋電機風(fēng)電場低電壓穿越動態(tài)特性分析[J].中國電機工程學(xué)報，2010，20 (22):29-36;周維來，孫敬華，張哲等.一種雙饋風(fēng)電變流器Crowbar保護裝置[P]，200910072960 ;張侃，朱玲，周青等.一種雙饋風(fēng)電變流器用Crowbar保護裝置[P]，201120359510)。其中，被動式Crowbar保護電路是較早用于風(fēng)電變流器在電網(wǎng)故障時自我保護的硬件設(shè)備，但這種自我保護方式無法實現(xiàn)低電壓穿越。隨著風(fēng)電并網(wǎng)要求的提高，采用IGBT等全控器件構(gòu)成的主動式Crowbar保護電路成為近年研究低電壓穿越的技術(shù)方法之一。但電網(wǎng)故障下電機的高耐沖擊電流使得IGBT等全控器件的設(shè)計困難、成本較高，而且撬棒動作期間，因DFIG處于不控狀態(tài)而引發(fā)的無功功率問題、電磁轉(zhuǎn)矩沖擊問題等使其難以滿足日趨苛刻的風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的雙饋式風(fēng)電變流器Crowbar保護電路及控制方法，從而以半控型器件可控硅實現(xiàn)了常規(guī)以全控器件才能實現(xiàn)的主動式Crowbar保護電路功能。
[0006]本發(fā)明的目的可采用如下技術(shù)方案加以實現(xiàn):
[0007]本發(fā)明提供了一種雙饋式風(fēng)電變流器Crowbar保護電路，雙饋式風(fēng)電變流器結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、中間直流環(huán)及網(wǎng)側(cè)變流器構(gòu)成，Crowbar保護電路由三相雙向可控硅依次連接組成的三角形結(jié)構(gòu)串接三相保護電阻構(gòu)成，Crowbar保護電路的三相輸出端與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器三相交流輸出端連接。
[0008]優(yōu)選的，所述的三相雙向可控硅部分中，每相為雙向可控硅器件(TRIAC)；
[0009]優(yōu)選的，所述的三相雙向可控硅部分中，每相為為兩個可控硅反并聯(lián)組成；
[0010]所述三角形結(jié)構(gòu)包括具有等效電氣性能的其它電路結(jié)構(gòu)。
[0011]本發(fā)明還提供了一種雙饋式風(fēng)電變流器Crowbar保護電路的控制方法，該方法能夠以可控娃實現(xiàn)主動式Crowbar保護電路功能,具體步驟如下:
[0012]I)實時檢測雙饋電機轉(zhuǎn)子三相電流iA、iB、ic ；
[0013]2)將檢測到的上述轉(zhuǎn)子三相電流與設(shè)定的保護值比較，如果大于設(shè)定的保護值，觸發(fā)三角形結(jié)構(gòu)中三相雙向可控硅，從而將雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組通過Crowbar保護電路構(gòu)成回路，以旁路雙饋電機轉(zhuǎn)子的暫態(tài)電流；
[0014]3)在轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流衰減到設(shè)定的參考值后，通過檢測到的iA、iB、i。判斷電流所處的相應(yīng)區(qū)域，區(qū)域1:1A > 0，iB≤0，ic < O ;區(qū)域II:iA≥0，iB > 0，ic < O ;區(qū)域III:iA< 0，iB > 0，ic ≤ 0 ;區(qū)域IV:iA < 0，iB ≥ 0，ic > 0 ;區(qū)域 V:iA ≤ 0，iB < 0，ic > 0 ;區(qū)域VI:iA > 0，iB < 0，ic ≥ 0 ;
[0015]4)通過判斷電流所在的區(qū)域，將三相雙向可控硅中的六個可控硅標(biāo)號為①~⑥，可知不同區(qū)域相應(yīng)導(dǎo)通的可控硅:區(qū)域I中②和⑤導(dǎo)通；區(qū)域II中④和⑤導(dǎo)通；區(qū)域III中①和④導(dǎo)通；區(qū)域IV中①和⑥導(dǎo)通；區(qū)域V中③和⑥導(dǎo)通；區(qū)域VI中②和③導(dǎo)通；
[0016]5)通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中相應(yīng)橋臂上的開關(guān)管動作，對處于導(dǎo)通狀態(tài)的相應(yīng)可控硅進行強迫關(guān)斷，將轉(zhuǎn)子側(cè)變流器上的開關(guān)表示為Vl~V6，依據(jù)可控硅的關(guān)斷機理，則當(dāng)處于區(qū)域I時，通過開通V1、V4、V6便可強迫可控硅②和⑤關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域II時，通過開通V1、V3、V6便可強迫可控硅④和⑤關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域III時，通過開通V2、V3、V6便可強迫可控硅①和④關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域IV時，通過開通V2、V3、V5便可強迫可控硅①和⑥關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域V時，通過開通V2、V4、V5便可強迫可控硅③和⑥關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域VI時，通過開通V1、V4、V5便可強迫可控硅②和③關(guān)斷。
[0017]通過上述控制方法，以半控型器件雙向可控硅實現(xiàn)了常規(guī)以全控型器件才能實現(xiàn)的主動式Crowbar保護電路功能。
[0018]本發(fā)明通過對傳統(tǒng)Crowbar保護電路的改進，將三相可控硅組成三角形結(jié)構(gòu)后串接三相保護電阻組成Crowbar保護電路，可利用轉(zhuǎn)子側(cè)變流器開關(guān)管動作對Crowbar保護電路中可控娃的強迫換流實施低成本、高可靠的主動式Crowbar功能,與已有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0019]1、本發(fā)明采用低成本、高可靠性的半控型電力電子器件可控硅實現(xiàn)了主動式Crowbar保護電路的功能；
[0020]2、本發(fā)明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成本低、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單，可廣泛應(yīng)用于雙饋式風(fēng)力發(fā)電機的低電壓穿越中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明一種雙饋式風(fēng)電變流器Crowbar保護電路的結(jié)構(gòu)示意圖。[0022]圖2為圖1的局部放大圖。
[0023]圖3為本發(fā)明一種雙饋式風(fēng)電變流器Crowbar保護電路的控制方法中轉(zhuǎn)子三相電流區(qū)域圖。
[0024]圖4為雙饋電機在跌落深度為80%的對稱電網(wǎng)故障下的Crowbar保護電路三相電流波形。
【具體實施方式】
[0025]參見圖1、2，本實施例中，雙饋式風(fēng)電變流器結(jié)構(gòu)采用由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、中間直流環(huán)節(jié)及網(wǎng)側(cè)變流器構(gòu)成，Crowbar保護電路由三相雙向可控娃依次連接組成的三角形結(jié)構(gòu)串接三相保護電阻構(gòu)成，Crowbar保護電路的三相輸出端與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器三相交流輸出端連接。
[0026]具體實施中，三相雙向可控硅部分中，每相為雙向可控硅器件(TRIAC)或者為兩個可控硅反并聯(lián)組成，三相保護電阻阻值不為零。
[0027]實現(xiàn)主動式Crowbar保護電路功能,具體步驟為:
[0028]I)利用電流互感器實時檢測雙饋電機轉(zhuǎn)子三相電流iA、iB、ic。
[0029]2)將檢測到的轉(zhuǎn)子電流與設(shè)定的保護值比較，本實施例中保護值的設(shè)置以保證轉(zhuǎn)子電流不損壞轉(zhuǎn)子側(cè)變流器為前提，取為額定電流值的2倍。
[0030]3)如果轉(zhuǎn)子電流大于設(shè)定的保護值，通過發(fā)出觸發(fā)信號，觸發(fā)三角形結(jié)構(gòu)中三相雙向可控硅，從而將雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組通過Crowbar保護電路構(gòu)成回路，以旁路雙饋電機轉(zhuǎn)子的暫態(tài)電流，因為Crowbar保護電路中的保護電阻的存在，轉(zhuǎn)子的暫態(tài)電流會很快衰減。
[0031]4)在轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流衰減到設(shè)定的參考值后，通過檢測到的iA、iB、i。判斷電流所處的相應(yīng)區(qū)域，具體結(jié)果為:區(qū)域1:1A > 0，iB≥0，ic < O ;區(qū)域II:iA≥0，iB > 0，ic < O ;區(qū)域III:iA < 0，iB > 0，ic ≥ 0 ;區(qū)域IV:iA < 0，iB ≥ 0，ic > 0 ;區(qū)域 V:iA ≥ 0，iB < 0，ic
>0 ;區(qū)域VI:iA > 0，iB < 0，ic≥0。具體情況可參見圖3。
[0032]5)通過判斷電流所在的區(qū)域，將三相雙向可控硅中的六個可控硅標(biāo)號為①~⑥，可知不同區(qū)域相應(yīng)導(dǎo)通的可控硅:區(qū)域I中②和⑤導(dǎo)通；區(qū)域II中④和⑤導(dǎo)通；區(qū)域III中①和④導(dǎo)通；區(qū)域IV中①和⑥導(dǎo)通；區(qū)域V中③和⑥導(dǎo)通；區(qū)域VI中②和③導(dǎo)通。
[0033]6)通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中相應(yīng)橋臂上的開關(guān)管動作，對處于導(dǎo)通狀態(tài)的相應(yīng)可控硅進行強迫關(guān)斷。將轉(zhuǎn)子側(cè)變流器上的開關(guān)表示為Vl~V6，依據(jù)可控硅的關(guān)斷機理，則當(dāng)處于區(qū)域I時，通過開通V1、V4、V6便可強迫可控硅②和⑤關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域II時，通過開通V1、V3、V6便可強迫可控硅④和⑤關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域III時，通過開通V2、V3、V6便可強迫可控硅①和④關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域IV時，通過開通V2、V3、V5便可強迫可控硅①和⑥關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域V時，通過開通V2、V4、V5便可強迫可控硅③和⑥關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域VI時，通過開通V1、V4、V5便可強迫可控硅②和③關(guān)斷。
[0034]7 )圖4為雙饋電機在跌落深度為80%的對稱電網(wǎng)故障下的Crowbar保護電路三相電流波形，從圖中可以看出投入Crowbar保護電路一段時間后，通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器橋臂的開關(guān)管的動作，實現(xiàn)了對Crowbar保護電路中導(dǎo)通的可控硅的強迫關(guān)斷，進而通過這種控制方法，以半控型器件可控硅實現(xiàn)了常規(guī)以全控器件才能實現(xiàn)的主動式Crowbar保護電路功能。
【權(quán)利要求】
1.一種雙饋式風(fēng)電變流器Crowbar保護電路，雙饋式風(fēng)電變流器結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、中間直流環(huán)節(jié)及網(wǎng)側(cè)變流器構(gòu)成，其特征在于=Crowbar保護電路由三相雙向可控硅依次連接組成的三角形結(jié)構(gòu)串接三相保護電阻構(gòu)成，Crowbar保護電路的三相輸出端與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器三相交流輸出端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙饋式風(fēng)電變流器Crowbar保護電路，其特征在于:所述的三相雙向可控硅部分中，每相為雙向可控硅器件(TRIAC)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙饋式風(fēng)電變流器Crowbar保護電路，其特征在于:所述的三相雙向可控硅部分中，每相為兩個可控硅反并聯(lián)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1~3所述的一種雙饋式風(fēng)電變流器Crowbar保護電路,其特征在于:所述三角形結(jié)構(gòu)包括具有等效電氣性能的其它電路結(jié)構(gòu)。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1~4任一項所述的一種雙饋式風(fēng)電變流器Crowbar保護電路的控制方法，其特征在于:能夠以可控娃實現(xiàn)主動式Crowbar保護電路功能,具體步驟如下: O實時檢測雙饋電機轉(zhuǎn)子三相電流iA、iB、ic ; 2)將檢測到的上述轉(zhuǎn)子三相電流與設(shè)定的保護值比較，如果大于設(shè)定的保護值，觸發(fā)三角形結(jié)構(gòu)中三相雙向可控娃，從而將雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組通過Crowbar保護電路構(gòu)成回路，以旁路雙饋電機轉(zhuǎn)子的暫態(tài)電流； 3)在轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流衰減到設(shè)定的參考值后，通過檢測到的iA、iB、i。判斷電流所處的相應(yīng)區(qū)域，區(qū)域 1:1A > 0，iB ≤ 0，ic < O ;區(qū)域II:iA ≥ 0，iB > 0，ic < O ;區(qū)域III:iA < 0，iB>0，ic ≤ 0 ;區(qū)域IV:iA < 0，iB ≥ 0，ic > 0 ;區(qū)域 V:iA ≤ 0，iB < 0，ic > 0 ;區(qū)域VI:iA >.0,iB < 0, ic ^ 0 ； 4)通過判斷電流所在的區(qū)域，將三相雙向可控硅中的六個可控硅標(biāo)號為①~⑥，可知不同區(qū)域相應(yīng)導(dǎo)通的可控硅:區(qū)域I中②和⑤導(dǎo)通；區(qū)域II中④和⑤導(dǎo)通；區(qū)域III中①和④導(dǎo)通；區(qū)域IV中①和⑥導(dǎo)通；區(qū)域V中③和⑥導(dǎo)通；區(qū)域VI中②和③導(dǎo)通； 5)通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中相應(yīng)橋臂上的開關(guān)管動作，對處于導(dǎo)通狀態(tài)的相應(yīng)可控硅進行強迫關(guān)斷，將轉(zhuǎn)子側(cè)變流器上的開關(guān)表示為Vl~V6，依據(jù)可控硅的關(guān)斷機理，則當(dāng)處于區(qū)域I時，通過開通V1、V4、V6便可強迫可控硅②和⑤關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域II時，通過開通V1、V3、V6便可強迫可控硅④和⑤關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域III時，通過開通V2、V3、V6便可強迫可控硅①和④關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域IV時，通過開通V2、V3、V5便可強迫可控硅①和⑥關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域V時，通過開通V2、V4、V5便可強迫可控硅③和⑥關(guān)斷；當(dāng)處于區(qū)域VI時，通過開通V1、V4、V5便可強迫可控硅②和③關(guān)斷。
【文檔編號】H02J3/38GK103647303SQ201310684300
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】楊淑英, 孫燈悅, 陳劉偉, 張興 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)