专利名称：一种具有保护装置的双馈发电机系统及其保护方法
技术领域：
本发明涉及一种双馈发电机系统及其保护方法，尤其涉及一种具有保 护装置的双馈发电机系统及其在出现电网故障时候的保护方法。
背景技术：
在电网故障下，大量发电机(如风力发电机)脱网会使电网功率缺 失，加剧电网崩溃。为满足电网安全要求，要求发电机系统(如风力涡 轮发电机系统)必须具有电网故障情况下不间断运行的故障穿越能力。
现有的双馈发电机系统包括双馈感应发电机(DFIG)和背靠背变流器。
双馈感应发电机(DFIG)的定子绕组一般通过并网开关连接到变压器来与
电网相连，转子绕组连接到背靠背变流器。背靠背变流器包括转子侧变流
器(Rotor Side Converter)、网侧变流器(Grid Side Co匿rter)、中间 直流侧(DC Circuit)。网侧变流器(Grid Side Converter)也通过电子 幵关与电网连接，因此实际上转子绕组依次通过转子侧变流器(Rotor Side Converter)、中间直流侧(DC Circuit)、网侧变流器(Grid Side Converter) 也与电网连接。也可以通过控制变流器来实现发电机有功和无功输出，电 压和频率调节。
当电网发生故障时，发电机定子电压突然下降，使发电机去磁并在定 子绕组和转子绕组感应出大电流，定子电流存在的直流分量，在转子电流 中则表现出交流分量，转子感应电流会超出额定的3 4倍，这时转子侧变 流器(Rotor Side Converter)明显失去控制能力而立即关闭脉宽调制， 然而转子大电流会通过IGBT的反并联二极管续流，使母线电压急剧上升到 额定的3 4倍，这将严重地损坏变流器。虽然网侧变流器(Grid Side Converter)用于控制母线电压稳定，但在发生电网故障时母线电压仍会超
过上述值。
对此，在美国专利文献US7102247B2中公开了一种用于风电系统的电 路装置及方法，通过电子开关来控制附加电阻，可以实现在电网故障时暂 时切断转子侧变流器与转子绕组的连接，在故障恢复后能重新实现连接。 然而该方案中的所选电子开是通过脉宽调制控制的，并且是主动关断的， 由于主动关断型电子开关过载能力较弱，通常需要多管并联，短路转子绕 组时会出现均流和过流问题。对于电网故障严重的情况，本方案会因为转 子过压而导致发电机定子脱网，因此采用该方案成本高、控制复杂且故障 穿越能力较弱。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种成本较低， 控制简单且故障穿越能力较强的双馈发电机系统及其在出现电网故障时候 的保护方法。
本发明为了解决上述技术问题，提供一种具有保护装置的双馈发电机
系统，包括双馈感应发电机，转子侧变流器、中间直流侧、网侧变流器， 以及旁路保护电路，所述双馈感应发电机的转子、转子侧变流器、中间直 流侧和网侧变流器依次连接接入电网，所述旁路保护电路与所述转子连接， 所述旁路保护电路包括限流电阻和晶闸管；所述晶闸管分成三组，每组 包括两个反向并联的所述晶闸管，并与一所述限流电阻串联，所述三组晶 闸管为之间星形连接；当所述中间直流侧的电压超过设定阈值U2时，所述 晶闸管被触发导通。
晶闸管的工作条件如下1.晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承 受何种电压，晶闸管都处于关断状态。2.晶闸管承受正向阳极电压时，仅 在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。3.晶闸管在导通情况下，只 要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸
管导通后，门极失去作用。4.晶闸管在导通情况下，当主回路电压或电流
减小到接近于零时，晶闸管关断。
通过上述技术方案，当电网出现故障时，转子线圈的电流会增大，并
使得中间直流侧的电压增高。当中间直流侧的电压超过设定阈值U2时，晶 闸管被触发导通，这样通过正反并联的晶闸管将旁路掉转子线圈的电流， 直到中间直流侧的电压恢复正常为止。并且根据晶闸管的特性，能更可靠 的旁路掉转子线圈的过大的电流，并在电网故障恢复时，能更好的使得双 馈发电机恢复工作，在只需要简单的控制下，具有较强的故障穿越能力。
本发明的具有保护装置的双馈发电机系统的一个具体的实施例是，所 述旁路保护电路包括限流电阻、电流检测单元和晶闸管；所述晶闸管反
向并联，并与限流电阻和电流检测单元串联连接；当所述中间直流侧的电 压超过设定阈值U2时，所述晶闸管被触发导通。
电流检测单元也可以采用如霍尔元件来检测电流，这样就不需要串联 于所要检测的回路中。
为了进一步增强在电网出现故障的时候保护的能力，所述的具有保护 装置的双馈发电机系统还包括与所述中间直流侧并联的直流母线放电电
路，当所述中间直流侧的电压超过安全阈值U1时，所述直流母线放电电路 导通；所述安全阈值U1小于所述设定阈值U2。
所述直流母线放电电路包括限流电阻、保护二极管和全控开关管，
所述保护二极管和限流电阻并联，且与所述全控开关管串联，当所述中间
直流侧的电压超过安全阈值U1时，所述全控开关管导通。
当电网出现故障，在旁路保护电路被激活导通之前，即中间直流侧的
电压超过安全阈值Ul但是还没有达到U2时，直流母线放电电路就开始工 作。所述全控开关管被触发导通后，直流母线放电电路将旁路掉转子线圈 流入中间直流侧的电流。如果电网故障过于严重，中间直流侧的电压继续 增加并超过U2时，旁路保护电路才被激活导通。通过这种手段，能进一步 提高本发明具有保护装置的双馈发电机系统的故障穿越能力。
所述中间直流侧包括母线电容。母线电容接收在电网故障时转子线
圈中产生的电流。
本发明还提供所述具有保护装置的双馈发电机系统的保护方法，包括
如下步骤
A. 检测电网故障，当电网出现故障时，关闭转子侧变流器；
B. 激活与双馈感应发电机的转子连接的旁路保护电路导通，直到电 网故障排除，则切断所述旁路保护电路；
C. 检测所述旁路保护电路的电流，当该电流为0之后，转子侧变流 器启动并控制所述双馈感应发电机。
其中，检测中间直流侧的电压，当该电压超过设定阈值U2时，则判 断电网出现故障；
检测中间直流侧的电压，当该电压低于安全阈值Ul时，则判断电网 故障排除；
所述设定阈值U2大于所述安全阈值U1。
所述旁路保护电路包括限流电阻和晶闸管；所述晶闸管分成三组， 每组包括两个反向并联的所述晶闸管，并与一所述限流电阻串联，所述三 组晶闸管为星形连接；当所述中间直流侧的电压超过设定阈值U2时，所述 晶闸管被触发导通。
为了进一步提高本方法的故障穿越能力，所述的双馈发电机系统的保
护方法，还进一步包括如下步骤
D. 检测中间直流侧的电压，当该电压超过安全阈值U1时，激活直流 母线放电电路导通，直到该电压低于安全阈值U1时，关闭所述直流母线放
通过上述技术方案，当电网出现故障，在旁路保护电路被激活导通之
前，即中间直流侧的电压超过安全阈值U1但是还没有达到U2时，直流母 线放电电路就开始工作。如果电网故障过于严重，中间直流侧的电压继续 增加并超过U2时，旁路保护电路才被激活导通。通过这种手段，能进一步 提高本发明具有保护装置的双馈发电机系统的故障穿越能力。
用于连接电网和双馈感应发电机的定子的电网开关S1始终闭合，则保
持所述双馈感应发电机不脱网；
保持网侧变流器不关闭，并根据故障类型和程度来向电网注入设定的
无功；
所述步骤C中，转子侧变流器启动后，根据电网情况，发无功支持电网。
与现有技术相比本发明的优点在于，本发明双馈发电机系统及其保护 方法成本较低，控制简单，并且具有更强的故障穿越能力。
图1是本发明具有保护装置的双馈发电机系统实施例的系统框图； 图2是本发明旁路保护电路的示意图3是本发明的具有保护装置的双馈发电机系统出现电网故障时的波 形示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。
如图l所示在本发明一种具有保护装置的双馈发电机系统包括双馈
感应发电机100，转子侧变流器130、中间直流侧IIO、直流母线放电电路 140、以及网侧变流器120，所述双馈感应发电机100的转子102、转子侧 变流器130、中间直流侧110和网侧变流器120依次连接接入电网，旁路 保护电路200，所述旁路保护电路200与所述转子102连接，当所述中间 直流侧110的电压超过设定阈值U2时，所述旁路保护电路200导通，旁 路所述转子102上的电流。
直流母线放电电路140(Chopper)包括采用IGBT的全控开关管V13和 限流电阻R4，以及与R4反并联的保护二极管D13。
双馈感应发电机100的定子101通过电网开关Sl接入电网。
如图2所示在本发明实施例中，旁路保护电路200 (Crowbar)由限流 电阻R1、 R2、 R3和晶闸管Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6组成，晶闸管成对反 并联再连接成星形结构。并且旁路保护电路200 (Crowbar)还包括用于检 测电流大小的电流检测单元T1、 T2、 T3。
为提高系统故障穿越能力，本发明的实施例采用直流母线放电电路 140 (Chopper)与旁路保护电路200 (Crowbar)两个保护电路，它们分别 类似于斩波电路和撬棒电路。
当电网发生短路故障时，定子101电流和转子102电流增大，转子侧
变流器130 (Rotor Side Converter )中的绝缘栅双极晶体管(IGBT) VI、 V2、 V3、 V4、 V5、 V6由于过流而关闭，大电流通过与绝缘栅双极晶体管反 并联二极管m、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6给母线电容C1充电，使母线电压Vdc 迅速上升，该母线电压Vdc即为中间直流侧110的电压。当Vdc超过安全 阈值U1，激活直流母线放电电路140 (Chopper)给母线电容C1放电来抑 制母线过电压。
然而对于电网跌落严重的情况，即使开通V13启动电子开关141激活 直流母线放电电路140 (Chopper), Vdc还会迅速上升到设定阈值U2，这 时通过激活旁路保护电路200 (Crowbar)来短路发电机转子绕组，使短路 电流暂时通过低阻抗电阻来吸收，而这时转子侧变流器130 (Rotor Side Converter)电流几乎为零。当母线电压下降到正常工作电压Unorn时，停 止触发直流母线放电电路140 (Ch叩per)和旁路保护电路200 (Crowbar)。 在经过一段时间(例如60ms)的延迟，即在流过旁路保护电路200(Crowbar) 的电流衰减到零后，转子侧变流器130 (Rotor Side Converter)重新启 动并控制双馈感应发电机100 (DFIG)。
转子侧变流器130 (Rotor Side Converter)不仅能控制发电机有功 电流输出，而且能够控制无功电流输出，这使双馈发电机系统在电网故障 期间具有了稳定电压的作用。转子侧变流器130 (Rotor Side Converter) 是通过控制开关管V1、 V2、 V3、 V4、 V5、 V6的开通来实现对转子励磁电流 的控制的。
电网电压恢复时，双馈发电机系统会经历与跌落时同样的故障转子 侧变流器130 (Rotor Side Converter)由于过流关闭，转子电流灌入母 线电容CI使Vdc迅速升高，当超过安全阈值Ul时候则激活直流母线放电 电路140 (Chopper),以达到保护的目的。但是在故障严重的情况下，如 Vdc迅速升高超过设定阈值U2时，则需要激活旁路保护电路200(Crowbar) 来保护变流器。当Vdc下降到正常水平时关闭直流母线放电电路140 (Chopper)和旁路保护电路200 (Crowbar),并待旁路保护电路200 (Crowbar)的电流衰减到零后，转子侧变流器130(Rotor Side Converter)
重新回到正常运行模式并尽快传递有功到电网。通过上述系统和方法，本 发明实现了在电网故障下双馈发电机系统的不脱网运行，并在电网恢复后 使系统快速恢复到正常有功输出模式。
在电网故障情况下，网侧变流器120 (Grid Side Converter) —直保 持与电网的连接，其电网开关一直闭合。网侧变流器120 (Grid Side Converter)传递有功电流到电网以控制母线电压稳定，同时向电网注入无 功电流来帮助电网稳定电网电压。
如图3所示，在tl时刻，电网发生跌落故障，电网电压Un迅速下降 到额定的30%，由于定子101直接与电网连接，双馈感应发电机100因去 磁作用而在转子102端口感应出高电压，转子侧变流器130因此关闭。母 线电压Udc即为Vdc，为变流器直流母线上的电压，Ir为流过转子102绕 组的电流。
在t2时刻，母线电压Udc超过安全阈值m，则导通全控开关管V13， 直流母线放电电路140被激活，然而母线电压Udc继续上升。Icp为流过 全控开关管V13的电流。
在t3时刻，Udc超过设定阈值U2时，触发晶闸管Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6，旁路保护电路200被激活，转子102的电流消耗在限流电阻R1、 R2、 R3上，其中Icb为流过限流电阻Rl的电流。
在t4时刻，Udc下降到正常工作电压Unom，停止激活直流母线放电电 路140与旁路保护电路200。
在t5时刻，通过电流检测单元T1、 T2、 T3检测到旁路保护电路200 的电流衰减到零，如Icb为零。
在t6时刻，转子侧变流器130重新馈入转子102励磁电流。
在t7时刻，电网电压恢复，转子侧变流器130被再次关闭并激活直流 母线放电电路140。
在t8时刻，转子侧变流器130重新馈入转子102励磁电流。
在上述整个过程期间，网侧变流器120 —直工作以控制母线电压稳定。 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术
领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1、一种具有保护装置的双馈发电机系统，包括双馈感应发电机(100)、转子侧变流器(130)、中间直流侧(110)、网侧变流器(120)，以及旁路保护电路(200)，所述双馈感应发电机(100)的转子(102)、转子侧变流器(130)、中间直流侧(110)和网侧变流器(120)依次连接接入电网，所述旁路保护电路(200)与所述转子(102)连接，其特征在于，所述旁路保护电路(200)包括限流电阻(R1、R2、R3)和晶闸管(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)；所述晶闸管分成三组，每组包括两个反向并联的所述晶闸管，并与一所述限流电阻串联，所述三组晶闸管为星形连接；当所述中间直流侧(110)的电压超过设定阈值U2时，所述晶闸管(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)被触发导通。
2、 根据权利要求1所述的具有保护装置的双馈发电机系统，其特征 在于，所述旁路保护电路(200)还包括电流检测单元(Tl、 T2、 T3); 所述电流检测单元(Tl)用于检测限流电阻(Rl)的电流，所述电流检测 单元(T2)用于检测限流电阻(R2)的电流，所述电流检测单元(T3)用 于检测限流电阻(R3)的电流。
3、 根据权利要求1或2所述的具有保护装置的双馈发电机系统，其 特征在于，还包括与所述中间直流侧(U0)并联的直流母线放电电路(140)，当所述中间直流侧(110)的电压超过安全阈值U1时，所述直流 母线放电电路(140)导通；所述安全阈值U1小于所述设定阈值U2。
4、 根据权利要求3所述的具有保护装置的双馈发电机系统，其特征 在于，所述直流母线放电电路(140)包括限流电阻(R4)、保护二极管(D13)和全控开关管(V13)，所述保护二极管(D13)和限流电阻(R4) 反并联，且与所述全控开关管(V13)串联，当所述中间直流侧(110)的 电压超过安全阈值U1时，所述全控开关管(V13)导通。
5、 根据权利要求1或2所述的具有保护装置的双馈发电机系统，其 特征在于，所述中间直流侧(110)包括母线电容(Cl)。
6、 一种具有保护装置的双馈发电机系统的保护方法，所述具有保护装置的双馈发电机系统包括双馈感应发电机(100)、转子侧变流器(130)、 中间直流侧(110)、网侧变流器(120)，以及旁路保护电路(200)，所述 旁路保护电路(200)与所述转子(102)连接，其特征在于，旁路保护电 路(200)包括限流电阻(Rl、 R2、 R3)和晶闸管(Ql、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6);所述晶闸管分成三组，每组包括两个反向并联的所述晶闸管，并与一 所述限流电阻串联，所述三组晶闸管为星形连接；所述具有保护装置的双馈发电机系统的保护方法包括如下步骤A. 检测电网故障，当电网出现故障时，关闭转子侧变流器(130);B. 激活与双馈感应发电机(100)的转子(102)连接的旁路保护电 路(200)导通，直到电网故障排除，则切断所述旁路保护电路(200);C. 检测所述旁路保护电路(200)的电流，当该电流为O以后，转子 侧变流器(130)启动并控制所述双馈感应发电机(100)。
7、 根据权利要求6所述的具有保护装置的双馈发电机系统的保护方 法，其特征在于，检测中间直流侧(110)的电压，当该电压超过设定阈值 U2时，则判断电网出现故障；检测中间直流侧(110)的电压，当该电压低于安全阈值U1时，则判 断电网故障排除；所述设定阈值U2大于所述安全阈值U1。
8、 根据权利要求6或7所述的具有保护装置的双馈发电机系统的保 护方法，其特征在于，所述旁路保护电路(200)还包括电流检测单元(T1、 T2、 T3);所述电流检测单元(Tl)用于检测限流电阻(Rl)的电流，所述 电流检测单元(T2)用于检测限流电阻(R2)的电流，所述电流检测单元(T3)用于检测限流电阻(R3)的电流。
9、 根据权利要求8所述的具有保护装置的双馈发电机系统的保护方 法，其特征在于，还进一步包括如下步骤D. 检测中间直流侧(110)的电压，当该电压超过安全阈值Ul时， 激活直流母线放电电路(140)导通，直到该电压低于安全阈值U1时，关 闭所述直流母线放电电路(140)。
10、 根据权利要求8所述的具有保护装置的双馈发电机系统的保护方 法，其特征在于，用于连接电网和双馈感应发电机(100)的定子(101)的电网开关(S1)始终闭合；保持网侧变流器(120)不关闭；所述步骤C中，转子侧变流器(130)启动后，发无功支持电网。
全文摘要
本发明公开了一种具有保护装置的双馈发电机系统及其保护方法。具有保护装置的双馈发电机系统包括双馈感应发电机(100)、转子侧变流器(130)、中间直流侧(110)、网侧变流器(120)，以及旁路保护电路(200)，旁路保护电路(200)包括限流电阻(R1、R2、R3)和晶闸管(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)；所述晶闸管分成三组，每组包括两个反向并联的所述晶闸管，并与一所述限流电阻串联，所述三组晶闸管为星形连接；当所述中间直流侧(110)的电压超过设定阈值U2时，所述晶闸管(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)被触发导通。本发明的优点在于，成本较低，控制简单，并且具有更强的故障穿越能力。
文档编号H02H7/06GK101383578SQ20081021632
公开日2009年3月11日 申请日期2008年9月22日 优先权日2008年9月22日
发明者吕怀明 申请人:艾默生网络能源有限公司