专利名称：低压穿越型双馈风力发电机变流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电机变流器，特别是一种执行快速、控制简 单、运行可靠、功耗较低且具备很强低电压穿越能力的双馈风力发电机
变流器。属于风力发电设备技术领域。
背景技术：
在传统能源日渐萎縮的现在，全球掀起了开发可再生资源的热潮。 其中，风能成为当前新能源中最具产业化开发条件的佼佼者，也是我国
未来数年内最具发展潜力的可再生清洁能源。截止2008年，我国风电装 机总容量达到1221万千瓦，已占全球总装机的10%，名列全球第四。 仅2008年一年，我国新增风电装机容量就达630万千瓦，新增量位列全 球第二，仅仅次于美国的838万千瓦。然而，电力系统中风力发电装机 容量比例较大时，电力系统故障导致电压跌落后，风电场切除会严重影 响系统运行的稳定性，这就要求风电机组具备低电压穿越能力，以保证 故障条件下风电机组不间断并网运行。风电技术较为先进的国家如德国、 美国等根据电网实际运行状况制定了风电并网导则，对接入电网的风电 场提出了严格的技术要求。该技术要求一般包括无功电压控制，有功电 压控制以及低电压穿越能力等，其中风电机组的低电压穿越能力是风电 大规模并网运行必不可少的条件和要求，是在外部电网故障下风电机组 具有不间断运行能力的保证。
双馈感应风力发电机组是目前国内外风电机组的主流机型。对于双 馈风电机组，电网发生故障导致网电压跌落时，由于转子和定子之间的 耦合关系，急剧增加的定子电流将导致转子电流的急剧增加。几倍于转 子额定电流的实际电流使得转子侧逆变器迅速关闭。但由于转子侧逆变 器续流二极管的作用，母线电压会急剧增加。虽然现有的双馈感应风力 发电机系统均是背靠背的变流器，但是故障期间依旧会出现逆变器直流 母线电压急剧升高的情况。过高的直流母线电压将严重损害变流器。
因此，在电网故障时，双馈感应风力发电机组必须限制转子过电流 和直流过电压，以免对转子侧变流器造成损害。在大值瞬态故障下一般使用转子电流旁通措施来保护发电机和变流器。为了实现转子电流旁通 措施，现在多采用可控硅作为受控开关。使用可控硅的转子电流旁通措 施有如下缺陷一方面可控硅器件不能实现受控关断，因此其动作周期 较全控器件长，制约了整个双馈感应风力发电机组的控制效果的实现， 甚至在应用中，为避免在重新启动逆变器时可控硅处于导通状态，需要 检测可控硅回路内电流是否为零，这样既增加了保护措施实施的复杂性 也减低了整个系统运行的可靠性。另一方面可控硅器件承受dv/dt能力 有限，需要较多吸收电路，因而增加了设备功耗、增加了设备成本、加 大了设备体积。
基于上述现有技术状况，我们有必要设计一种全新结构的发电机变 流器，使其具有执行快速、控制简单、运行可靠、功耗较低、低电压穿 越能力强等特点。
发明内容
本发明的发明目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种执行 快速、控制简单、运行可靠、功耗较低且具备很强低电压穿越能力的双 馈风力发电机变流器。
本发明的发明目的是通过下述技术方案予以实现的-低压穿越型双馈风力发电机变流器，包括定子侧并网开关KMO、
转子侧变流器105、中间直流环节106、网侧变流器107;风力发电机的 定子101通过该定子侧并网开关KMO接入电网；风力发电机的转子102 与所述转子侧变流器105、中间直流环节106、网侧变流器107顺序串联
接入电网；其特征在于
所述中间直流环节106包括有直流电容Cl和直流电压检测器 TV1;所述直流电压检测器TV1并联在该直流电容Cl的两端，用以 检测中间直流环节电压；
在该变流器中还设置有转子电流旁通电路104;所述转子电流旁通 电路104由限流电阻200、三相不控整流器300、全控器件VI顺序串联 构成；所述限流电阻200端作为电流旁通电路104的接入端，并联接入 到所述转子102与转子侧变流器105之间；
所述直流电压检测器106与转子电流旁通电路104信号连接，以控 制全控器件VI开关。 所述全控器件VI可以采用绝缘栅双极型功率管、集成门极换流晶闸管或可关断晶闸管。
在所述全控器件VI的两端并联有吸收电路500。 在所述三相不控整流器300的两端并联有直流滤波器400。 所述吸收电路500和直流滤波器400可以采用A型电压嵌位电路、
B型电压嵌位电路或C型电压嵌位电路；
所述A型电压嵌位电路由吸收二极管与吸收电阻并联后再与吸收电
容串联构成；
所述B型电压嵌位电路由吸收电阻与吸收电容串联构成； 所述C型电压嵌位电路由一个吸收电容构成。
在变流器中还设有转子侧滤波器L2;该转子侧滤波器L2串联在所 述转子102与转子侧变流器105之间；所述转子电流旁通电路104通过 接入端限流电阻200可以并联接入转子102与转子侧滤波器L2之间， 也可以并联接入转子侧滤波器L2与转子侧变流器105之间。
本发明的有益效果是该风力发电机在电力系统故障期间，维持了 双馈感应风力发电机的定子侧并网开关KMO闭合，保持了双馈风力发 电机变流器的网侧变流器的持续运行，以较快的速度重新启动双馈风力 发电机变流器的转子侧变流器，对电网的故障恢复形成非常有力的支持， 在高可靠性的前提下具备强有力的低电压穿越能力。
图1为低电压穿越型双馈风力发电机变流器与双馈感应风力发电机 所组成的发电机系统示意图2为该转子电流旁通电路的电路结构图3 (A)为A型电压嵌位电路电路图3 (B)为B型电压嵌位电路电路图3 (C)为C型电压嵌位电路电路图；
具体实施例方式
下面结合附图和实施树对本发明作进一步描述。
图1为由本发明低电压穿越型双馈风力发电机变流器与双馈感应风 力发电机所组成的发电机系统示意图。如图所示，其中双馈感应风力发 电机100由定子101和转子102组成。而低电压穿越型双馈风力发电 机变流器包括定子侧并网开关KMO、转子侧滤波器L2、转子侧变流 器105、中间直流环节106、网侧变流器107、网侧整流电抗L1、网侧电网开关KM1 。
其中，定子101通过定子侧并网开关KM0接入电网。转子102通 过转子侧滤波器L2与转子侧变流器105、中间直流环节106、网侧变 流器107、网侧整流电抗L1、网侧电网开关KM1顺序串联接入电网。 该网侧电网开关KM1设置在网侧整流电抗Ll与电网之间，用以控制 发电机转子侧投入切出电网。
上述结构为现有双馈风力发电机系统的基本结构。针对在电网发生 故障时，过高的直流母线电压会严重损害变流器的问题，在此基本结构 的基础上在中间直流环节106中还设有直流电压检测器TV1，同时在发 电机系统中还加入了转子电流旁通电路104。
所述中间直流环节106包括有直流电容Cl和直流电压检测器TV1。 该直流电压检测器TV1并联在该中间直流环节的直流电容Cl两端，用 以检测中间直流环节106的电压。
所述转子电流旁通电路104可以并联在转子102与转子侧滤波器L2 之间，或是转子侧滤波器L2与转子侧变流器105之间。该转子电流旁 通电路104为本发明所特别设计的旁通电路，其结构与一般现所采用的 电流旁通电路不同。图2为该转子电流旁通电路的电路结构图。如图所 示，该转子电流旁通电路104由限流电阻200、三相不控整流器300和 全控器件VI顺序串联构成。其中，该限流电阻200端作为电流旁通电 路104的接入端，并联接入到前述转子102与转子侧滤波器L2之间， 或是转子侧滤波器L2与转子侧变流器105之间。
所述直流电压检测器TV1与转子电流旁通电路104信号连接，将其 通过检测直流环节电压所产生的判断信号发送至转子电流旁通电路 104，以对全控器件VI进行开关控制。
当电力系统故障导致电压跌落时，双馈感应风力发电机100的定 子电流急剧增加。由于转子102和定子101之间的耦合关系，急剧增 加的定子电流将导致转子电流的急剧增加。几倍于转子额定电流的实 际电流使得转子侧逆变器迅速关闭。但由于转子侧逆变器续流二极管 的作用，母线电压会急剧增加。虽然双馈感应风力发电机变流器系统 均是背靠背的变流器，但还是会出现逆变器直流母线电压急剧升高的 情况。当中间直流环节106的电压超过一定阀值CO时，直流电压检测 器TV1发出转子电流旁通电路中全控器件VI的导通命令。转子电流旁通电路中全控器件VI导通后，双馈感应风力发电机的转子电流流过
转子电流旁通电路的限流电阻200、三相不控整流器300、全控器件 VI，而不进入中间直流环节106。这样电网故障情况下的双馈感应风 力发电机变流器不会出现逆变器直流母线电压持续急剧升高，双馈感 应风力发电机变流器的定子侧并网开关KM0依然保持闭合，保持双馈 感应发电机不脱网。
当中间直流环节106的电压低于一定阀值CO时，经过较短延时， 直流电压检测器TV1撤销转子电流旁通电路中全控器件VI的导通命令。 由于全控器件VI的自身特性，转子电流旁通电路104中的电流完全受 控，这时重新启动双馈感应风力发电机变流器的转子侧变流器，发出无 功支持电网的故障会恢复。这样在较短的时间重新启动双馈感应风力发 电机变流器的转子侧变流器105，很好的支持了整个电网的故障恢复。
当电力系统故障恢复时刻，双馈感应风力发电机100的转子电流再 一次急剧增加。由于转子和定子之间的耦合关系，急剧增加的定子电流 将导致转子电流的急剧增加。当中间直流环节106的电压超过一定阀值 C0时，直流电压检测器TV1发出转子电流旁通电路中全控器件VI的导 通命令。转子电流旁通电路中全控器件VI导通后，双馈感应风力发电 机100的转子电流流过转子电流旁通电路的限流电阻200、三相不控整 流器300、全控器件V1，而不进入中间直流环节106。这样电网故障情 况下的双馈感应风力发电机变流器不会出现逆变器直流母线电压持续急 剧升高。当中间直流环节的电压低于一定阀值C0时，直流电压检测器 TV1撤销转子电流旁通电路中全控器件VI的导通命令。在较短的时间 内重新启动双馈感应风力发电机变流器的转子侧变流器105，双馈感应 风力发电机变流器恢复正常工作。
事实上，可以作为全控器件VI这样的开关控制部件有很多。具体 地说，可以采用绝缘栅双极型功率管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT 或是可关断晶闸管GTO等开关控制部件作为本专利所述的全控器件 VI。
另外，由于这样的全控器件VI关断得非常迅速，在其关断一瞬间， 很容易产生电压的尖峰毛刺。因而需要在全控器件VI的两端并联有绝 吸收电路500，以保护全控器件VI工作在其自身的安全工作区域内。
由于这样的全控器件VI关断得非常迅速，在其关断一瞬间，很容易产生电压的尖峰毛刺。因而还需要在三相不控整流器300的两端并联
有直流滤波器400，以保护三相不控整流器300工作在其自身的安全工 作区域内。
这里，所述绝吸收电路500和直流滤波器400均可以采用图3所示 的三种电压嵌位电路中的任何一种。其中，图3 (A)所示的为A型电 压嵌位电路，其由吸收二极管与吸收电阻并联后再与吸收电容串联构成。 图3 (B)所示的为B型电压嵌位电路，其由吸收电阻与吸收电容串联 构成。图3 (C)所示的为C型电压嵌位电路，其仅由一个吸收电容构 成。
综上所述，本发明所设计的双馈风力发电机即是通过在转子电流旁 通电路104中改用全控器件VI作为开关控制部件，并辅以设置在中间 直流环节106上的直流电压检测器TV1对其进行控制。从而，使该风力 发电机在电力系统故障期间，维持了双馈感应风力发电机的定子侧并网 开关KM0闭合，保持了双馈感应风力发电机变流器的网侧变流器的持 续运行，以较快的速度重新启动了双馈感应风力发电机变流器的转子侧 变流器，对电网的故障恢复形成非常有力的支持，在高可靠性的前提下 具备强有力的低电压穿越能力。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用 技术原理，对于本领 域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于 本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属 于本发明保护范围之内。
权利要求
1、低压穿越型双馈风力发电机变流器，包括定子侧并网开关(KM0)、转子侧变流器(105)、中间直流环节(106)、网侧变流器(107)；风力发电机的定子(101)通过该定子侧并网开关(KM0)接入电网；风力发电机的转子(102)与所述转子侧变流器(105)、中间直流环节(106)、网侧变流器(107)顺序串联接入电网；其特征在于所述中间直流环节(106)包括有直流电容(C1)和直流电压检测器(TV1)；所述直流电压检测器(TV1)并联在该直流电容(C1)的两端，用以检测中间直流环节电压；在该变流器中还设置有转子电流旁通电路(104)；所述转子电流旁通电路(104)由限流电阻(200)、三相不控整流器(300)、全控器件(V1)顺序串联构成；所述限流电阻(200)端作为电流旁通电路(104)的接入端，并联接入到所述转子(102)与转子侧变流器(105)之间；所述直流电压检测器(106)与转子电流旁通电路(104)信号连接，以控制全控器件(V1)开关。
2、 如权利要求1所述的低压穿越型双馈风力发电机变流器，其特征 在于所述全控器件(VI)可以采用绝缘栅双极型功率管、集成门极换 流晶闸管或可关断晶闸管。
3、 如权利要求1所述的低压穿越型双馈风力发电机变流器，其特 征在于在所述全控器件(VI)的两端并联有吸收电路(500)。
4、 如权利要求3所述的低压穿越型双馈风力发电机变流器，其特征 在于所述吸收电路(500)可以采用A型电压嵌位电路、B型电压嵌位电路或C型电压嵌位电路；所述A型电压嵌位电路由吸收二极管与吸收电阻并联后再与吸收电 容串联构成；所述B型电压嵌位电路由吸收电阻与吸收电容串联构成； 所述C型电压嵌位电路由一个吸收电容构成。
5、 如权利要求1所述的低压穿越型双馈风力发电机变流器，其特征 在于在所述三相不控整流器(300)的两端并联有直流滤波器(400)。
6、 如权利要求5所述的低压穿越型双馈风力发电机变流器，其特征在于所述直流滤波器(400)可以采用A型电压嵌位电路、B型电压嵌位电路或C型电压嵌位电路；所述A型电压嵌位电路由吸收二极管与吸收电阻并联后再与吸收电 容串联构成；所述B型电压嵌位电路由吸收电阻与吸收电容串联构成； 所述C型电压嵌位电路由一个吸收电容构成。
7、如权利要求1所述的低压穿越型双馈风力发电机变流器，其特征在于在变流器中还设有转子侧滤波器(L2);该转子侧滤波器(L2)串联在所述转子(102)与转子侧变流器(105)之间；所述转子电流旁 通电路104通过接入端限流电阻(200)可以并联接入转子(102)与转 子侧滤波器(L2)之间，也可以并联接入转子侧滤波器(L2)与转子侧 变流器(105)之间。
全文摘要
本发明提供了一种低压穿越型双馈风力发电机变流器，其特征在于其中间直流环节包括有直流电容和直流电压检测器；直流电压检测器并联在该直流电容的两端，用以检测中间直流环节电压；在该变流器中还设置有转子电流旁通电路；转子电流旁通电路由限流电阻、三相不控整流器、全控器件顺序串联构成；限流电阻端作为电流旁通电路的接入端，并联接入到所述转子与转子侧变流器之间；直流电压检测器与转子电流旁通电路信号连接，以控制全控器件开关。该风力发电机在电力系统故障期间，中间直流环节的电压过高时，全控器件导通，实现对转子电流的旁通，进而保持了双馈感应风力发电机变流器的网侧变流器的持续运行，对电网的故障恢复形成非常有力的支持。
文档编号H02J3/38GK101609992SQ200910087860
公开日2009年12月23日 申请日期2009年6月24日 优先权日2009年6月24日
发明者宋海涛 申请人:北京利德华福电气技术有限公司