专利名称：一种风电机保护系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及分布式风电领域，尤其涉及一种具有低电压穿越功能的风电机保护系 统。
背景技术：
双馈式变速恒频风电机组已经在国内外风电领域得到广泛应用，其发电设备为双 馈感应发电机，当出现电网故障时，以前的保护原则是将双馈感应发电机立即从电网中脱 网以确保机组的安全。随着风电机组单机容量的不断增大和风电场规模的不断扩大，风电 机组与电网间的相互影响已日趋严重。人们越来越担心，一旦电网发生故障迫使大面积风 电机组因自身保护而脱网的话，将严重影响电力系统的运行稳定性。因此，随着接入电网的 双馈感应发电机容量的不断增加，电网对其要求越来越高，通常情况下要求发电机组在电 网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行，并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定 运行，也就是说，要求风电机组具有一定低电压穿越(LowVoltage Ride-through)能力。目前MW级商用双馈风电机组主要采用“有源Crowbar”技术实现低电压穿越。电 网故障发生，首先系统控制器通过采样电路对系统状态采样，检测到故障发生，再对检测得 到的信号进行处理之后，发出Crowbar装置的动作信号，Crowbar功率电路动作，通过旁路 电阻将转子侧短接，释放故障期间的能量，衰减转子的故障电流，保护双馈风电机组中的励 磁变流器。电网故障恢复后，系统控制器发出信号，切除Crowbar装置，励磁变流器恢复正 常工作，从而实现低电压穿越功能。现有的“有源CrowbaH消弧泻放电路)”技术还存在以下不足①系统控制器 采样和处理故障信号，发出动作信号均需要时间，从而导致Crowbar功率电路部分的动作 延时，不能及时动作②Crowbar功率电路部分的切除会出现系统的暂时震荡和冲击，存在 Crowbar再次被触发的可能，Crowbar装置的反复触发会导致整个系统崩溃。因此，如何提供一种风电机保护系统，克服上述现有技术的不足，是本领域技术人 员需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有低电压穿越功能的风电机保护系统，保护风电 机的安全运行，缩短故障反应时间，实现故障电流分流。为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下本发明提供一种风电机保护系统，所述系统包括消弧泻放电路，与风电机的变流器相连；分流装置，与所述消弧泻放电路并联； 传感器，设置在风电机转子侧，与所述变流器相连，用于对风电机进 行采样；
信号调理电路，用于对所述传感器采样的信号进行调理，调理后的信号发送硬件 触发电路和系统控制器；
所述硬件触发电路，接收所述信号整理电路调理后的信号，将调理后的信号与预 定的上限、下限基准值进行比较，根据比较结果直接控制所述分流装置；所述系统控制器，接收所述信号整理电路调理后的信号，当调整后的信号超过预定的阈值时，发送触发信号控制消弧泻放电路泻放故障电流。优选地，所述上限基准值小于所述阈值。优选地，所述上限、下限基准值之间的差值小于所述阈值的20%。优选地，所述消弧泻放电路包括三相不控整流桥，以及与所述三相不控整流桥并 联的泻放电路；所述泻放电路包括相互串联的第一开关器件和第一吸收电阻。优选地，所述第一开关器件为全控半导体器件或半控半导体器件或继电器。优选地，所述分流装置为全控半导体器件串联吸收电阻的结构；或，电力电子降压 电路；或，板桥电路。优选地，所述分流装置包括相互串联的第五开关器件和第五吸收电阻。优选地，所述分流装置包括相互串联的第二开关器件、第一电感以及第二吸收电 阻；在所述第二吸收电阻两端并联第一电容；在所述第一电感和所述第二吸收电阻的
两端并联二极管。优选地，所述分流装置包括相互串联的第三开关器件、第二电感以及第三吸收电 阻；在所述第三吸收电阻两端并联第二电容；在所述第二电感和所述第三吸收电阻的 两端并联第四开关器件。优选地，所述第三开关器件由所述硬件触发电路直接控制；所述第四开关器件根 据所述硬件触发电路发送的信号取反后结果执行相应动作。优选地，所述硬件触发电路包括逻辑比较单元、驱动脉冲发生单元、隔离与信号放 大单元。逻辑比较单元，用于将调理后的信号与预定的上限、下限基准值进行比较；当调理后的信号高于所述上限基准值，控制所述驱动脉冲发生单元产生触发驱动 脉冲，通过所述隔离与信号放大单元处理后，触发所述分流装置；当调理后的信号低于下限基准值，控制所述驱动脉冲发生单元产生关断驱动脉 冲，通过所述隔离与信号放大单元处理后，关断所述分流装置。通过上述方案的描述，可以看到本发明具备以下优点由于本发明实施例所述风电机保护系统，由于增加了与消弧泻放电路并联的分流 装置；该分流装置可以与消弧泻放电路相配合，保护发电机和励磁变流器的安全运行；硬 件触发电路直接控制所述分流装置，缩短故障反应时间，分流装置对故障电流进行分流。系 统控制器在信号调理电路调理后的信号大于预定的阈值时，发送触发信号控制消弧泻放电 路泻放故障电流，消除了消弧泻放电路反复触发的可能。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实 施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图 获得其他的附图。图1为本发明实施例所述风电机保护系统连接框图；图2为本发明实施例所述泻放电路电路图；图3为本发明所述分流装置第一实施例电路图；图4为本发明所述分流装置第二实施例电路图；图5为本发明所述分流装置第三实施例电路图；图6为现有技术中没有设置Crowbar电路和分流装置模式对应的故 障电流分布 图；图7为仅使用Crowbar电路模式对应的衰减故障电流分布图；图8为仅使用分流装置模式的衰减故障电流示意图；图9为本发明实施例所述分流装置的硬件工作驱动逻辑图。
具体实施例方式本发明提供一种具有低电压穿越功能的风电机保护系统，保护风电机的安全运 行，缩短故障反应时间，实现故障电流分流。参见图1，该图为本发明实施例所述风电机保护系统连接框图。本发明实施例所述风电机保护系统，包括消弧泻放电路1、分流装置2、传感器6、 信号调理电路7、硬件触发电路3，以及系统控制器4。消弧泻放电路1，与风电机的变流器5相连。变流器5为励磁变流器。消弧泻放电路1具体可以包括三相不控整流桥12，以及与所述三相不控整流桥12 并联的泻放电路11。三相不控整流桥12为三相不控二极管整流桥。分流装置2，与所述消弧泻放电路1并联。传感器6，设置在风电机转子8 一侧，与所述变流器5相连，用于对风电机进行采 样。传感器6对故障状态进行采样。信号调理电路7，用于对所述传感器6采样的信号进行调理，调理后的信号发送硬 件触发电路3和系统控制器4。所述硬件触发电路3，接收所述信号整理电路7调理后的信号，将调理后的信号与 预定的上限、下限基准值进行比较，根据比较结果直接控制所述分流装置2。硬件触发电路3上限、下限基准值可以通过实际调试中不断调整，当性能达到最 优时获得。所述硬件触发电路3具体可以包括逻辑比较单元、驱动脉冲发生单元、隔离与信 号放大单元。逻辑比较单元，用于将调理后的信号与预定的上限、下限基准值进行比较。当调理后的信号高于所述上限基准值，控制所述驱动脉冲发生单元产生触发驱动 脉冲，通过所述隔离与信号放大单元处理后，触发所述分流装置2。当调理后的信号低于下限基准值，控制所述驱动脉冲发生单元产生关断驱动脉 冲，通过所述隔离与信号放大单元处理后，关断所述分流装置2。
所述系统控制器4，接收所述信号整理电路7调理后的信号，当调整后的信号超过 预定的阈值时，发送触发信号控制消弧泻放电路1泻放故障电流。系统控制器4预定阈值可以在实际调试中更改，具体可以根据运行情况选择确定
最佳值。系统控制器4收到经过信号调理电路7调理后的状态信号，如果状态信号超过软 件预定的阈值，发出泻放电路开通信号，泻放电路泻放故障电流。泻放电路何时切除取决于 系统控制器4。系统控制器4负责整个变流器5的运行；无相应状态信号输入系统控制器4时，系 统控制器4维持整个系统的正常运行。当有相应状态信号输入时，系统控制器4关闭与消 弧泻放电路1相连的变流器5内部的功率半导体器件。故障信号消除后，系统控制器4接 收到相应状态信号，重新打开与消弧泻放电路1相连的变流器5内部的功率半导体器件，变 流器5恢复正常工作。硬件触发电路3预定的上限基准值小于系统控制器4预定的阈值(即Crowbar的 开通阈值)。硬件触发电路3上限、下限基准值之间的差值小于系统控制器4预定的阈值的 20%。本发明实施例所述风电机保护系统，由于增加了与消弧泻放电路1并联的分流装 置2，该分流装置2可以与消弧泻放电路1相配合，保护发电机和变流器5的安全运行。硬 件触发电路3直接控制所述分流装置2，缩短故障反应时间，分流装置2对故障电流进行分 流。系统控制器4在信号调理电路7调理后的信号大于预定的阈值时，发送触发信号控制 消弧泻放电路1泻放故障电流，消除了消弧泻放电路反复触发的可能。参见图2，该图为本发明实施例所述泻放电路电路图。本发明实施例所述泻放电路11具体可以包括相互串联的第一开关器件Kl和第一 吸收电阻Rl。第一开关器件Kl具体可以为全控半导体器件，或半控半导体器件，或继电器等具 有开通、关断能力的器件。泄放电路11的第一开关器件K1，根据系统控制器4发送的触发信号，进行闭合或 断开的操作。系统控制器4在信号调理电路7调理后的信号大于预定的阈值时，发送触发信号 控制泄放电路11的第一开关器件Kl闭合，泄放能量，能量在第一吸收电阻Rl上转变为热
量消耗掉。系统控制器4在信号调理电路7调理后的信号小于或者等于预定的阈值时，发送 控制信号控制泄放电路11的第一开关器件Kl断开，泄放电路11被切除，不参与工作。本发明实施例所述分流装置2可以为全控半导体器件串联吸收电阻的结构，也可 采用典型电力电子降压电路，半桥电路，以及各种类似电路。参见图3，该图为本发明所述分流装置第一实施例电路图。本发明第一实施例所述分流装置2具体可以包括相互串联的第五开关器件K5和 第五吸收电阻R5。第五开关器件K5可以为全控半导体器件。硬件触发电路3将信号调理电路7调理后的采样信号与两个基准值——上限基准值和下限基准值，进行比较。当调理后的采样信号高于上限基准值，触发分流装置2的第五 开关器件K5，对故障电流进行分流。当调理后的采样信号低于下限基准值，关断分流装置2 的第五开关器件K5。参见图4，该图为本发明所述分流装置第二实施例电路图。本发明第二实施例所述分流装置包括相互串联的第二开关器件K2、第一电感Ll 以及第二吸收电阻R2。在所述第二吸收电阻R2两端并联第一电容Cl ；在所述第一电感Ll和所述第二吸 收电阻R2的两端并联二极管D。第二开关器件K2由硬件触发电路3直接控制。硬件触发电路3将信号调理电路7调理后的采样信号与两个基准值——上限基准 值和下限基准值进行比较。当调理后的采样信号高于上限基准值，触发分流装置2的第二 开关器件K2，对故障电流进行分流。当调理后的采样信号低 于下限基准值，关断分流装置2 的第二开关器件K2。参见图5，该图为本发明所述分流装置第三实施例电路图。本发明第三实施例所述分流装置包括相互串联的第三开关器件K3、第二电感L2 以及第三吸收电阻R3。在所述第三吸收电阻R3两端并联第二电容C2 ；在所述第二电感L2和所述第三吸 收电阻R3的两端并联第四开关器件K4。所述第三开关器件K3由所述硬件触发电路3直接控制。所述第四开关器件K4根 据所述硬件触发电路3发送的信号取反后结果执行相应动作。即第三开关器件K3、第四开 关器件K4的驱动信号正好相反，不能同时开通或同时关断。硬件触发电路3将信号调理电路7调理后的采样信号与两个基准值——上限基准 值和下限基准值，进行比较。当调理后的采样信号高于上限基准值，触发分流装置2的第三 开关器件K3关闭，对故障电流进行分流。此时，第四开关器件K4的驱动信号为断开驱动信 号，第四开关器件K4断开。当调理后的采样信号低于下限基准值，关断分流装置2的第三开关器件K3。此时， 第四开关器件K4的驱动信号为关闭驱动信号，第四开关器件K4关闭。参见图6，该图为现有技术中没有设置Crowbar电路和分流装置模式对应的故障 电流分布图。当风电机没有保护电路时，即没有设置Crowbar电路和分流装置时，电网故障期 间，会导致转子8侧电流形成很大的故障电流。故障电流很大，且存在很大范围的震荡。参见图7，该图为仅使用Crowbar电路模式对应的衰减故障电流分布图。当风电机单独使用Crowbar (消弧泻放电路)1，电网故障电流超过软件设置的动 作阈值，系统控制器4将发出软件触发信号开通泻放电路11，泻放故障电流。当电网故障消 失，Crowbar切除时，系统会出现暂态震荡。参见图8，该图为仅使用分流装置模式的衰减故障电流示意图。当风电机单独使用分流装置4，故障电流超过硬件出发电流的上限基准时，触发分 流装置，对故障电流进行分流，低于下限基准值，关断分流装置；分流装置逐个抑制故障电 流峰值
参见图9，该图为本发明实施例所述分流装置的硬件工作驱动逻辑图。本发明实施例所述分流装置2的切入与切除完全取决于故障电流信号与上下限 基准的比较结果。当故障电流信号高于上限，硬件触发信号为高电平；当故障电流信号低于 下限，硬件触发信号为低电平。由于本发明实施例所述分流装置2由硬件触发电路3的硬件触发信号直接控制， 省掉了软件处理时间，提高了故障时的反应时间。本发明实施例所述风电机保护系统，使用硬件装置——分流装置2，可以有效抑制 在Crowbar切除时的系统暂态震荡和冲击，避免出现Crowbar反复出发。
本发明实施例所述风电机保护系统，采用分流装置2与Crowbar相结合的方式，对 变流器5提供了双重保护。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种风电机保护系统，其特征在于，所述系统包括消弧泻放电路(1)，与风电机的变流器(5)相连；分流装置(2)，与所述消弧泻放电路(1)并联；传感器(6)，设置在风电机转子(8)侧，与所述变流器(5)相连，用于对风电机进行采样；信号调理电路(7)，用于对所述传感器(6)采样的信号进行调理，调理后的信号发送至硬件触发电路(3)和系统控制器(4)；所述硬件触发电路(3)，接收所述信号调理电路(7)调理后的信号，将调理后的信号与预定的上限、下限基准值进行比较，根据比较结果直接控制所述分流装置(2)；所述系统控制器(4)，接收所述信号调理电路(7)调理后的信号，当接收信号超过预定的阈值时，发送触发信号控制所述消弧泻放电路(1)泻放故障电流。
2.根据权利要求1所述的风电机保护系统，其特征在于，所述上限基准值小于所述阈值。
3.根据权利要求1所述的风电机保护系统，其特征在于，所述上限、下限基准值之间的 差值小于所述阈值的20%。
4.根据权利要求1所述的风电机保护系统，其特征在于，所述消弧泻放电路(1)包括三 相不控整流桥(12)，以及与所述三相不控整流桥(12)并联的泻放电路(11)；所述泻放电路(11)包括相互串联的第一开关器件(K1)和第一吸收电阻(R1)。
5.根据权利要求4所述的风电机保护系统，其特征在于，所述第一开关器件(K1)为全 控半导体器件或半控半导体器件或继电器。
6.根据权利要求1所述的风电机保护系统，其特征在于，所述分流装置(2)为全控半导 体器件串联吸收电阻的结构；或电力电子降压电路；或板桥电路。
7.根据权利要求1所述的风电机保护系统，其特征在于，所述分流装置(2)包括相互串 联的第五开关器件(K5)和第五吸收电阻(R5)。
8.根据权利要求1所述的风电机保护系统，其特征在于，所述分流装置(2)包括相互串 联的第二开关器件(K2)、第一电感(L1)以及第二吸收电阻(R2)；在所述第二吸收电阻(R2)两端并联第一电容(C1)；在所述第一电感(L1)和所述第二 吸收电阻(R2)的两端并联二极管(D)。
9.根据权利要求1所述的风电机保护系统，其特征在于，所述分流装置(2)包括相互串 联的第三开关器件(K3)、第二电感(L2)以及第三吸收电阻(R3)；在所述第三吸收电阻(R3)两端并联第二电容(C2)；在所述第二电感(L2)和所述第三 吸收电阻(R3)的两端并联第四开关器件(K4)。
10.根据权利要求9所述的风电机保护系统，其特征在于，所述第三开关器件(K3)由所 述硬件触发电路(3)直接控制；所述第四开关器件(K4)根据所述硬件触发电路(3)发送的 信号取反后结果执行相应动作。
11.根据权利要求1所述的风电机保护系统，其特征在于，所述硬件触发电路(3)包括 逻辑比较单元、驱动脉冲发生单元、隔离与信号放大单元。逻辑比较单元，用于将所述信号调理电路(7)调理后的信号与预定的上限、下限基准 值进行比较；当调理后的信号高于所述上限基准值，控制所述驱动脉冲发生单元产生触发驱动脉 冲，通过所述隔离与信号放大单元处理后，触发所述分流装置(2)；当调理后的信号低于下限基准值，控制所述驱动脉冲发生单元产生关断驱动脉冲，通 过所述隔离与信号放大单元处理后，关断所述分流装置(2)。
全文摘要
一种风电机保护系统，包括消弧泻放电路，与风电机的变流器相连；分流装置，与所述消弧泻放电路并联；传感器，设置在风电机转子侧，与所述变流器相连，用于对风电机进行采样；信号调理电路，用于对所述传感器采样的信号进行调理，调理后的信号发送硬件触发电路和系统控制器；所述硬件触发电路，接收所述信号整理电路调理后的信号，将调理后的信号与预定的上限、下限基准值进行比较，根据比较结果直接控制所述分流装置；所述系统控制器，接收所述信号整理电路调理后的信号，当调整后的信号超过预定的阈值时，发送触发信号控制消弧泄放电路泄放故障电流。
文档编号H02H7/12GK101834429SQ20101018470
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月20日 优先权日2010年5月20日
发明者任晓峰, 廖文建, 曾赣生, 赵凤俭 申请人:三一电气有限责任公司