专利名称：风电变流器用直流侧保护装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种直流侧保护装置，特别是涉及一种用于双馈型风力发电系统或风力发电系统的全容量变流器的风电变流器用直流侧保护装置。
背景技术：
风力发电系统中，无论是在双馈型感应电机发电系统(DFIG)，还是直驱(低速)电机、中速电机或高速电机发电系统中，变流器是其核心的关键部件，而变流器可靠的保护措施是系统安全运行的必要保证。如果电网出现故障，风力发电系统中网侧变流器的输出功率必然会受到限制，发电机侧的变流器依然发出功率，能量在两变流器间的直流侧积累会造成直流侧电压升高， 这样会损坏直流侧电容和功率器件，严重时会造成电容或功率器件因过压而爆破。在变流器的直流侧添加保护装置是保证风电用变流器安全可靠运行必须考虑的保护措施。在直流侧增加保护装置，当电网故障，直流侧能量积累造成直流侧电压升高时投入保护装置的卸载负载，消耗直流侧多余的能量，则可以保持电压稳定。对于变速风力发电机系统而言，双馈型感应发电机(DFIG)系统，由于变流器仅控制总电能的一小部分(20% 30%)即转差功率，变流器的造价相应降低，因此目前DFIG系统是一种风电装机容量比较多的主要风力发电机结构。本专利设计的风电变流器用直流侧保护装置主要针对DFIG风力发电系统，对于全容量风力发电用变频器(应用于低速-直驱电机、中速电机或高速电机发电系统中)也实用，对全容量变频器仅需要依据本专利设计，考虑使用大功率的卸荷负载电阻和功率器件的散热即可。一般而言常规的直流保护装置采用如下几种形式如图1所示，采用功率器件与电阻串联。该方式结构简单，是常采用的电路形式， 但系统集成度不高，功率器件的触发需要其他电路给出控制信号。如图2所示，采用Buck电路和卸荷负载电阻构成的保护电路。直流侧能量积累造成直流侧电压升高时投入卸载负载装置，卸荷负载电阻消耗掉直流侧多余的能量，ESS为能量存储设备。能量交换使用双向流动的DC/DC变换器与直流侧连接，随着DFIG实际转速的变化，既可以发送有功功率，又可以在必要条件下吸收有功功率，故障时可以把多余的能量存储在ESS中。采用这种保护电路虽然可以发送和吸收一定的有功功率，但必须增加转子侧变流器的容量，会在一定程度上加大转子侧变流器的设计难度，因此增加了成本。
发明内容本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种集成度高，配置灵活，性价比高的风电变流器用直流侧保护装置。本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是一种风电变流器用直流侧保护装置，包括有两端分别连接在双馈型风力发电系统直流母线正负极上的直流侧支撑电容，还设置有绝缘栅双极型晶体管、吸收电容、二极管和卸荷负载电阻，其中， 所述的绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极连接二极管的正极，所述的二极管的另一端负极连接直流侧支撑电容的正极端，绝缘栅双极型晶体管的发射极连接直流侧支撑电容的负极端，所述的绝缘栅双极型晶体管的集电极与发射极之间连接吸收电容，所述的卸荷负载电阻与二极管并联连接，所述的绝缘栅双极型晶体管的栅极连接绝缘栅双极型晶体管驱动电路，所述的绝缘栅双极型晶体管驱动电路与直流侧保护装置控制单元相连接。所述的控制单元包括有中央处理器，分别与中央处理器相连接的接口电路、直流电压信号处理电路、第一光纤信号接口、第二光纤接口以及控制电源，所述的第一光纤信号接口分别连接直流电压检测电路和绝缘栅双极型晶体管驱动电路，所述的第二光纤接口连接变流器的主控制器，所述的接口电路连接变流器主控制器，用于接收复位信号和发送直流电压反馈信号，所述的直流电压检测电路连接直流侧支撑电容的正、负极端，所述的绝缘栅双极型晶体管驱动电路连接绝缘栅双极型晶体管的栅极。所述的绝缘栅双极型晶体管的触发和该风电变流器用直流侧保护装置的使能信号和状态反馈信号均采用光纤传输。所述的吸收电容选用薄膜电容。所述的卸荷负载电阻采用圆形板式电阻。所述的绝缘栅双极型晶体管和二极管直接固定在采用阻燃性材料的绝缘板上。直流侧支撑电容的均压电阻采用电容器均压用电阻板。本实用新型具有的优点和积极效果是本实用新型的风电变流器用直流侧保护装置，集成了直流支撑电容、卸荷负载电阻、功率器件IGBT及相应的吸收电路。本实用新型应用到风电用变流器，无论是双馈型风力发电系统(DFIG)还是全容量变流器，当电网出现故障电压跌落时，发电机过电流，电网侧变流器输出功率受到限制，能量在直流侧积累会造成直流侧电压升高，该装置可以消耗直流多余的能量，保持电压的稳定，保护变流器。如果应用在双馈型风力发电系统(DFIG)中，同转子保护装置(转子Crowbar)配合使用不仅可以实现直流侧卸荷负载功能，而且可以对实现对转子侧保护装置进行优化，降低转子侧旁路电阻的动作次数，提高系统保护动作的平滑性。如果重新优化和配置相应的参数也可以应用到通用变频器的直流侧保护装置。所以，本实用新型集成度高，配置灵活，性价比高，具有大规模工业产品应用的实际意义。
图1是现有的采用功率器件与电阻串联的直流保护装置；图2是现有的采用Buck电路和卸荷负载电阻构成的直流保护装置；图3是本实用新型的系统集成式直流侧保护装置电路原理图；图4是系统集成式直流侧保护装置控制原理框图；图5是本实用新型的风电变流器用直流侧保护装置的结构示意图；图6是当直流侧电压有所升高，升至928V时IGBT重新导通的波形图；图7是当直流侧电压降低至764V时IGBT关断的波形图[0028]图8是IGBT导通，卸荷负载电阻通过电流最大为2422A时的波形图。图中的标号分别是1 一电压传感器；2—直流母排；3—第一电容器；4一电容器均压用电阻板；5—第二电容器；6—防护罩；7—吸收电容；8—绝缘栅双极型晶体管驱动电路；9一绝缘栅双极型晶体管；10—二极管；11 一直流侧保护装置控制单元；12—绝缘板；13—接线端子(直流母线正极、卸荷负载R) ； 14—接线端子(直流母线负极)；15—接线端子(接卸荷负载R)。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明本实用新型的风电变流器用直流侧保护装置如下如图3所示，本实用新型的风电变流器用直流侧保护装置，包括有两端分别连接在双馈型风力发电系统直流母线正负极上的直流侧支撑电容CR，如图5所示，所述的直流侧支撑电容CR是由第一电容器3和第二电容器5，以及分别与第一电容器3和第二电容器 5对应相连的电容器均压用电阻板4构成，即直流侧支撑电容CR的均压电阻采用电容器均压用电阻板4。还设置有绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 9、吸收电容7、二极管10和卸荷负载电阻 R，其中，所述的绝缘栅双极型晶体管9的集电极C连接二极管10的正极，所述的二极管10 的另一端负极连接直流侧支撑电容CR的正极端，绝缘栅双极型晶体管9的发射极E连接直流侧支撑电容CR的负极端，所述的绝缘栅双极型晶体管IGBT9的集电极C与发射极E之间连接吸收电容7，所述的卸荷负载电阻R与二极管10并联连接，所述的绝缘栅双极型晶体管 IGBT9的栅极G连接绝缘栅双极型晶体管驱动电路8，所述的绝缘栅双极型晶体管驱动电路 8与直流侧保护装置控制单元11相连接。如图4所示，所述的直流侧保护装置控制单元包括有所述的控制单元包括有中央处理器111，分别与中央处理器111相连接的接口电路112、直流电压信号处理电路113、 第一光纤信号接口 114、第二光纤接口 115以及控制电源117，所述的第一光纤信号接口 114 分别连接直流电压检测电路116和绝缘栅双极型晶体管驱动电路8，所述的第二光纤接口 115连接变流器的主控制器，所述的接口电路112接收复位信号和发送直流电压反馈信号， 所述的直流电压检测电路116连接直流侧支撑电容CR正、负极端，所述的绝缘栅双极型晶体管驱动电路8连接绝缘栅双极型晶体管9的栅极G。绝缘栅双极型晶体管9的触发和该风电变流器用直流侧保护装置的使能信号和状态反馈信号均采用光纤传输。本实用新型的风电变流器用直流侧保护装置的基本原理变流器的主控制器依据发电机和电网的运行状态给出允许直流侧保护装置激活的许可信号；电压传感器1检测直流母线电压；直流侧保护装置控制单元11依据电压传感器1检测的电压发出可控功率器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 9的控制信号；绝缘栅双极型晶体管驱动电路8接收直流侧保护装置控制单元11的控制信号控制功率器件IGBT的导通和关断，控制卸荷负载电阻(接线端子13和接线端子15连接外部的卸荷负载电阻)的投入和退出；直流侧保护装置控制单元11反馈系统的状态信号，为了充分考虑系统的安全可靠，绝缘栅双极型晶体管9的触发和该风电变流器用直流侧保护装置的使能信号和状态反馈信号均采用光纤传输。本实用新型的风电变流器用直流侧保护装置，集成了直流侧支撑电容3(附加电容器均压用电阻板4)、直流电压检测电路116、绝缘栅双极型晶体管驱动电路8、IGBT吸收电容7以及直流侧保护装置的控制电路11。外部只需给出使能信号，本实用新型即可以通过自动检测直流母线电压，控制IGBT的导通和关断，实现对系统的保护，并且可以实时地反馈直流母线电压、卸荷负载电阻R通过的电流等关键信号。该装置的卸荷负载电阻R采用圆形板式电阻，要求在额定的负荷为下，电阻表面温升不得超过200°C，但施加10倍的额定功率，时间k，要求电阻器应无飞狐、燃烧或焦化现象，Δ R彡士(0. 5%R)；绝缘板12采用机械强度高且阻燃性材料；IGBT 9功率器件及二极管10，不需要考虑散热，直接安装固定在绝缘板12上；IGBT的吸收电路采用电容吸收，吸收电容7选用低感、高压薄膜电容，如容量0. 68uF，耐压2500VDC。针对于国内现在已经大批量装机并且并网的1.5丽双馈感应电机式风力发电系统，卸荷负载电阻的阻值选择为0. 37欧姆，功率1. 2kff, IGBT为双管800A、1700V。当直流电压为1150V时，激活该直流侧保护装置，IGBT导通，卸荷负载通过电流最大为M22A，如图8 所示；当直流侧电压降低至764V时IGBT关断，如图7所示；IGBT关断，因二极管续流等原因直流侧电压有所升高，升至928V时IGBT重新导通，如图6所示。针对直流侧能量积累情况，IGBT会有多次的开通和关断，不断地通过卸荷负载电阻消耗能量，直到直流侧电压稳定到安全值为止。
权利要求1.一种风电变流器用直流侧保护装置，包括有两端分别连接在双馈型风力发电系统直流母线正负极上的直流侧支撑电容(CR)，其特征是还设置有绝缘栅双极型晶体管(9)、吸收电容(7)、二极管(10)和卸荷负载电阻(R)，其中，所述的绝缘栅双极型晶体管IGBT (9) 的集电极(C)连接二极管(10)的正极，所述的二极管(10)的另一端负极连接直流侧支撑电容(CR)的正极端，绝缘栅双极型晶体管(9)的发射极(E)连接直流侧支撑电容(CR)的负极端，所述的绝缘栅双极型晶体管(9)的集电极(C)与发射极(E)之间连接吸收电容(7)， 所述的卸荷负载电阻(R)与二极管(10)并联连接，所述的绝缘栅双极型晶体管(9)的栅极 (G)连接绝缘栅双极型晶体管驱动电路(8)，所述的绝缘栅双极型晶体管驱动电路(8)与直流侧保护装置控制单元(11)相连接。
2.根据权利要求1所述的风电变流器用直流侧保护装置，其特征是所述的控制单元包括有中央处理器(111)，分别与中央处理器(111)相连接的接口电路(112)、直流电压信号处理电路(113)、第一光纤信号接口(114)、第二光纤接口(115)以及控制电源(117)，所述的第一光纤信号接口(114)分别连接直流电压检测电路(116)和绝缘栅双极型晶体管驱动电路(8)，所述的第二光纤接口(115)连接变流器的主控制器，所述的接口电路(112)连接变流器主控制器，用于接收复位信号和发送直流电压反馈信号，所述的直流电压检测电路(116)连接直流侧支撑电容(CR)的正、负极端，所述的绝缘栅双极型晶体管驱动电路(8) 连接绝缘栅双极型晶体管(9)的栅极(G)。
3.根据权利要求1所述的风电变流器用直流侧保护装置，其特征是所述的绝缘栅双极型晶体管(9)的触发和该风电变流器用直流侧保护装置的使能信号和状态反馈信号均采用光纤传输。
4.根据权利要求1所述的风电变流器用直流侧保护装置，其特征是所述的吸收电容 (7)选用薄膜电容。
5.根据权利要求1所述的风电变流器用直流侧保护装置，其特征是所述的卸荷负载电阻(R)采用圆形板式电阻。
6.根据权利要求1所述的风电变流器用直流侧保护装置，其特征是所述的绝缘栅双极型晶体管(9)和二极管(10)直接固定在采用阻燃性材料的绝缘板(12)上。
7.根据权利要求1所述的风电变流器用直流侧保护装置，其特征是直流侧支撑电容 (CR)的均压电阻采用电容器均压用电阻板(4)。
专利摘要一种风电变流器用直流侧保护装置，有两端分别连接在双馈型风力发电系统直流母线正负极上的直流侧支撑电容，还设置有绝缘栅双极型晶体管、吸收电容、二极管和卸荷负载电阻，绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极连接二极管的正极，二极管的另一端负极连接直流侧支撑电容的正极端，绝缘栅双极型晶体管的发射极连接直流侧支撑电容的负极端，绝缘栅双极型晶体管的集电极与发射极之间连接吸收电容，卸荷负载电阻与二极管并联连接，绝缘栅双极型晶体管的栅极连接绝缘栅双极型晶体管驱动电路，绝缘栅双极型晶体管驱动电路与直流侧保护装置控制单元相连接。本实用新型应用到风电用变流器，当电网出现故障电压跌落时，可以消耗直流多余的能量，保持电压的稳定，保护变流器。
文档编号H02H9/04GK201966601SQ201120002668
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月6日 优先权日2011年1月6日
发明者王超 申请人:艾迪尔斯(天津)能源科技有限公司