一种变流系统及容错控制方法与流程

1.本技术涉及风力发电技术领域，具体涉及一种变流系统及容错控制方法。


背景技术：

2.随着新能源发电的不断发展，目前发电系统的功率密度越来越高，一般发电并网系统包括的电路器件越来越多，由于电压等级较高，有些电路器件在工作过程中容易出现损坏，引起停机，即停止并网发电或者停止为负载供电，这样将浪费电能，导致整个系统宕机，发电量利用率不高。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术实施例提供一种变流系统及容错控制方法，能够在电路器件故障时，其他正常的继续正常工作，从而减少发电量的损失。
4.本技术提供一种变流系统，每相包括：级联式dcac变换器；
5.级联式dcac变换器包括：n个dcac电路和至少一个dcdc电路；dcdc电路为隔离式dcdc电路，至少一个dcdc电路包括n个输出端，n个dcac电路的输入端分别与n个输出端一一对应连接；
6.n为大于等于2的整数；每相n个dcac电路的输出端串联在一起；
7.每个dcdc电路中串联第一开关管，每个dcdc电路的输入端并联泄能电路；每个dcac电路的输出端并联保护开关；
8.当级联式dcac变换器故障时，第一开关管断开，泄能电路泄放dcdc电路直流侧的能量，保护开关闭合以旁路对应的dcac电路。
9.优选地，泄能电路包括串联的第二开关管和电阻；
10.第二开关管的第一端连接dcdc电路的正输入端，第二开关管的第二端通过电阻连接dcdc电路的负输入端。
11.优选地，第一开关管和第二开关管封装在一起，且第一开关管和第二开关管均包括反并联二极管；双馈式变流器正常工作时，第一开关管导通，第二开关管断开。
12.优选地，还包括：控制器；
13.控制器，用于控制第一开关管、第二开关管和保护开关的开关状态；在保护开关闭合后，控制变流系统的最大输出功率为[(1-x/n)pu.]，其中，x为闭合的保护开关的数量，pu.为变流系统的额定功率的标幺值。
[0014]
优选地，控制器，还用于在保护开关闭合后，控制dcdc电路的直流电压给定值为[n/(n-x)]pu.；其中，x为闭合的保护开关的数量，pu.为变流系统额定电压的标幺值。
[0015]
优选地，级联式dcac变换器中每个dcac电路包括以下任意一种：半桥子模块、全桥子模块或钳位双子模块。
[0016]
优选地，dcdc电路为隔离式dcdc电路。
[0017]
优选地，还包括：滤波电路；滤波电路连接在变流系统的输出端。
[0018]
优选地，变流系统为双馈式变流系统，还包括：acdc电路、变压器、主并网开关、定子并网断路器和定子短接断路器；
[0019]
acdc电路用于连接发电机的转子，级联式dcac变换器的输出端用于连接电网；
[0020]
发电机的定子通过定子并网断路器连接变压器的第一绕组；
[0021]
变压器的第二绕组通过主并网开关连接电网；
[0022]
发电机的定子通过定子短接断路器短接定子绕组。
[0023]
优选地，dcdc电路的输入端用于连接对应的光伏阵列。
[0024]
本技术还提供一种变流系统的容错控制方法，变流系统包括：级联式dcac变换器；每相级联式dcac变换器包括：n个dcac电路和至少一个dcdc电路；dcdc电路为隔离式dcdc电路，至少一个dcdc电路包括n个输出端，n个dcac电路的输入端分别与n个输出端一一对应连接，每相的n个dcac电路的输出端串联在一起；n为大于等于2的整数；每个dcdc电路中串联第一开关管，每个dcdc电路的输入端并联泄能电路；每个dcac电路的输出端并联保护开关；
[0025]
该方法包括：
[0026]
当级联式dcac变换器故障时，控制第一开关管断开，控制泄能电路泄放dcdc电路直流侧的能量；
[0027]
控制保护开关闭合，以旁路对应的dcac电路。
[0028]
优选地，还包括：在保护开关闭合后，控制变流系统的最大输出功率为[(1-x/n)pu.]，其中，x为闭合的保护开关的数量，pu.为变流系统的额定功率的标幺值。
[0029]
优选地，还包括：在保护开关闭合后，控制dcdc电路的直流电压给定值为[n/(n-x)]pu.；其中，x为闭合的保护开关的数量，pu.为变流系统额定电压的标幺值。
[0030]
由此可见，本技术实施例具有如下有益效果：
[0031]
本技术提供的变流系统，包括：级联式dcac变换器；级联式dcac变换器包括：n个dcac电路和和至少一个dcdc电路；每相n个dcac电路的输出端串联在一起；由于在每个dcdc电路的输入端串联第一开关管，当该路故障时，可以控制第一开关管断开，从而断开该路dcdc电路与直流电源的连接。另外，每个dcdc电路的输入端还并联有泄能电路，当该路故障时，控制泄能电路导通，泄放电能，防止dcdc电路直流侧端电容上的能量传输到交流侧。另外，在每个dcac电路的输出端还并联有保护开关，该路故障时，控制保护开关导通，从交流侧旁路掉该路dcac电路，从而保证故障的支路不影响其他正常支路的正常运行，从而避免损失太大的发电量。
附图说明
[0032]
图1为本技术实施例提供的一种双馈式变流系统的示意图；
[0033]
图2为本技术实施例提供的一种变流系统的示意图；
[0034]
图3为本技术实施例提供的应用于风电中的一种变流系统的示意图；
[0035]
图4为本技术实施例提供的一种变流系统的电路图；
[0036]
图5为图4中一路dcdc电路和一路dcac电路的电路图；
[0037]
图6为本技术实施例提供的变流系统的容错控制方法的流程图。
具体实施方式
[0038]
为了使本领域技术人员更好地理解本技术提供的技术方案，下面先介绍具体的应用场景。
[0039]
本技术实施例提供的变流系统可以应用于风力发电场合，如风力发电机组；还可以应用于可调速抽水蓄能系统，或大容量传动系统的机组。下面以本技术提供的变流系统应用于风力发电场景为例进行介绍。
[0040]
由于现有技术中发电机的转子经过变流器后，需要再经过变压器连接电网，电网的高压经过变压器变低后与转子相连，因此，发电机一般为低压发电机。当发电机的电压较低时，电流较大，电流大时，对应的功耗便高。而且电流较大时，对于线缆的要求也较高，线缆的成本也较高。
[0041]
本技术为了降低功耗，节省成本，将变压器集成在变流器内部，而且发电机的转子与电网之间不再包括变压器，而是转子直接经过双馈式变流器连接电网，这样电网的电压较高，转子的电压也可以较高，因此，发电机可以采用中高压的发电机，当发电机的电压较高时，对应的电流便会下降。
[0042]
由于双馈式变流器直接连接电网，电网电压较高，因此，双馈式变流器的最后一级采用级联式的dcac电路，即多个dcac电路的输出端串联在一起连接高压电网。但是，在实际工程应用中，双馈式变流器中级联式的dcac电路结构复杂，如果某些元器件失效将会导致整个发电机组停机，进而影响整个电网。因此，级联式的变流系统必须具备在线故障冗余的控制能力，即容错能力，在有的元器件发生故障时，切除故障支路，其他正常支路能够继续正常运行，尽量降低发电量的损失。
[0043]
本技术实施例不具体限定该容错方式的应用场景，只要需要级联式的变换器均适用，例如级联式变流器的输入端可以连接光伏阵列，也可以连接acdc电路，acdc电路的输入端连接风力发电机的转子。
[0044]
为了便于理解，下面以风力发电机组为例介绍应用场景。
[0045]
变流系统实施例
[0046]
参见图1，该图为本技术实施例提供的一种变流系统的示意图。
[0047]
本技术实施例提供的变流系统，包括：双馈式变流器1000和变压器t；
[0048]
双馈式变流器1000的直流侧用于连接发电机的转子，双馈式变流器1000的交流侧用于连接电网；
[0049]
双馈式变流器1000包括acdc电路c1和级联式dcac变换器；
[0050]
变压器t的第一绕组用于连接发电机的定子，变压器t的第二绕组用于连接电网；
[0051]
级联式dcac变换器包括：n个dcdc电路c2和n个dcac电路c3；n个dcdc电路c2和n个dcac电路c3一一对应；n为大于等于2的整数；n个dcdc电路c2中每个dcdc电路的输入端连接acdc电路的输出端，n个dcdc电路c2中每个dcdc电路的输出端连接对应的dcac电路的输入端，n个dcac电路c3的输出端串联在一起；
[0052]
应该理解，n的具体取值可以根据电网电压等级来决定，采用n个dcac电路的输出端串联是为了降低每个dcac电路中开关管承受的电压应力。
[0053]
另外，双馈式变流器中还可以包括滤波电路lpf，滤波电路连接在n个dcac电路c3的输出端，即n个dcac电路c3通过滤波电路lpf连接电网。
[0054]
本技术实施例提供的双馈式变换器还包括：主并网开关qm1、定子并网断路器qs1和定子短接断路器qs2；
[0055]
发电机的定子通过定子并网断路器qs1连接变压器t的第一绕组；
[0056]
变压器t的第二绕组通过主并网开关qm1连接电网；
[0057]
发电机的定子通过定子短接断路器qs2短接定子绕组。
[0058]
其中，qs1和qs2不能同时闭合，可以同时断开。
[0059]
以上仅是以变流器应用于风力发电机组为例进行的介绍，另外，本技术实施例提供的变流器还可以不为双馈式变流器，即为普通的变流器，可以应用于其他场景，只要包括n个dcdc电路和n个dcac电路即可，本技术提供的容错方案均适用。例如，当电网电压为10kv，n为12，即需要12个h桥的输出端串联在一起。
[0060]
参见图2，该图为本技术实施例提供的一种变流系统的示意图。
[0061]
本实施例提供的变流系统，包括：级联式dcac变换器；每相级联式dcac变换器的输入端可以直接连接光伏阵列，即实现光伏并网发电，也可以连接前一级的acdc电路，应用于风力发电场合，如图3所示；下面以风力发电场景为例进行介绍。
[0062]
acdc电路c1的第一端用于连接交流电源，acdc电路c1的第二端连接级联式dcac变换器的输入端，级联式dcac变换器的输出端连接电网，每相级联式dcac变换器包括多个dcdc电路和多个dcac电路，即n个dcdc电路c2和n个dcac电路c3，n为大于等于2的整数，且多个dcdc电路和多个dcac电路一一对应，每个dcdc电路的输出端连接对应的dcac电路的输入端，其中，多个dcdc电路的输入端并联，多个dcac电路的输出端串联在一起。
[0063]
如果对应三相电源，则每相都包括图2所示的架构。为了方便理解和介绍，下面仅介绍一相的架构。下面结合图4和图5进行介绍。
[0064]
参见图4，该图为本技术实施例提供的一种变流系统的电路图。
[0065]
参见图5，该图为图4中一路dcdc电路和一路dcac电路的电路图。
[0066]
图5仅是示意了图4中一个dcdc电路对应一个dcac电路的连接方式。
[0067]
图4中的n个dcdc电路分别为dcdc1-dcdcn，n个dcac电路对应n个h桥，分别为h1-hn。
[0068]
其中，dcdc1-dcdcn的正输入端dc+和负输入端dc-分别连接acdc电路的正输出端和负输出端，即dcdc1-dcdcn的输入端并联在一起。
[0069]
每个dcdc电路的输入端连接有电容c1，dcdc电路为隔离式dcdc，即包括变压器ts，变压器ts的原边绕组通过电容c2和电感l连接全桥电路，其中变压器ts的原边绕组、电容c2和电感l可以形成llc谐振电路，原边连接的全桥电路包括可控开关管。变压器ts的副边绕组连接全桥电路，副边的全桥电路包括二极管。
[0070]
本技术实施例不具体限定dcac电路的实现形式，只要将直流转换为交流即可，例如可以包括以下任意一个电路形式：半桥子模块(half bridge sub-module，hbsm)、全桥子模块(full bridge sub-module，fbsm)和钳位双子模块(clamp double sub-module，cdsm)。图4中的dcac电路为全桥子模块为例进行介绍。
[0071]
从图4中可以看出，h1的正输出端通过滤波电感连接电网，h1的负输出端连接h2的正输出端，h2的负输出端连接下一级dcac电路的正输出端，以此类推，直至连接hn的正输出端，hn的负输出端连接中性线n。即实现发电机输出的电能输送到电网，实现并网发电。
[0072]
每个dcdc电路中串联第一开关管t1，每个dcdc电路的输入端并联泄能电路；本技术不具体限定第一开关管t1的具体连接位置，只要串联在dcdc电路中即可，如图所示，一种具体实现方式在dcdc1的输入端串联第一开关管t1，且输入端并联泄能电路101；一种可能的实现方式，泄能电路包括串联的第二开关管t2和电阻r；同理，dcdc2的输入端串联第一开关管，且输入端并联泄能电路102；直至dcdcn的输入端串联第一开关管，且输入端并联泄能电路10n；每个dcac电路的输出端并联保护开关，即h1的正输出端和负输出端之间连接保护开关qs1，h2的正输出端和负输出端之间连接保护开关qs2，hn的正输出端和负输出端之间连接保护开关qsn。
[0073]
当级联式dcac变换器故障时，第一开关管断开，泄能电路泄放dcdc电路直流侧的能量，保护开关闭合以旁路对应的dcac电路。
[0074]
其中故障可以为级联式dcac变换器中的任何器件故障，则立即执行该路级联式dcac变换器封波，控制该路的保护开关导通，将该路的dcac电路旁路，同时控制泄能电路进行保护动作。
[0075]
第二开关管t2的第一端连接dcdc电路的正输入端dc+，第二开关管的第二端通过电阻连接dcdc电路的负输入端dc-。即，当变流器发生故障时，需要控制第一开关管t1断开，即断开变流器与前端直流电源的连接，同时控制第二开关管t2导通，当t2导通后，直流电容c上的能量可以通过t2和电阻r泄放掉，即电阻r消耗能量，避免直流侧的能量传输到交流侧。
[0076]
结合图4可以看出，由于每个dcac电路的输出端并联有保护开关，因此，当一路dcac发生故障时，可以将保护开关闭合，从而将该路dcac电路旁路，其他dcac电路可以继续正常工作。其中dcac电路故障可以为隔离式dcdc电路故障，也可以为dcac电路的h桥故障。
[0077]
例如，第二路dcac电路故障，则控制qs2闭合，从而将第二路dcac电路旁路，即h1的负输出端直接连接第三路dcac电路中h桥的正输出端，不影响其他路dcac电路的正常工作。
[0078]
应该理解，为了更好地对电路进行保护，实际工作中，可以控制第一开关管和第二开关管先动作，保护开关后动作。
[0079]
本技术实施例不具体限定级联式dcac变换器包括的dcdc电路的数量，例如dcdc电路的数量可以与dcac电路的数量相同，也可以dcdc电路的数量小于dcac电路的数量，本技术实施例中以dcdc电路的数量与dcac电路的数量相同为例进行介绍。另外，dcdc电路的数量小于dcac电路的数量时，但是dcdc电路的输出端的数量与dcac电路的数量相同。例如级联式dcac变换器包括n个dcac电路，但是仅包括一个dcdc电路时，只要dcdc电路的容量足够大，可以对应n个dcac电路的数量即可。例如dcdc电路的数量为一个，其中变压器的原边为一个，副边为n个，每个dcac电路的输入端分别对应一个副边。
[0080]
本技术实施例提供的变流系统，由于在每个dcdc电路的输入端串联第一开关管，当该路故障时，可以控制第一开关管断开，从而断开该路dcdc电路与直流电源的连接。另外，每个dcdc电路的输入端还并联有泄能电路，当该路故障时，控制泄能电路导通，泄放电能，防止dcdc电路直流侧电容上的能量传输到交流侧。另外，在每个dcac电路的输出端还并联有保护开关，该路故障时，控制保护开关导通，从交流侧旁路掉该路dcac电路，从而保证故障的支路不影响其他正常支路的正常运行，从而避免损失太大的发电量。
[0081]
一种具体的实现方式，为了方便电路设置，第一开关管t1和第二开关管t2可以封
装在一起即封装在一个开关模块或开关芯片中，且第一开关管t1和第二开关管t2均包括反并联二极管；可以理解，反并联二极管的作用为提供反向的续流路径。反并联二极管一般与开关管封装在一起。
[0082]
变流器正常工作时，第一开关管t1导通，第二开关管t2断开，即泄能电路在变流器正常工作时，不接入电路，不影响其他电路的正常工作，第一开关管t1一直导通，不影响直流电源的路径。
[0083]
本技术实施例不具体限定第一开关管和第二开关管以及保护开关的具体类型，例如，可控开关管的类型可以为以下任意一种：继电器、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)或金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor filed effect transistor，mosfet，以下简称mos管)、sic mosfet(silicon carbide metal oxide semiconductorfiled effect transistor，碳化硅场效应管)等。当开关管为mos管时，具体可以为pmos管或nmos管，本技术实施例对此不作具体限定。保护开关还可以为双向晶闸管等。应该理解，可控开关管的动作可以由控制器向栅极发送驱动信号来控制其开关状态。
[0084]
即本技术实施例提供的变换器，还包括：控制器(图中未示出)；
[0085]
下面介绍当有的支路出现故障时，控制器对于变流系统的功率和电压的控制方式。由于存在故障支路，因此，保护开关将故障支路对应的h桥旁路后，整个系统的输出功率降低。
[0086]
控制器，用于控制第一开关管、第二开关管和保护开关的开关状态；在保护开关闭合后，控制变流系统的最大输出功率为[(1-x/n)pu.]，其中，x为闭合的所述保护开关的数量，pu.为变流系统的额定功率的标幺值。应该理解，x的具体取值决定于出现故障的支路数，为大于等于1的整数。
[0087]
下面介绍电压的控制方式，控制器，还用于在保护开关闭合后，控制dcdc电路的直流电压给定值为[n/(n-x)]pu.；其中，x为闭合的所述保护开关的数量，pu.为变流系统额定电压的标幺值。由于电网电压没变，因此，当旁路掉故障支路以后，剩余的正常支路需要输出的电压升高。
[0088]
本实施例中以级联式dcac变换器中每个dcac电路为全桥dcac电路为例进行介绍。全桥dcac电路即h桥dcac，每个h桥的驱动信号对应一个移相载波。
[0089]
控制器，还用于在保护开关闭合后，控制全桥dcac电路的移相载波数量由n降为n-x。例如，当故障一路时，则故障的h桥少了一个，因此，少一个h桥的载波即可。
[0090]
本技术实施例提供的变流系统中的dcdc电路采用隔离式dcdc电路，即dcdc电路中包括变压器，从而实现电气隔离，防止共模高压对于发电机绝缘的影响。
[0091]
方法实施例
[0092]
基于以上实施例提供的一种变流系统，本技术还提供一种变流系统的容错控制方法，下面结合附图进行详细介绍。
[0093]
参见图6，该图为本技术实施例提供的变流系统的容错控制方法的流程图。
[0094]
本实施例提供的变流系统的容错控制方法，变流系统包括：级联式dcac变换器；每相级联式dcac变换器包括：n个dcac电路和至少一个dcdc电路；所述dcdc电路为隔离式dcdc电路，所述至少一个dcdc电路包括n个输出端，所述n个dcac电路的输入端分别与所述n个输
出端一一对应连接，每相的所述n个dcac电路的输出端串联在一起；n为大于等于2的整数；每个dcdc电路中串联第一开关管，每个dcdc电路的输入端并联泄能电路；每个dcac电路的输出端并联保护开关；
[0095]
该方法包括：
[0096]
s601：当级联式dcac变换器故障时，控制第一开关管断开，控制泄能电路泄放dcdc电路直流侧的能量；
[0097]
s601：控制保护开关闭合，以旁路对应的dcac电路。
[0098]
应该理解，s601和s601没有先后顺序，当级联式dcac变换器故障时，可以控制第一开关管断开，控制泄能电路中的第二开关管导通，同时控制保护开关闭合。
[0099]
本技术实施例提供的变流系统的容错控制方法，由于在每个dcdc电路的输入端串联第一开关管，当该路故障时，可以控制第一开关管断开，从而断开该路dcdc电路与直流电源的连接。另外，每个dcdc电路的输入端还并联有泄能电路，当该路故障时，控制泄能电路导通，泄放电能，防止dcdc电路直流侧电容上的能量传输到交流侧。另外，在每个dcac电路的输出端还并联有保护开关，该路故障时，控制保护开关导通，从交流侧旁路掉该路dcac电路，从而保证故障的支路不影响其他正常支路的正常运行，从而避免损失太大的发电量。
[0100]
另外，本技术实施例提供的方法，还包括：在保护开关闭合后，控制变流系统的最大输出功率为[(1-x/n)pu.]，其中，x为闭合的所述保护开关的数量，pu.为变流系统的额定功率的标幺值。应该理解，x的具体取值决定于出现故障的支路数，为大于等于1的整数。
[0101]
下面介绍电压的控制方式，该方法还包括：在保护开关闭合后，控制dcdc电路的直流电压给定值为[n/(n-x)]pu.；其中，x为闭合的所述保护开关的数量，pu.为变流系统额定电压的标幺值。由于电网电压没变，因此，当旁路掉故障支路以后，剩余的正常支路需要输出的电压升高。
[0102]
本实施例中以级联式dcac变换器中每个dcac电路为全桥dcac电路为例进行介绍。全桥dcac电路即h桥dcac，每个h桥的驱动信号对应一个移相载波。即该方法还包括在保护开关闭合后，控制全桥dcac电路的移相载波数量由n降为n-x。例如，当故障一路时，则故障的h桥少了一个，因此，少一个h桥的载波即可。
[0103]
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技术。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技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术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。