一种双馈式风电变流器Crowbar保护电路及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种双馈式风电变流器Crowbar保护电路及控制方法，双馈式风电变流器结构由转子侧变流器、中间直流环节以及网侧变流器构成。Crowbar保护电路的特征在于：三相双向可控硅依次连接组成三角形结构，对应的三个端点串接三相保护电阻后组成Crowbar保护电路，Crowbar保护电路的三相输出端与双馈电机变流器结构中的转子侧变流器三相交流输出端连接。本发明通过三角形结构中的可控硅与双馈电机转子侧变流器桥臂开关的配合控制，从而以低成本、高可靠性的半控型器件可控硅取代常规全控型器件实现了主动式Crowbar保护电路功能，降低了Crowbar保护电路的成本，提高了其可靠性，保证了双馈式风力发电机的低电压穿越功能的实现。
【专利说明】—种双馈式风电变流器Crowbar保护电路及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于风力发电领域,尤其是双馈式风电变流器Crowbar保护电路。
【背景技术】
[0002]双馈式风力发电机的定子绕组直接与电网连接，转子绕组通过变流器与电网连接，其变流器容量通常仅为机组额定容量的30%左右，使得双馈电机具备成本低的优势，所以被广泛应用于兆瓦级大功率风力发电机中，成为了目前风力发电机的主导机型。但同时这一特殊的变流拓扑结构也使得该机型对电网电压的扰动较为敏感，其低电压穿越运行也较为复杂。随着风电电网穿透率的提高，国家相关机构已经出台了标准和规范，要求风力发电机必须具备低电压穿越功能，这使得双馈式风电变流器的低电压穿越问题成为当前研究的热点问题。
[0003]现有的低电压穿越技术分为软件和附加硬件两种方法。目前提出的不增加额外硬件的软件控制方法很多，但是均无法达到实际应用的效果。而附加硬件的方法主要有转子回路附件硬件和定子回路附加硬件两类:转子回路附加硬件方法主要指在双馈电机转子侧配置Crowbar保护电路；定子回路附加硬件方法主要包括:串联电力电子开关、串联变流器以及增设无源阻抗网络等方法。
[0004]转子侧附加Crowbar保护电路的方法是当前较为成熟并商用的一种双馈式风电机组低电压穿越技术(Morren J, Sjoerd W H.Ride through of wind turbines withdoubly-fed induction generator during a voltage dip[J].1EEE Transacitons onEnergy Conversion, 2005, 20 (2):435-441 ;徐殿国，王伟，陈宁.基于撬棒保护的双馈电机风电场低电压穿越动态特性分析[J].中国电机工程学报，2010，20 (22):29-36;周维来，孙敬华，张哲等.一种双馈风电变流器Crowbar保护装置[P]，200910072960 ;张侃，朱玲，周青等.一种双馈风电变流器用Crowbar保护装置[P]，201120359510)。其中，被动式Crowbar保护电路是较早用于风电变流器在电网故障时自我保护的硬件设备，但这种自我保护方式无法实现低电压穿越。随着风电并网要求的提高，采用IGBT等全控器件构成的主动式Crowbar保护电路成为近年研究低电压穿越的技术方法之一。但电网故障下电机的高耐冲击电流使得IGBT等全控器件的设计困难、成本较高，而且撬棒动作期间，因DFIG处于不控状态而引发的无功功率问题、电磁转矩冲击问题等使其难以满足日趋苛刻的风电并网导则。
【发明内容】
[0005]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种成本低、结构简单、可靠性高的双馈式风电变流器Crowbar保护电路及控制方法，从而以半控型器件可控硅实现了常规以全控器件才能实现的主动式Crowbar保护电路功能。
[0006]本发明的目的可采用如下技术方案加以实现:
[0007]本发明提供了一种双馈式风电变流器Crowbar保护电路，双馈式风电变流器结构由转子侧变流器、中间直流环及网侧变流器构成，Crowbar保护电路由三相双向可控硅依次连接组成的三角形结构串接三相保护电阻构成，Crowbar保护电路的三相输出端与转子侧变流器三相交流输出端连接。
[0008]优选的，所述的三相双向可控硅部分中，每相为双向可控硅器件(TRIAC)；
[0009]优选的，所述的三相双向可控硅部分中，每相为为两个可控硅反并联组成；
[0010]所述三角形结构包括具有等效电气性能的其它电路结构。
[0011]本发明还提供了一种双馈式风电变流器Crowbar保护电路的控制方法，该方法能够以可控娃实现主动式Crowbar保护电路功能,具体步骤如下:
[0012]I)实时检测双馈电机转子三相电流iA、iB、ic ；
[0013]2)将检测到的上述转子三相电流与设定的保护值比较，如果大于设定的保护值，触发三角形结构中三相双向可控硅，从而将双馈电机转子绕组通过Crowbar保护电路构成回路，以旁路双馈电机转子的暂态电流；
[0014]3)在转子暂态电流衰减到设定的参考值后，通过检测到的iA、iB、i。判断电流所处的相应区域，区域1:1A > 0，iB≤0，ic < O ;区域II:iA≥0，iB > 0，ic < O ;区域III:iA< 0，iB > 0，ic ≤ 0 ;区域IV:iA < 0，iB ≥ 0，ic > 0 ;区域 V:iA ≤ 0，iB < 0，ic > 0 ;区域VI:iA > 0，iB < 0，ic ≥ 0 ;
[0015]4)通过判断电流所在的区域，将三相双向可控硅中的六个可控硅标号为①~⑥，可知不同区域相应导通的可控硅:区域I中②和⑤导通；区域II中④和⑤导通；区域III中①和④导通；区域IV中①和⑥导通；区域V中③和⑥导通；区域VI中②和③导通；
[0016]5)通过转子侧变流器中相应桥臂上的开关管动作，对处于导通状态的相应可控硅进行强迫关断，将转子侧变流器上的开关表示为Vl~V6，依据可控硅的关断机理，则当处于区域I时，通过开通V1、V4、V6便可强迫可控硅②和⑤关断；当处于区域II时，通过开通V1、V3、V6便可强迫可控硅④和⑤关断；当处于区域III时，通过开通V2、V3、V6便可强迫可控硅①和④关断；当处于区域IV时，通过开通V2、V3、V5便可强迫可控硅①和⑥关断；当处于区域V时，通过开通V2、V4、V5便可强迫可控硅③和⑥关断；当处于区域VI时，通过开通V1、V4、V5便可强迫可控硅②和③关断。
[0017]通过上述控制方法，以半控型器件双向可控硅实现了常规以全控型器件才能实现的主动式Crowbar保护电路功能。
[0018]本发明通过对传统Crowbar保护电路的改进，将三相可控硅组成三角形结构后串接三相保护电阻组成Crowbar保护电路，可利用转子侧变流器开关管动作对Crowbar保护电路中可控娃的强迫换流实施低成本、高可靠的主动式Crowbar功能,与已有技术相比,本发明的有益效果体现在:
[0019]1、本发明采用低成本、高可靠性的半控型电力电子器件可控硅实现了主动式Crowbar保护电路的功能；
[0020]2、本发明拓扑结构成本低、可靠性高、结构简单，可广泛应用于双馈式风力发电机的低电压穿越中。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明一种双馈式风电变流器Crowbar保护电路的结构示意图。[0022]图2为图1的局部放大图。
[0023]图3为本发明一种双馈式风电变流器Crowbar保护电路的控制方法中转子三相电流区域图。
[0024]图4为双馈电机在跌落深度为80%的对称电网故障下的Crowbar保护电路三相电流波形。
【具体实施方式】
[0025]参见图1、2，本实施例中，双馈式风电变流器结构采用由转子侧变流器、中间直流环节及网侧变流器构成，Crowbar保护电路由三相双向可控娃依次连接组成的三角形结构串接三相保护电阻构成，Crowbar保护电路的三相输出端与转子侧变流器三相交流输出端连接。
[0026]具体实施中，三相双向可控硅部分中，每相为双向可控硅器件(TRIAC)或者为两个可控硅反并联组成，三相保护电阻阻值不为零。
[0027]实现主动式Crowbar保护电路功能,具体步骤为:
[0028]I)利用电流互感器实时检测双馈电机转子三相电流iA、iB、ic。
[0029]2)将检测到的转子电流与设定的保护值比较，本实施例中保护值的设置以保证转子电流不损坏转子侧变流器为前提，取为额定电流值的2倍。
[0030]3)如果转子电流大于设定的保护值，通过发出触发信号，触发三角形结构中三相双向可控硅，从而将双馈电机转子绕组通过Crowbar保护电路构成回路，以旁路双馈电机转子的暂态电流，因为Crowbar保护电路中的保护电阻的存在，转子的暂态电流会很快衰减。
[0031]4)在转子暂态电流衰减到设定的参考值后，通过检测到的iA、iB、i。判断电流所处的相应区域，具体结果为:区域1:1A > 0，iB≥0，ic < O ;区域II:iA≥0，iB > 0，ic < O ;区域III:iA < 0，iB > 0，ic ≥ 0 ;区域IV:iA < 0，iB ≥ 0，ic > 0 ;区域 V:iA ≥ 0，iB < 0，ic
>0 ;区域VI:iA > 0，iB < 0，ic≥0。具体情况可参见图3。
[0032]5)通过判断电流所在的区域，将三相双向可控硅中的六个可控硅标号为①~⑥，可知不同区域相应导通的可控硅:区域I中②和⑤导通；区域II中④和⑤导通；区域III中①和④导通；区域IV中①和⑥导通；区域V中③和⑥导通；区域VI中②和③导通。
[0033]6)通过转子侧变流器中相应桥臂上的开关管动作，对处于导通状态的相应可控硅进行强迫关断。将转子侧变流器上的开关表示为Vl~V6，依据可控硅的关断机理，则当处于区域I时，通过开通V1、V4、V6便可强迫可控硅②和⑤关断；当处于区域II时，通过开通V1、V3、V6便可强迫可控硅④和⑤关断；当处于区域III时，通过开通V2、V3、V6便可强迫可控硅①和④关断；当处于区域IV时，通过开通V2、V3、V5便可强迫可控硅①和⑥关断；当处于区域V时，通过开通V2、V4、V5便可强迫可控硅③和⑥关断；当处于区域VI时，通过开通V1、V4、V5便可强迫可控硅②和③关断。
[0034]7 )图4为双馈电机在跌落深度为80%的对称电网故障下的Crowbar保护电路三相电流波形，从图中可以看出投入Crowbar保护电路一段时间后，通过转子侧变流器桥臂的开关管的动作，实现了对Crowbar保护电路中导通的可控硅的强迫关断，进而通过这种控制方法，以半控型器件可控硅实现了常规以全控器件才能实现的主动式Crowbar保护电路功能。
【权利要求】
1.一种双馈式风电变流器Crowbar保护电路，双馈式风电变流器结构由转子侧变流器、中间直流环节及网侧变流器构成，其特征在于=Crowbar保护电路由三相双向可控硅依次连接组成的三角形结构串接三相保护电阻构成，Crowbar保护电路的三相输出端与转子侧变流器三相交流输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种双馈式风电变流器Crowbar保护电路，其特征在于:所述的三相双向可控硅部分中，每相为双向可控硅器件(TRIAC)。
3.根据权利要求1所述的一种双馈式风电变流器Crowbar保护电路，其特征在于:所述的三相双向可控硅部分中，每相为两个可控硅反并联组成。
4.根据权利要求1~3所述的一种双馈式风电变流器Crowbar保护电路,其特征在于:所述三角形结构包括具有等效电气性能的其它电路结构。
5.一种根据权利要求1~4任一项所述的一种双馈式风电变流器Crowbar保护电路的控制方法，其特征在于:能够以可控娃实现主动式Crowbar保护电路功能,具体步骤如下: O实时检测双馈电机转子三相电流iA、iB、ic ; 2)将检测到的上述转子三相电流与设定的保护值比较，如果大于设定的保护值，触发三角形结构中三相双向可控娃，从而将双馈电机转子绕组通过Crowbar保护电路构成回路，以旁路双馈电机转子的暂态电流； 3)在转子暂态电流衰减到设定的参考值后，通过检测到的iA、iB、i。判断电流所处的相应区域，区域 1:1A > 0，iB ≤ 0，ic < O ;区域II:iA ≥ 0，iB > 0，ic < O ;区域III:iA < 0，iB>0，ic ≤ 0 ;区域IV:iA < 0，iB ≥ 0，ic > 0 ;区域 V:iA ≤ 0，iB < 0，ic > 0 ;区域VI:iA >.0,iB < 0, ic ^ 0 ； 4)通过判断电流所在的区域，将三相双向可控硅中的六个可控硅标号为①~⑥，可知不同区域相应导通的可控硅:区域I中②和⑤导通；区域II中④和⑤导通；区域III中①和④导通；区域IV中①和⑥导通；区域V中③和⑥导通；区域VI中②和③导通； 5)通过转子侧变流器中相应桥臂上的开关管动作，对处于导通状态的相应可控硅进行强迫关断，将转子侧变流器上的开关表示为Vl~V6，依据可控硅的关断机理，则当处于区域I时，通过开通V1、V4、V6便可强迫可控硅②和⑤关断；当处于区域II时，通过开通V1、V3、V6便可强迫可控硅④和⑤关断；当处于区域III时，通过开通V2、V3、V6便可强迫可控硅①和④关断；当处于区域IV时，通过开通V2、V3、V5便可强迫可控硅①和⑥关断；当处于区域V时，通过开通V2、V4、V5便可强迫可控硅③和⑥关断；当处于区域VI时，通过开通V1、V4、V5便可强迫可控硅②和③关断。
【文档编号】H02J3/38GK103647303SQ201310684300
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】杨淑英, 孙灯悦, 陈刘伟, 张兴 申请人:合肥工业大学