專利名稱：風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于一種直流側(cè)保護(hù)裝置，特別是涉及一種用于雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的全容量變流器的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，無(wú)論是在雙饋型感應(yīng)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)(DFIG)，還是直驅(qū)(低速)電機(jī)、中速電機(jī)或高速電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中，變流器是其核心的關(guān)鍵部件，而變流器可靠的保護(hù)措施是系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要保證。如果電網(wǎng)出現(xiàn)故障，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中網(wǎng)側(cè)變流器的輸出功率必然會(huì)受到限制，發(fā)電機(jī)側(cè)的變流器依然發(fā)出功率，能量在兩變流器間的直流側(cè)積累會(huì)造成直流側(cè)電壓升高， 這樣會(huì)損壞直流側(cè)電容和功率器件，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電容或功率器件因過(guò)壓而爆破。在變流器的直流側(cè)添加保護(hù)裝置是保證風(fēng)電用變流器安全可靠運(yùn)行必須考慮的保護(hù)措施。在直流側(cè)增加保護(hù)裝置，當(dāng)電網(wǎng)故障，直流側(cè)能量積累造成直流側(cè)電壓升高時(shí)投入保護(hù)裝置的卸載負(fù)載，消耗直流側(cè)多余的能量，則可以保持電壓穩(wěn)定。對(duì)于變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)而言，雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)系統(tǒng)，由于變流器僅控制總電能的一小部分(20% 30%)即轉(zhuǎn)差功率，變流器的造價(jià)相應(yīng)降低，因此目前DFIG系統(tǒng)是一種風(fēng)電裝機(jī)容量比較多的主要風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。本專利設(shè)計(jì)的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置主要針對(duì)DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)于全容量風(fēng)力發(fā)電用變頻器(應(yīng)用于低速-直驅(qū)電機(jī)、中速電機(jī)或高速電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中)也實(shí)用，對(duì)全容量變頻器僅需要依據(jù)本專利設(shè)計(jì)，考慮使用大功率的卸荷負(fù)載電阻和功率器件的散熱即可。一般而言常規(guī)的直流保護(hù)裝置采用如下幾種形式如圖1所示，采用功率器件與電阻串聯(lián)。該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是常采用的電路形式， 但系統(tǒng)集成度不高，功率器件的觸發(fā)需要其他電路給出控制信號(hào)。如圖2所示，采用Buck電路和卸荷負(fù)載電阻構(gòu)成的保護(hù)電路。直流側(cè)能量積累造成直流側(cè)電壓升高時(shí)投入卸載負(fù)載裝置，卸荷負(fù)載電阻消耗掉直流側(cè)多余的能量，ESS為能量存儲(chǔ)設(shè)備。能量交換使用雙向流動(dòng)的DC/DC變換器與直流側(cè)連接，隨著DFIG實(shí)際轉(zhuǎn)速的變化，既可以發(fā)送有功功率，又可以在必要條件下吸收有功功率，故障時(shí)可以把多余的能量存儲(chǔ)在ESS中。采用這種保護(hù)電路雖然可以發(fā)送和吸收一定的有功功率，但必須增加轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的容量，會(huì)在一定程度上加大轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的設(shè)計(jì)難度，因此增加了成本。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，提供一種集成度高，配置靈活，性價(jià)比高的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置。本實(shí)用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是一種風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置，包括有兩端分別連接在雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流母線正負(fù)極上的直流側(cè)支撐電容，還設(shè)置有絕緣柵雙極型晶體管、吸收電容、二極管和卸荷負(fù)載電阻，其中， 所述的絕緣柵雙極型晶體管IGBT的集電極連接二極管的正極，所述的二極管的另一端負(fù)極連接直流側(cè)支撐電容的正極端，絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極連接直流側(cè)支撐電容的負(fù)極端，所述的絕緣柵雙極型晶體管的集電極與發(fā)射極之間連接吸收電容，所述的卸荷負(fù)載電阻與二極管并聯(lián)連接，所述的絕緣柵雙極型晶體管的柵極連接絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路，所述的絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路與直流側(cè)保護(hù)裝置控制單元相連接。所述的控制單元包括有中央處理器，分別與中央處理器相連接的接口電路、直流電壓信號(hào)處理電路、第一光纖信號(hào)接口、第二光纖接口以及控制電源，所述的第一光纖信號(hào)接口分別連接直流電壓檢測(cè)電路和絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路，所述的第二光纖接口連接變流器的主控制器，所述的接口電路連接變流器主控制器，用于接收復(fù)位信號(hào)和發(fā)送直流電壓反饋信號(hào)，所述的直流電壓檢測(cè)電路連接直流側(cè)支撐電容的正、負(fù)極端，所述的絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路連接絕緣柵雙極型晶體管的柵極。所述的絕緣柵雙極型晶體管的觸發(fā)和該風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置的使能信號(hào)和狀態(tài)反饋信號(hào)均采用光纖傳輸。所述的吸收電容選用薄膜電容。所述的卸荷負(fù)載電阻采用圓形板式電阻。所述的絕緣柵雙極型晶體管和二極管直接固定在采用阻燃性材料的絕緣板上。直流側(cè)支撐電容的均壓電阻采用電容器均壓用電阻板。本實(shí)用新型具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是本實(shí)用新型的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置，集成了直流支撐電容、卸荷負(fù)載電阻、功率器件IGBT及相應(yīng)的吸收電路。本實(shí)用新型應(yīng)用到風(fēng)電用變流器，無(wú)論是雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(DFIG)還是全容量變流器，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障電壓跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)過(guò)電流，電網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率受到限制，能量在直流側(cè)積累會(huì)造成直流側(cè)電壓升高，該裝置可以消耗直流多余的能量，保持電壓的穩(wěn)定，保護(hù)變流器。如果應(yīng)用在雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(DFIG)中，同轉(zhuǎn)子保護(hù)裝置(轉(zhuǎn)子Crowbar)配合使用不僅可以實(shí)現(xiàn)直流側(cè)卸荷負(fù)載功能，而且可以對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)保護(hù)裝置進(jìn)行優(yōu)化，降低轉(zhuǎn)子側(cè)旁路電阻的動(dòng)作次數(shù)，提高系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作的平滑性。如果重新優(yōu)化和配置相應(yīng)的參數(shù)也可以應(yīng)用到通用變頻器的直流側(cè)保護(hù)裝置。所以，本實(shí)用新型集成度高，配置靈活，性價(jià)比高，具有大規(guī)模工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用的實(shí)際意義。

圖1是現(xiàn)有的采用功率器件與電阻串聯(lián)的直流保護(hù)裝置；圖2是現(xiàn)有的采用Buck電路和卸荷負(fù)載電阻構(gòu)成的直流保護(hù)裝置；圖3是本實(shí)用新型的系統(tǒng)集成式直流側(cè)保護(hù)裝置電路原理圖；圖4是系統(tǒng)集成式直流側(cè)保護(hù)裝置控制原理框圖；圖5是本實(shí)用新型的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是當(dāng)直流側(cè)電壓有所升高，升至928V時(shí)IGBT重新導(dǎo)通的波形圖；圖7是當(dāng)直流側(cè)電壓降低至764V時(shí)IGBT關(guān)斷的波形圖[0028]圖8是IGBT導(dǎo)通，卸荷負(fù)載電阻通過(guò)電流最大為2422A時(shí)的波形圖。圖中的標(biāo)號(hào)分別是1 一電壓傳感器；2—直流母排；3—第一電容器；4一電容器均壓用電阻板；5—第二電容器；6—防護(hù)罩；7—吸收電容；8—絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路；9一絕緣柵雙極型晶體管；10—二極管；11 一直流側(cè)保護(hù)裝置控制單元；12—絕緣板；13—接線端子(直流母線正極、卸荷負(fù)載R) ； 14—接線端子(直流母線負(fù)極)；15—接線端子(接卸荷負(fù)載R)。
具體實(shí)施方式
為能進(jìn)一步了解本實(shí)用新型的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲列舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置如下如圖3所示，本實(shí)用新型的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置，包括有兩端分別連接在雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流母線正負(fù)極上的直流側(cè)支撐電容CR，如圖5所示，所述的直流側(cè)支撐電容CR是由第一電容器3和第二電容器5，以及分別與第一電容器3和第二電容器 5對(duì)應(yīng)相連的電容器均壓用電阻板4構(gòu)成，即直流側(cè)支撐電容CR的均壓電阻采用電容器均壓用電阻板4。還設(shè)置有絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 9、吸收電容7、二極管10和卸荷負(fù)載電阻 R，其中，所述的絕緣柵雙極型晶體管9的集電極C連接二極管10的正極，所述的二極管10 的另一端負(fù)極連接直流側(cè)支撐電容CR的正極端，絕緣柵雙極型晶體管9的發(fā)射極E連接直流側(cè)支撐電容CR的負(fù)極端，所述的絕緣柵雙極型晶體管IGBT9的集電極C與發(fā)射極E之間連接吸收電容7，所述的卸荷負(fù)載電阻R與二極管10并聯(lián)連接，所述的絕緣柵雙極型晶體管 IGBT9的柵極G連接絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路8，所述的絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路 8與直流側(cè)保護(hù)裝置控制單元11相連接。如圖4所示，所述的直流側(cè)保護(hù)裝置控制單元包括有所述的控制單元包括有中央處理器111，分別與中央處理器111相連接的接口電路112、直流電壓信號(hào)處理電路113、 第一光纖信號(hào)接口 114、第二光纖接口 115以及控制電源117，所述的第一光纖信號(hào)接口 114 分別連接直流電壓檢測(cè)電路116和絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路8，所述的第二光纖接口 115連接變流器的主控制器，所述的接口電路112接收復(fù)位信號(hào)和發(fā)送直流電壓反饋信號(hào)， 所述的直流電壓檢測(cè)電路116連接直流側(cè)支撐電容CR正、負(fù)極端，所述的絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路8連接絕緣柵雙極型晶體管9的柵極G。絕緣柵雙極型晶體管9的觸發(fā)和該風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置的使能信號(hào)和狀態(tài)反饋信號(hào)均采用光纖傳輸。本實(shí)用新型的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置的基本原理變流器的主控制器依據(jù)發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)給出允許直流側(cè)保護(hù)裝置激活的許可信號(hào)；電壓傳感器1檢測(cè)直流母線電壓；直流側(cè)保護(hù)裝置控制單元11依據(jù)電壓傳感器1檢測(cè)的電壓發(fā)出可控功率器件絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 9的控制信號(hào)；絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路8接收直流側(cè)保護(hù)裝置控制單元11的控制信號(hào)控制功率器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，控制卸荷負(fù)載電阻(接線端子13和接線端子15連接外部的卸荷負(fù)載電阻)的投入和退出；直流側(cè)保護(hù)裝置控制單元11反饋系統(tǒng)的狀態(tài)信號(hào)，為了充分考慮系統(tǒng)的安全可靠，絕緣柵雙極型晶體管9的觸發(fā)和該風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置的使能信號(hào)和狀態(tài)反饋信號(hào)均采用光纖傳輸。本實(shí)用新型的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置，集成了直流側(cè)支撐電容3(附加電容器均壓用電阻板4)、直流電壓檢測(cè)電路116、絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路8、IGBT吸收電容7以及直流側(cè)保護(hù)裝置的控制電路11。外部只需給出使能信號(hào)，本實(shí)用新型即可以通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)直流母線電壓，控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)，并且可以實(shí)時(shí)地反饋直流母線電壓、卸荷負(fù)載電阻R通過(guò)的電流等關(guān)鍵信號(hào)。該裝置的卸荷負(fù)載電阻R采用圓形板式電阻，要求在額定的負(fù)荷為下，電阻表面溫升不得超過(guò)200°C，但施加10倍的額定功率，時(shí)間k，要求電阻器應(yīng)無(wú)飛狐、燃燒或焦化現(xiàn)象，Δ R彡士(0. 5%R)；絕緣板12采用機(jī)械強(qiáng)度高且阻燃性材料；IGBT 9功率器件及二極管10，不需要考慮散熱，直接安裝固定在絕緣板12上；IGBT的吸收電路采用電容吸收，吸收電容7選用低感、高壓薄膜電容，如容量0. 68uF，耐壓2500VDC。針對(duì)于國(guó)內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)大批量裝機(jī)并且并網(wǎng)的1.5麗雙饋感應(yīng)電機(jī)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，卸荷負(fù)載電阻的阻值選擇為0. 37歐姆，功率1. 2kff, IGBT為雙管800A、1700V。當(dāng)直流電壓為1150V時(shí)，激活該直流側(cè)保護(hù)裝置，IGBT導(dǎo)通，卸荷負(fù)載通過(guò)電流最大為M22A，如圖8 所示；當(dāng)直流側(cè)電壓降低至764V時(shí)IGBT關(guān)斷，如圖7所示；IGBT關(guān)斷，因二極管續(xù)流等原因直流側(cè)電壓有所升高，升至928V時(shí)IGBT重新導(dǎo)通，如圖6所示。針對(duì)直流側(cè)能量積累情況，IGBT會(huì)有多次的開(kāi)通和關(guān)斷，不斷地通過(guò)卸荷負(fù)載電阻消耗能量，直到直流側(cè)電壓穩(wěn)定到安全值為止。
權(quán)利要求1.一種風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置，包括有兩端分別連接在雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流母線正負(fù)極上的直流側(cè)支撐電容(CR)，其特征是還設(shè)置有絕緣柵雙極型晶體管(9)、吸收電容(7)、二極管(10)和卸荷負(fù)載電阻(R)，其中，所述的絕緣柵雙極型晶體管IGBT (9) 的集電極(C)連接二極管(10)的正極，所述的二極管(10)的另一端負(fù)極連接直流側(cè)支撐電容(CR)的正極端，絕緣柵雙極型晶體管(9)的發(fā)射極(E)連接直流側(cè)支撐電容(CR)的負(fù)極端，所述的絕緣柵雙極型晶體管(9)的集電極(C)與發(fā)射極(E)之間連接吸收電容(7)， 所述的卸荷負(fù)載電阻(R)與二極管(10)并聯(lián)連接，所述的絕緣柵雙極型晶體管(9)的柵極 (G)連接絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路(8)，所述的絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路(8)與直流側(cè)保護(hù)裝置控制單元(11)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置，其特征是所述的控制單元包括有中央處理器(111)，分別與中央處理器(111)相連接的接口電路(112)、直流電壓信號(hào)處理電路(113)、第一光纖信號(hào)接口(114)、第二光纖接口(115)以及控制電源(117)，所述的第一光纖信號(hào)接口(114)分別連接直流電壓檢測(cè)電路(116)和絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路(8)，所述的第二光纖接口(115)連接變流器的主控制器，所述的接口電路(112)連接變流器主控制器，用于接收復(fù)位信號(hào)和發(fā)送直流電壓反饋信號(hào)，所述的直流電壓檢測(cè)電路(116)連接直流側(cè)支撐電容(CR)的正、負(fù)極端，所述的絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路(8) 連接絕緣柵雙極型晶體管(9)的柵極(G)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置，其特征是所述的絕緣柵雙極型晶體管(9)的觸發(fā)和該風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置的使能信號(hào)和狀態(tài)反饋信號(hào)均采用光纖傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置，其特征是所述的吸收電容 (7)選用薄膜電容。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置，其特征是所述的卸荷負(fù)載電阻(R)采用圓形板式電阻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置，其特征是所述的絕緣柵雙極型晶體管(9)和二極管(10)直接固定在采用阻燃性材料的絕緣板(12)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置，其特征是直流側(cè)支撐電容 (CR)的均壓電阻采用電容器均壓用電阻板(4)。
專利摘要一種風(fēng)電變流器用直流側(cè)保護(hù)裝置，有兩端分別連接在雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流母線正負(fù)極上的直流側(cè)支撐電容，還設(shè)置有絕緣柵雙極型晶體管、吸收電容、二極管和卸荷負(fù)載電阻，絕緣柵雙極型晶體管IGBT的集電極連接二極管的正極，二極管的另一端負(fù)極連接直流側(cè)支撐電容的正極端，絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極連接直流側(cè)支撐電容的負(fù)極端，絕緣柵雙極型晶體管的集電極與發(fā)射極之間連接吸收電容，卸荷負(fù)載電阻與二極管并聯(lián)連接，絕緣柵雙極型晶體管的柵極連接絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路，絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電路與直流側(cè)保護(hù)裝置控制單元相連接。本實(shí)用新型應(yīng)用到風(fēng)電用變流器，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障電壓跌落時(shí)，可以消耗直流多余的能量，保持電壓的穩(wěn)定，保護(hù)變流器。
文檔編號(hào)H02H9/04GK201966601SQ201120002668
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者王超 申請(qǐng)人:艾迪爾斯(天津)能源科技有限公司