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双馈感应发电机系统的控制和保护

阅读:335发布:2020-05-17

IPRDB可以提供双馈感应发电机系统的控制和保护专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且双馈感应发电机(DFIG)的控制系统包括具有转子绕组的转子(1)和可连接到电网以用于电力分配的具有定子绕组的定子(2)。控制系统包括变换器(170、171),其具有包括至少一无源压敏电阻元件(291、292、293、294)的箝位单元,用于在箝位单元被触发时在转子绕组上提供箝位电压。本发明还涉及双馈感应发电机(DFIG)系统及包含发电系统中的变换器的方法。,下面是双馈感应发电机系统的控制和保护专利的具体信息内容。

1、双馈感应发电机(DFIG)的控制系统,包括具有转子绕组的 转子(1)和可连接到电网以用于电力分配的具有定子绕组的定子(2);

所述控制系统包括变换器(170、171),所述变换器包括下述元 件:可连接到发电机的转子绕组的转子逆变器(71-73),

可连接到电网和/或定子绕组的电网逆变器(74-76),及

用于馈电转子逆变器的直流传输线(77);

变换器(170、171)还包括箝位单元(190),用于保护变换器 免遭由于转子绕组中的过电流而导致的损害,所述箝位单元(190) 可连接在转子绕组上并被安排为在检测到转子绕组中出现过电流之 后其将从非工作状态触发为工作状态,所述箝位单元包括箝位元件 (290),其被安排为使得当箝位单元在其非工作状态时,转子绕组中的电流不能通过所述 箝位元件,及当箝位单元在其工作状态时,转子绕组中的电流可通过所述箝位 元件,所述箝位元件包括至少一无源压敏电阻元件(291、292、293、 294),其用于在转子绕组上提供箝位电压。

2、根据权利要求1的控制系统,其中箝位元件(290)包括多个 并联连接的无源压敏电阻元件(291、292、293、294)。

3、根据权利要求1或2的控制系统,其中所述至少一无源压敏 电阻元件包括至少一压敏变阻器。

4、根据权利要求1或2的控制系统,其中所述至少一无源压敏 电阻元件包括至少一齐纳二极管。

5、根据权利要求1或2的控制系统,其中所述至少一无源压敏 电阻元件包括至少一抑制二极管。

6、根据前述任一权利要求的控制系统,其中对于转子的每一相, 箝位单元可包括用于连接到相应的转子相位的连接器(300),每一 连接器被连接到触发器分支,其包括串联连接的:箝位单元到连接器 (300)的连接点(297)以用于连接到相应的转子相位;用于触发箝 位单元的晶闸管(295);箝位元件(290);二极管(296);及连 接到连接器(300)的连接点(297)以用于连接到相应的转子相位。

7、根据前述任一权利要求的控制系统,其中箝位单元还包括与 箝位元件(290)并联连接的电阻器(298)。

8、根据前述任一权利要求的控制系统,其中箝位单元被安排成 当直流传输线上的电压上升高于预定水平时可从非工作状态触发为 工作状态。

9、根据权利要求1-7任一所述的控制系统,其中箝位单元被安 排成当转子绕组上的电压上升高于预定水平时可从非工作状态触发 为工作状态。

10、根据权利要求1-7任一所述的控制系统,其中箝位单元被安 排成当转子绕组中的电流上升高于预定水平时可从非工作状态触发 为工作状态。

11、根据权利要求1-7任一所述的控制系统,其中箝位单元被安 排成当定子绕组中的电流上升高于预定水平时可从非工作状态触发 为工作状态。

当定子绕组中的电流上升高于预定水平时(即,转子绕组中的过 电流通过测量定子绕组中的电流进行检测)。

12、双馈感应发电机(DFIG)系统,包括具有转子绕组的转子(1) 和可连接到电网以用于电力分配的具有定子绕组的定子(2),所述 双馈感应发电机系统还包括根据前述权利要求任一所述的控制系统, 其中转子逆变器(71-73)被连接到发电机的转子绕组,

电网逆变器(74-76)被连接到电网,及

箝位单元(190)被连接在转子绕组上。

13、用于保护包含双馈感应发电机(DFIG)和控制系统的发电系 统中的变换器的方法,双馈感应发电机包括具有转子绕组的转子(1) 和可连接到电网以用于电力分配的具有定子绕组的定子(2),控制 系统包括变换器(170、171),所述变换器包括连接到发电机的转子 绕组的转子逆变器(71-73)、连接到电网和/或定子绕组的电网逆变 器(74-76)、及用于馈电转子逆变器的直流传输线(77);

藉此,所述方法包括步骤:

将具有箝位元件的箝位单元(190)连接在转子绕组上,所述箝 位单元包括箝位元件(290),其被安排成使得在箝位单元处于非工 作状态时转子绕组中的电流不能通过所述箝位元件,当箝位单元在其 工作状态时,转子绕组中的电流可通过所述箝位元件,所述箝位元件 包括至少一无源压敏电阻元件(291、292、293、294)以用于在转子 绕组上提供箝位电压;及当在转子绕组中检测到过电流时将箝位单元从其非工作状态触 发到其工作状态。

14、根据权利要求13的方法,其中当直流传输线上的电压上升 高于预定水平时箝位单元被从非工作状态触发为工作状态。

15、根据权利要求13的方法,其中当转子绕组上的电压上升高 于预定水平时箝位单元被从非工作状态触发为工作状态。

16、根据权利要求13的方法,其中当转子绕组中的电流上升高 于预定水平时箝位单元被从非工作状态触发为工作状态。

17、根据权利要求13的方法,其中当定子绕组中的电流上升高 于预定水平时箝位单元被从非工作状态触发为工作状态。

说明书全文

技术领域

本发明涉及双馈感应发电机(DFIG)的控制,特别是风力发电中 使用的双馈感应发电机的控制。

背景技术

使用风力产生电能的一个基本问题是涡轮速度应能随风速变化, 以提高能量效率并降低风力涡轮机上的机械负载。然而,不管涡轮速 度怎样变化,风力发电机的输出功率应被保持在不变的频率,其对应 于发电机与其连接的配电系统或电网的频率。即,需要变速恒频 (VSCF)。在风力发电中,为了实现VSCF运行,已使用双馈感应发 电机(DFIG);包括DFIG的系统在一些文献中公开,例如:
1996年12月的EPE期刊第6卷、第3-4号中60-67页由Pena,R.S. 等著的“风力发电系统使用的变速双馈感应电机的矢量控制”
ENE-97(Trondheim)第2717-2728页由Weiss,H.著的“用于滑 环感应电机的转子电路GTO变换器”
JP-A-07-067393
JP-A-07-194196
传统的DFIG系统如图1中所示。发电机的转子1包括:多相(在 该例子中为3相)异步电机通过变速箱4连接到由风力涡轮机的叶片 3驱动的轴5。发电机的定子2的绕组通过开关6连接到与变压器101 连接的输出线路100,借助于变压器101,输出线路被连接到配电系 统或电网102,通常为中压(10Kv-40kV)电网。来自定子的输出线 路上的电压通常在690V(被视为定子的正常工作电压水平)。
系统还包括变换器7,其具有通过控制线路8连接到转子绕组的 转子侧逆变器或转子逆变器(71、72、73),每一控制线路包括电感 器9。变换器7还包括通过电网逆变器连接线103连接到上述输出线 路100(因而连接到电网)的电网侧逆变器或电网逆变器(74、75、 76),连接线103与变压器104连接(通常,用于从变换器侧的480V 级别转换为输出线路侧的690V)。变压器通过开关设备连接到输出 线路100,开关设备包括并联排列的两个开关:主开关105直接布置 在输出线路100和变压器104之间,充电开关106与充电电阻107串 联连接。即,电网逆变器通过变压器104连接到电网和定子绕组。
两个逆变器基本上是对称的;所述转子逆变器和电网逆变器中的 每一个均包括并联连接的三个半桥(71、72、73;74、75、76),一 个半桥分别用于发电机和电网的每一相。
转子逆变器(71、72、73)被直流传输线77反馈。电网逆变器 (74、75、76)控制直流传输线77上的电压。
每一半桥(71、72、73;74、75、76)由两个串联连接的相同的 单元组成,每一单元包括与续流二极管79并联连接的IGBT(绝缘栅 双极晶体管)78。
在两个单元之间组成每一半桥,半桥被连接到:
-各自的控制线路8(对于转子逆变器的半桥71-73);或
-各自的电网变换器连接线103(对于电网逆变器的半桥74-76)。
逆变器(71-76)的IGBT78的工作由控制模块80控制,其被布 置来接收多个对应于系统的几个参数的值的输入信号,包括:
IG:在变压器101的连接点用于连接到电网的输出线路100中的 电流(被视为“供给电网的电流”);
UG:输出线路100中的电压(被视为“供给电网的电压”);
IS:输出线路100中在连接定子端的电流,其在开关6和用于向 变换器供电的支线的连接(经开关105和106及变压器104)之间(被 视为“定子电流”);
US:在定子绕组测量的定子电压(在定子2和开关6之间);
IL:使转子绕组和转子逆变器相互连接的控制线路8中的电流; 及
由编码器85测量的转子的旋转速度。
使用这些输入,控制模块80可控制两个逆变器的PWM(脉宽调 制)。
控制模块80接收来自主风力涡轮机控制器(图1中未示出)的 功率参考信号,(PRS),其被布置来接收信息如发电机提供的实际 功率、叶片的位置、风速等。主风力涡轮机控制器负责风力涡轮机的 全部运转并控制多个辅助控制器,包括变换器7。
在变换器7中,功率参考信号与测量的功率进行比较(基于测量 的IG和UG值),且控制模块80的功率调节环路的输出控制转子逆变 器的PWM。直流传输线由电网逆变器控制。当变换器在正常条件下工 作时,直流传输线电压是常数。在本例子(图1)的电路中,在正常 条件下,直流传输线电压可以为约800VDC。
基本上,变换器7按如下进行工作:
要开始变换器的工作,充电开关106被闭合。之后,直流传输线 77将在充电电阻107和电网逆变器的续流二极管79上进行充电。直 流传输线上的电压由控制模块80测量。当直流传输线上的电压达到 预定水平时,主开关105被闭合且充电开关106被断开。
在主开关105闭合之后,电网逆变器被启动且直流传输线电压将 由电网逆变器控制,以将直流传输线上的电压保持在额定值(在该例 子中为约800VDC)。电网逆变器可向电网提供以功率(像发电机那 样)或其可从电网获得功率(像电动机那样)。电网逆变器根据直流 传输线上的电压进行工作:如果该电压趋向于增加(由于来自转子逆 变器的输入),电网逆变器向电网供电;如果直流传输线上的电压趋 向于降低,电网逆变器从电网获得功率。
如果直流传输线上的电压与额定值(800VDC)相同,且风力涡轮机 在其预定速度范围内旋转,转子逆变器被启动;这意味着控制模块 80开始操作转子逆变器的PWM,触发或不触发转子逆变器的半桥 (71-73)的每一IGBT78。使用所得的转子电流/转子电压,控制模 块80控制定子侧(当发电机用作变压器时)。在定子侧,控制模块 80测量AC电压(在图中为US,有时也称为USYNC)并控制转子逆变器 (提供调节PWM),直到该定子电压US与电网电压UG相等为止。一旦 两电压一样,开关8被闭合,从而将定子绕组连接到电网。使用转子 逆变器的PWM,现在可控制提供给电网的总功率中的有功功率和无功 功率。
变换器7的功率电子元件需要被保护以免遭高电流(过电流)和 过电压的危害,其可能出现在连接转子绕组和转子逆变器的控制线路 8中,例如,如果电网102中发生短路,发电机2将高定子电流(IS) 反馈到短路中,则转子电流非常迅速地增加。为了保护发电机和变换 器,将发电机连接到电网的开关6被断开,但在断开实际上发生之前 有实质上的时延(通常为约50ms),在这期间,高转子电流可损害 变换器。
为了保护变换器,已知道可向变换器7提供以所谓的“消弧电路” 90,其被布置来在必要时使转子绕组短路,以吸收转子电流并阻止转 子电流进入转子逆变器并损害其元件。已知消弧电路的基本布局的典 型例子如图2中所示。基本上,消弧电路包括并联排列的三个分支, 每一分支包括串联连接的两个二极管(91、92;93、94;95、96)。 在每一分支的两个二极管之间,有一个消弧电路连接到相应的转子绕 组的连接点。与包括二极管的三个分支串联的是包括功率晶闸管98 和电阻器97(可选)的分支。消弧电路按下述方式工作:
在正常运行时,晶闸管98被闭锁,使得没有电流流过晶闸管。 因而,没有电流流过二极管91-96,转子电流通过控制线路8全部反 馈给变换器7的转子逆变器71-73。当转子电流有较大增加时,这些 电流使转子逆变器的IGBT过载且IGBT78的PWM将被控制模块80停 止(即IGBT的工作被停止)(控制模块80读通过控制线路8的电流 IL的值并在所述电流高出某一水平时被编程以停止IGBT的工作)。 转子电流接着将流过续流二极管79,从而导致直流传输线77上的电 压增加。该增加由控制模块80检测,且一旦直流传输线上的电压达 到预定的阈值,控制模块激发消弧电路的功率晶闸管98,从而允许 电流流过所述晶闸管。其后,高转子电流将开始流过消弧电路的二极 管,而不是流过转子逆变器。当消弧电路充作短路时,转子电压将接 近于零。
接下来,开关6被断开,因而使定子2与电网断开连接;发电机 接着将在所述开关6和消弧电路90上将被去磁。其后,一旦电网电 压已返回到额定值,发电机可被再次连接到电网。
图3A-3G使用相同的时间轴示出了当电网中产生短路时,具有图 2的现有技术消弧电路的图1系统的一些参数的发展。下述时间点被 涉及:
t1:电网中发生短路时的时间
t2:消弧电路被触发时的时间
t3:发电机与电网断开连接(通过断开开关6)时的时间
t4:发电机被重新连接到电网(通过闭合开关6)时的时间
图3A示出了在时间t1(电网中短路的时间)附近UG的下降。
图3B示出了定子电流IS。在t1,定子电流开始迅速增加且其在 时间t3之前一直保持高水平,当开关6被断开时,因而将定子与电 网断开连接(继而定子电流被中断)。随后,一旦电网上的电压回到 其额定值,发电机被重新连接到电网(在t4)且定子电流开始再次 流动。
图3C示出了转子电流IR怎样变化,其几乎与定子电流的方式一 样(由于转子和定子用作变压器的一次侧和二次侧)。唯一的区别是 由于发电机的磁化电流是来自转子侧。因而,在图3C中,在t4之前, 可发现很短地小磁化电流。
图3D示出了从转子到转子逆变器的电流(IL)。在t1,该转子 逆变器电流迅速增加(在转子电流增加之后,转子电流被全部反馈给 转子逆变器)。转子逆变器被控制模块80停止且电流接着流过续流 二极管79而流入直流传输线。直流传输线上的电压(UDC)(参考图 3E)非常快的增加,直到其达到某一水平。之后,到时间t2,消弧 电路被控制模块(其已正读直流传输线上的电压)触发。接着,转子 电流被整流到消弧电路(且几乎立即下降为零,即,没有电流被从转 子反馈到变换器7中)。一旦电压回到电网上,转子逆变器开始向发 电机的转子提供磁化电流,且与电网同步。在将发电机连接到电网之 后(在t4),转子电流重新增加到额定值(参考图3C)(如果有足 够的风能)。
在图3E中,其示出了在t1直流传输线如何被快速充电(直流传 输线上的电压UDC因而增加)。在t2,消弧电路被触发且充电被停止。 直流传输线的放电由电网逆变器完成。电网逆变器将直流传输线放电 到额定值(800VDC)。
图3F示出了通过消弧电路的电流ICR。在时间t2之前,消弧电 路碰上全部转子电流。
最后,图3G示出了转子电压UR。在开始时,转子电压在其正常 工作水平。在t1,转子逆变器被停止且整流后的转子电压立即达到 直流传输线的水平。转子电压随直流传输线上的电压增加而增加,直 到t2时消弧电路被触发为止;之后,转子被短路,转子电压下降到 零。一旦开关被断开且发电机与电网断开连接,消弧电路被再次断开。 一旦电网电压回到其额定值,转子逆变器被同步,转子电压重新回到 其正常工作水平。
如上面的例子中所述,发电机与电网断开连接在传统上已被使用 以在电网上出现问题时及因为与网络管理有关的原因保护发电机和 变换器(如短路导致转子电流电涌)。传统上,断开连接尚未被视为 包含有关于电网的整个供电的任何实质的问题,因为风力发电机仅占 电网的总供电的非常小部分(通常在总供电的5%以下)。然而,在 许多国家,风力发电正表现为电力发电的快速增加的部分,且在某些 国家,风力发电占总发电的重要部分,从而如果突然断开风力发电机 的连接可导致电网上整个电力分配的严重问题。
因此,需要提供一种方案,其在电网中发生短路时无须使发电机 与电网断开连接即可适当地工作。
然而,在上述及使用消弧电路90保护变换器7的现有技术方案 中,必须使发电机与电网断开连接,因为被触发的消弧电路在转子侧 产生硬短路。如果定子未与电网断开连接,转子的短路将在转子和定 子绕组中产生稳定的过电流。在正常工作期间,具有额定的电网电压 和转差率,转子电压为约200Vrms。如果转子被短路且如果定子未 与电网断开连接,则在长时间期间将有通常三倍于额定电流的过电 流,如果消弧电路接下来被断开连接,这些过电流将“跳”到转子逆 变器内并在直流传输线77上产生过电压。之后,消弧电路90将被再 次触发等。基本上,没有办法避开该循环。因而,为了避免这些长时 间的过电流,定子必须与电网断开连接。
在上面提及的JP-A-07-067393和JP-A-07-194196中,与电网中 电压下降有关的问题通过添加与直流传输线并联的斩波电路进行解 决。接下来,转子电流流过转子逆变器的续流二极管并对直流传输线 充电。当直流传输线上的电压上升而高于预定水平时,与电阻器串联 连接的斩波器被启动且直流传输线上的电压通过在斩波电路上使直 流传输线放电而得以限制。然而,该解决方案要求对转子逆变器的续 流二极管进行选择以支持高电流(因为转子电流将持续流过转子逆变 器的续流二极管)。此外,斩波器需要可被切断的开关如GTO或IGBT, 即有源开关。另外,因为保护原因,必须有消弧电路与转子逆变器并 联连接。
本发明的目标是提供在电网中发生短路时无须使定子与电网断 开连接即可保护变换器的方案,且其不要求任何尺寸过大的续流二极 管,且首选方案没有有源开关。优选地,该方案不应要求任何消弧电 路。

发明内容

本发明的第一方面涉及双馈感应发电机(DFIG)的控制系统,包 括具有转子绕组的转子和可连接到电网以用于电力分配的具有定子 绕组的定子,所述控制系统包括变换器,所述变换器包括下述元件:
可连接到发电机的转子绕组的转子逆变器,
可连接到电网和/或定子绕组的电网逆变器,及
用于馈电转子逆变器的直流传输线。
根据本发明,变换器还包括箝位单元,用于保护变换器免遭由于 转子绕组中的过电流而导致的损害,所述箝位单元可连接在转子绕组 上并被安排为在检测到转子绕组中出现过电流之后其将从非工作状 态触发为工作状态,所述箝位单元包括箝位元件,其被安排为当箝位 单元在其非工作状态时,转子绕组中的电流不能通过所述箝位元件, 且在箝位单元在其工作状态时,转子绕组中的电流可通过所述箝位元 件。箝位元件包括至少一无源压敏电阻元件,其用于在转子绕组上提 供箝位电压。
压敏电阻元件可被选择以使得,对于在电网短路期间出现的转子 电流的任何预期值,适当的箝位电压将在箝位元件因而在转子绕组上 获得。所述箝位电压在预定范围内是非常重要的。特别是,其不应被 允许为太低,因为太低的箝位电压意味着转子绕组中的电流将非常缓 慢地降低(只要定子保持连接到电网)。实际上,如果箝位电压低于 正常工作期间的转子电压水平,则转子电流将永远不会下降到零。
而希望转子电流尽可能快地降低,以允许变换器重新开始工作, 其借助于使箝位单元回到其非工作状态(藉此转子电流被重新整流到 转子逆变器),从而变换器可重新接管发电机的控制。变换器将能够 尽快接管转子电流的控制被认为是非常重要的,以能够还在电网上的 短路持续期间即能控制对电网的功率输出(这通常为电网的操作员所 要求)。
因此,箝位元件为压敏电阻元件是非常重要的,从而电压将不是 转子电流的纯线性函数:一般电阻器的使用意味着箝位电压将(实质 上)直接正比于转子电流。在选择电阻时,应注意选择电阻值足够低 的电阻以确保箝位电压永远不会超出转子电压允许的最大水平,即使 流过电阻器的电流达到预期的最高转子电流水平时也不会超出。然 而,如果由于电网中的短路产生的实际转子电流远低于所述预期的最 高水平时,这样的低电阻值将引起太低的箝位电压水平。在这种情况 下,由于太低的箝位电压,转子电流将不会足够快地降低以允许变换 器重新接管控制,或至少不会如所希望那样快地接管控制。在额定转 子电压时,低电阻值电阻器的使用将导致转子绕组中的高稳态过电 流。
然而,通过使用压敏电阻元件,对于较大范围的可能转子电流, 则可选择该元件以提供相当明确定义的箝位电压,在相当短量程内。 实际上,有元件可对任何转子电流水平的值提供实质上不变的箝位电 压,所述转子电流水平在非常大的范围内,基本上包括由于电网短路 而可能的转子电流的全部范围。
使用无源压敏电阻元件特别有利,因为其提供相当明确定义的箝 位电压,而不要求箝位单元的任何复杂的控制。基本上,其足以触发 箝位单元以允许转子电流通过箝位单元而不是通过转子逆变器。用于 触发箝位单元,可使用简单的触发元件如功率晶闸管,其可被布置为 与箝位元件和相应的转子绕组串联连接并从控制模块使用非常低的 电流进行触发(例如,在1A以下,通过简单的脉冲变压器施加)。 转子绕组上的电压的箝位由压敏电阻元件本身实现,不需要另外的控 制。即,不需要“主动”控制该箝位电压;一旦定子电流在其额定值 以下,控制模块可简单地停止触发晶闸管,因而在通过晶闸管的电流 的下一零交叉之后停止转子电流流过箝位单元。
箝位元件可包括多个并联排列的无源压敏电阻元件,从而允许非 常高的转子电流流过箝位元件,而不会损害单个的无源压敏电阻元 件。
(每一)无源压敏电阻元件可包括:
-压敏变阻器(或串联连接的多个压敏变阻器);
-齐纳二极管(或多个串联连接的齐纳二极管);和/或
-抑制二极管(或多个串联连接的抑制二极管)。
适当的无源压敏电阻元件的例子为下述元件:
-压敏变阻器:来自生产商EPCOS的BOK320
-抑制二极管:来自生产商ST的BZW50-180
-齐纳二极管:来自生产商Vishay的BZG05C100
对于转子的每一相,箝位单元可包括用于连接到相应的转子相位 的连接器,每一连接器被连接到触发器分支,其包括串联连接的:箝 位单元到连接器的连接点以用于连接到相应的转子相位;用于触发箝 位单元的晶闸管;箝位元件;二极管;及连接到连接器的连接点以用 于连接到相应的转子相位。箝位单元还可包括与箝位元件并联连接的 电阻器。
箝位单元可被安排成可从非工作状态触发为工作状态:
-当直流传输线上的电压上升高于预定水平时(即,转子绕组中 的过电流通过测量直流传输线上的电压进行检测);
-当转子绕组上的电压上升高于预定水平时(即,转子绕组中的 过电流通过测量转子绕组上的电压进行检测);
-当转子绕组中的电流上升高于预定水平时(即,转子绕组中的 过电流通过测量转子绕组中的电流进行检测);和/或
当定子绕组中的电流上升高于预定水平时(即,转子绕组中的过 电流通过测量定子绕组中的电流进行检测)。
本发明的第二方面涉及双馈感应发电机(DFIG)系统,包括具有 转子绕组的转子和可连接到电网以用于电力分配的具有定子绕组的 定子,所述双馈感应发电机系统还包括如上所述的控制系统、可连接 到发电机的转子绕组的转子逆变器,可连接到电网的电网逆变器,及 被连接在转子绕组上的箝位单元。
本发明的第三方面涉及用于保护包含双馈感应发电机(DFIG)和 控制系统的发电系统中的逆变器的方法,双馈感应发电机包括具有转 子绕组的转子和可连接到电网以用于电力分配的具有定子绕组的定 子,所述控制系统包括变换器,所述变换器包括可连接到发电机的转 子绕组的转子逆变器、可连接到电网和/或定子绕组的电网逆变器、 及用于馈电转子逆变器的直流传输线。所述方法包括步骤:
将具有箝位元件的箝位单元连接在转子绕组上,所述箝位单元包 括箝位元件,其被安排成使得在箝位单元处于非工作状态时转子绕组 中的电流不能通过所述箝位元件,当箝位单元在其工作状态时,转子 绕组中的电流可通过所述箝位元件,所述箝位元件包括至少一无源压 敏电阻元件以用于在转子绕组上提供箝位电压;及
当在转子绕组中检测到过电流时将箝位单元触发到其工作状态。
箝位单元可从非工作状态触发为工作状态,例如:
-当直流传输线上的电压上升高于预定水平时,
-当转子绕组上的电压上升高于预定水平时,
-当转子绕组中的电流上升高于预定水平时,和/或
-当定子绕组中的电流上升高于预定水平时。

附图说明

图1为现有技术中的DFIG系统的示意图。
图2为现有技术中消弧电路的示意图。
图3示意性地示出了在电网中发生短路后的时间间隔期间,根据 现有技术的系统的部分参数的变化。
图4示意性地示出了在电网中发生短路后的时间间隔期间,根据 本发明优选实施例的系统的部分参数的变化。
图5为根据本发明优选实施例的系统的示意图。
图6为根据本发明另一优选实施例的系统的示意图。
图7为根据本发明优选实施例的箝位单元的示意图。

具体实施方式

图5和图6示出了本发明的两个优选实施例。大多数所示元件均 完全对应于参考图1所述的现有技术系统的那些元件;这些元件具有 相同的附图标记且不需另外描述。然而,代替图2的变换器7,图5 和6示出了包括相同基本元件的变换器,二者区别在于:
在图5示出的变换器170中,消弧电路已被箝位单元190替代, 变换器包括适于控制所述箝位单元的控制模块180(除此之外,控制 模块180按图1的系统的控制模块80那样运行);

在图6所示的变换器171中,箝位单元190已被组合且与消弧电 路90并联连接,变换器包括适于控制所述箝位单元和消弧电路的控 制模块181(除此之外,控制模块181按图1的系统的控制模块80 那样运行)。
图7示出了箝位单元的优选实施例,箝位单元包括,对于转子的 每一相,连接器300用于连接到相应的转子相位。每一连接器被连接 到触发器分支,其包括串联连接的:箝位单元到连接器300的连接点 297以用于连接点相应的转子相位;用于触发箝位单元的晶闸管295; 箝位元件290;二极管296;及连接到连接器300的连接点297以用 于连接到相应的转子相位。
晶闸管295和二极管296可被集成在一个元件中,如Semikron 生产的SKKH210/12E。箝位元件290可以是压敏变阻器,如EPCOS生 产的B80K320。
(可使用晶闸管代替二极管296,其优点在于:相比于使用二极 管,使用晶闸管可使触发箝位单元的停止和流过箝位单元的电流的实 际停止之间的时延可被降低高达50%)。
图4A示出了电网电压,短路在t11附近出现。之后,定子电流 IS(图4B)迅速增加。然而,在这种情况下,发电机未被断开连接且 将在定子和转子电流上被去磁,定子和转子电流继而将降低。一旦定 子电流低于额定水平(大约在t13附近),箝位单元190将被控制模 块180、181断开且转子电流将重新流入转子逆变器。变换器测量转 子电流(通过测量控制线路中的电流IL)并与那些电流同步PWM。转 子逆变器控制转子电流并在剩余的短路持续期间提供不变的转子和 定子电流(在图4B和4C中从t14到t15)。随后,当电网电压返回 到其额定值时,发电机未被足够磁化且高电流从电网流到定子从而产 生过电流(在图4C中在t15和t17之间的间隔中)。之后,转子逆 变器被再次停止,且发电机将被从电网进行磁化。其后,定子电流降 低,一旦其在额定值之下(t17),箝位单元190被断开,转子逆变 器重新接管转子电流的控制。
转子电流IR(图4C)几乎与定子电流一样。
图4D示出了到转子逆变器的电流1(即从转子到变换器的电流)。 在t11,转子电流迅速增加,在t12,箝位单元190被触发(正如上 述现有技术系统中消弧电路被触发)。因此,转子电流被整流到箝位 单元190中且IL下降到零。一旦定子电流下降到额定电流以下(t13), 箝位单元被控制模块180、181断开,且转子电流被整流到转子逆变 器中。转子逆变器与转子电流同步并在剩余的短路持续期间 (t14-t15)控制电流。(在t14和t15之间,电网操作员要求风力 涡轮机积极在风力涡轮机外面的短路中供电,以通过断开电网中的高 压断路器引起更快速地断开短路的连接。尤其对于该目的,在短路的 大多数持续时间发电机均应被控制。本发明允许转子逆变器仅在过渡 时间被停止,过渡时间对应于电网上快速电压变化引起的动态过电流 的出现)。
当电网电压返回到其额定值时(t15),转子电流迅速增加,转 子逆变器被再次停止(当控制模块测量到过电流时),箝位单元190 被触发并遭受转子电流。当定子电流下降到额定水平以下时(t17), 箝位单元被断开,转子电流被再次整流到转子逆变器中。转子逆变器 与实际的转子电流同步并开始重新运行,控制转子电流。
图4E示出了直流传输线上的电压。在t11,有第一尖峰信号, 其触发箝位单元190(在t12)。随后,如上所述,箝位单元被断开 且转子电流被重新整流到转子逆变器中,开始再次充电直流传输线 (t13),直到转子逆变器接管转子电流的控制为止(这由控制模块 180、181进行,以再次接管发电机的控制)。在图4E中这发生了两 次,第一次是由于电网上的电压下降,第二次是在电网电压再次上升 时。
图4F示出了箝位电流ICL(通过箝位单元的电流)。如上面所描 述的,箝位单元两次遭受全部转子电流。
图4G示出了转子电压UR。
在开始,转子电压在其正常工作水平。在t11附近,转子电流增 加,转子逆变器被停止。转子电流就像电流源并在续流二极管79上 流入直流传输线77。在此,转子电压将在与直流传输线上的电压一 样的水平。
转子电压随直流传输线电压的增加而增加,在t12,箝位单元被 触发,转子电压被箝位到与所选择的箝位元件290的特性一致的水 平。在t13,箝位单元被断开,转子电流流入转子逆变器,且转子电 压跳到直流传输线电压的水平。在转子逆变器与实际的转子电流同步 时间之后,转子逆变器开始工作(t14),且转子电压的水平回到对 应于正常工作的水平。当短路条件在电网上保持时(t14-t15),由 于定子电压的下降,“正常”电压低于t11之前的电压。
当电压返回到电网时(t15),系统将依据电压降反应:
在t15附近,转子电流快速上升,且转子逆变器被停止;转子电 压增加到直流传输线电压的水平;
在t16附近,箝位单元被触发,且转子电压被箝位到由箝位元件 290的特性确定的水平;
在t17附近,箝位单元被断开,转子电流流入转子逆变器,转子 电压跳到直流传输线电压水平;
最后,在转子逆变器与实际的转子电流同步时间之后,在t18附 近,转子逆变器重新开始工作。
图4H示出了箝位电压UCL。理想地,箝位电压将在两个明确定义 的水平之间变化,即在零和箝位水平之间。
在整个说明书和权利要求书中,词“包括”均不意为排除其它 附加、元件、整体或步骤。
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