CN209072089U - 一种风电机组变桨系统高电压穿越控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种风电机组变桨系统高电压穿越控制器，通过在变桨系统电源模组驱动电源的整流电路中位于充电电阻的前端增加串联了热敏电阻，且通过切换继电器对热敏电阻进行通路/短路控制，并通过交流端电压采集器采集监测变桨系统电源模组驱动电源外部输入的三相交流电源的电压有效值，进而利用交流端电压比较器根据三相交流电源的电压情况控制切换继电器对热敏电阻的通路/短路工况进行切换，联合借助变桨系统中驱动电源、后备电源和备电源管理电路原有的低压保护功能，实现了对风电机组变桨电机驱动模块的高电压穿越控制，技术思路巧妙、系统改造成本和技术难度低，为风电机组中变桨电机驱动模块的高电压穿越控制提供了新的技术思路。

Description

一种风电机组变桨系统高电压穿越控制器

技术领域

本实用新型涉及风力发电系统控制技术领域，特别涉及一种风电机组变桨系统高电压穿越控制器。

背景技术

在风电机组中，变桨系统电源模组驱动电源是变桨系统的重要组成部分。如图1所示，变桨系统电源模组驱动电源主要包括整流电路、滤波电容电路、后备电源、以及后备电源管理电路，其主要功能是，将外部三相交流端400V交流电压通过整流电路变成脉动的直流电，再用滤波电容滤除脉动直流电中的交流成分后得到560V直流电源，加载到直流母线上，为变桨电机驱动模块提供560V直流电源；同时，变桨系统电源模组驱动电源还通过后备电源管理电路，负责对后备电源（超级电容）进行充电和低压保护管理，后备电源管理电路根据后备电源和变桨系统电源模组驱动电源输出至直流母线端的电压，当后备电源电压低于限值时备电源管理电路启动充电功能，通过变桨系统电源模组驱动电源对后备电源充电，当因外部三相电源交流端掉电等原因导致驱动电源输出至直流母线端电压过低时，后备电源管理电路启动升压功能，通过后备电源向直流母线端供电，使得直流母线端升压，以保证变桨电机驱动模块正常运行，实现低压保护功能。为了防止在开启主回路时大电容充电而引起电流过大损坏硅堆，故在变桨系统电源模组驱动电源的整流电路中设置有充电电阻进行限流，对滤波电容进行启动后的预充电过程，预充电的同时，对直流母线端的电压进行监测，当预充电至直流母线电压达到400 VDC后，通过设计控制电路切换使得充电电阻被短路，并结束限流启动的预充电过程，进入正常运行状态，对变桨电机驱动模块进行供电。

随着风电场规模和风力发电容量的不断扩大，当电网故障或者扰动，引起变桨系统电源模组驱动电源的外部输入三相交流电源的电压突然升高时，将会导致直流母线电压越限，从而对及直流母线电容构成威胁，甚至可能会导致严重的连锁反应，影响变桨电机驱动模块的正常运行。基于安全稳定运行和控制保护要求，很多国家制定了新的并网技术规定，近年来，高电压穿越已经越来越被重视，我国国标要求风电机组应满足高电压穿越要求，当发生高电压连锁故障穿越故障时，要求风电机组的各个组件能够在规定的电压和时间范围内应具备不脱网连续运行的能力，以能够在电压恢复正常后快速实现功率恢复。对于风电机组的变桨系统，也应当设计满足高电压穿越要求。

因此，需要对风电机组的变桨系统电源模组驱动电源的相关电路设计进行改造优化，使得风电机组的变桨电机驱动模块具备一定的高电压穿越能力，使其在电网故障或者扰动引起电压突然升高时，风电机组能够不间断的运行，完成电网电压骤升到恢复正常过程的高电压故障穿越。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述不足，本实用新型的目的在于提供一种风电机组变桨系统高电压穿越控制器，用以使得风电机组的变桨电机驱动模块具备高电压故障穿越能力。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种风电机组变桨系统高电压穿越控制器，用于对于风电机组的变桨电机驱动模块执行高电压穿越控制，包括变桨系统电源模组驱动电源，所述变桨系统电源模组驱动电源包括整流电路、滤波电容电路、后备电源、以及后备电源管理电路，所述整流电路中设置有充电电阻；在所述变桨系统电源模组驱动电源的整流电路中位于充电电阻的前端还串联设置有热敏电阻；还包括交流端电压采集器、交流端电压比较器和切换继电器；所述交流端电压采集器用于采集变桨系统电源模组驱动电源外部输入的三相交流电源的电压有效值，且交流端电压采集器的输出端电连接至交流端电压比较器的比较信号输入端；所述交流端电压比较器的基准参考电压值为高电压穿越触发电压值，交流端电压比较器的输出端与切换继电器的控制端电连接；所述切换继电器为常闭型继电器，且切换继电器的触点端并联在所述整流电路中热敏电阻的两端。

上述风电机组变桨系统高电压穿越控制器中，作为优选方案，所述整流电路中热敏电阻能够承受大于或等于170V的直流电压，且在高电压到来时能够增大阻值隔离交流电网与直流母线。

上述风电机组变桨系统高电压穿越控制器中，作为优选方案，所述高电压穿越触发电压值为变桨系统电源模组驱动电源外部输入的三相交流电源基准电压有效值的1.1倍至1.3倍。

相应地，本实用新型还提供了一种风电机组变桨系统高电压穿越控制方法；为此，本实用新型采用了如下的技术方案：

相比于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的风电机组变桨系统高电压穿越控制器，主要设计改进之处在于，在变桨系统电源模组驱动电源的整流电路中位于充电电阻的前端增加串联了热敏电阻，且通过切换继电器对热敏电阻进行通路/短路控制，并通过交流端电压采集器采集监测变桨系统电源模组驱动电源外部输入的三相交流电源的电压有效值，进而利用交流端电压比较器根据三相交流电源的电压情况控制切换继电器对热敏电阻的通路/短路工况进行切换，联合借助变桨系统中驱动电源、后备电源和备电源管理电路原有的低压保护功能，实现了对风电机组变桨电机驱动模块的高电压穿越控制，技术思路巧妙、系统改造成本和技术难度低，为风电机组中变桨电机驱动模块的高电压穿越控制提供了新的技术思路。

附图说明

图1为现有技术中变桨系统电源模组驱动电源的相关电路结构示意图。

图2为本实用新型风电机组变桨系统高电压穿越控制器的一种结构示意图。

图3为变桨系统中备电源管理电路的一种结构原理示意图。

具体实施方式

如图2所示，本实用新型提供了一种风电机组变桨系统高电压穿越控制器，用于对于风电机组的变桨电机驱动模块执行高电压穿越控制，该系统所述变桨系统电源模组驱动电源包括整流电路、滤波电容电路、后备电源、以及后备电源管理电路，所述整流电路中设置有充电电阻；此外，作为改进设计，在所述变桨系统电源模组驱动电源的整流电路中位于充电电阻的前端还串联设置有热敏电阻；还包括交流端电压采集器、交流端电压比较器和切换继电器；所述交流端电压采集器用于采集变桨系统电源模组驱动电源外部输入的三相交流电源的电压有效值，且交流端电压采集器的输出端电连接至交流端电压比较器的比较信号输入端；所述交流端电压比较器的基准参考电压值为高电压穿越触发电压值，交流端电压比较器的输出端与切换继电器的控制端电连接；所述切换继电器为常闭型继电器，且切换继电器的触点端并联在所述整流电路中热敏电阻的两端。

在本实用新型的风电机组变桨系统高电压穿越控制器中，变桨系统电源模组驱动电源的原有电路、后备电源、以及后备电源管理电路，都按照变桨系统的已有设置工况工作即可，特别是后备电源和后备电源管理电路，在本实用新型的风电机组变桨系统高电压穿越控制器中未针对二者作设计改动，完全可以采用变桨系统中已有的后备电源和后备电源管理电路设计。例如，后备电源可以采用超级电容来实现。后备电源管理电路则可以采用如图3所示的现有技术中常用的后备电源管理电路，UDC+和UDC-表示直流母线电压的正、负极端子；直流母线电压正常期间，在充电控制过程中，备电源管理电路中的 IGBT半桥的上管工作，下管不工作，后备电源管理控制器通过调整PWM信号的占空比调整充电电压和电流，控制UDC+向后备电池（超级电容）充电；而当直流母线电压过低时，备电源管理电路中的IGBT半桥的上管不工作，下管工作，后备电源管理控制器通过调整PWM信号的占空比控制直流母线电压，PWM高电平期间，下管导通，外接电抗器储能，PWM低电平期间，下管截止，外接电抗器电压与电池的电压叠加后，其叠加电压的正极端通过上管中的续流二极管连接到直流母线的UDC+端，从而使直流母线电压上升。

在本实用新型的风电机组变桨系统高电压穿越控制器中，主要设计改进之处在于，在变桨系统电源模组驱动电源的整流电路中位于充电电阻的前端增加串联了热敏电阻，且通过切换继电器对热敏电阻进行通路/短路控制，并通过交流端电压采集器采集监测变桨系统电源模组驱动电源外部输入的三相交流电源的电压有效值，进而利用交流端电压比较器根据三相交流电源的电压情况控制切换继电器对热敏电阻的通路/短路工况进行切换，来执行对风电机组的变桨电机驱动模块的高电压穿越控制。其具体控制方式如下：

交流端电压采集器实时监测采集变桨系统电源模组驱动电源外部输入的三相交流电源的电压有效值，传输至交流端电压比较器的比较信号输入端，通过交流端电压比较器对所述三相交流电源的电压有效值与高电压穿越触发电压值进行比较；当三相交流电源的电压有效值低于高电压穿越触发电压值时，交流端电压比较器的输出端无控制信号输出，切换继电器的触点端保持常闭状态，使得对变桨系统电源模组驱动电源的整流电路中的热敏电阻两端短路，变桨系统电源模组驱动电源保持正常工作，为变桨电机驱动模块供电；而当出现高电压故障，导致所述三相交流电源的电压有效值达到过超过高电压穿越触发电压值时，交流端电压比较器的输出端则输出控制信号，控制切换继电器的触点端断开，使得变桨系统电源模组驱动电源的整流电路中的热敏电阻串联到直流母线，由于母线电流流过热敏电阻，热敏电阻温度迅速上升，阻值迅速升高，变桨系统电源模组驱动电源输出至直流母线端的电压降低，触发后备电源管理电路启动后备电源向直流母线端供电，从而将交流高压与直流母线隔离，同时也保持变桨电机驱动模块得以供电工作。

可以看到，在上述的控制过程中，当三相交流电源的电压有效值低于高电压穿越触发电压值的状态下，变桨系统电源模组驱动电源的整流电路中的热敏电阻是处于短路状态的，即该热敏电阻对整流电路的工作工况无影响，此时变桨系统电源模组驱动电源整流电路的工作工况完全与现有技术中保持一致；而当出现高电压故障导致所述三相交流电源的电压有效值达到过超过高电压穿越触发电压值时，则会触发交流端电压比较器控制切换继电器的触点端断开，使得变桨系统电源模组驱动电源的整流电路中的热敏电阻串联到直流母线，而由于流过热敏电阻的电流较大，热敏电阻的热敏效应明显，因此热敏电阻阻值升高，这样使得加载在热敏电阻上的电压逐渐升高，从而导致变桨系统电源模组驱动电源输出至直流母线端的电压逐渐降低，触发后备电源管理电路启动后备电源向直流母线端供电，保持变桨电机驱动模块得以供电工作，从而实现了变桨系统电源模组驱动电源的高电压穿越控制要求，使得风电机组的变桨电机驱动模块具备了高电压故障穿越能力。

通过本实用新型风电机组变桨系统高电压穿越控制器及上述控制过程可以看到，其仅仅通过增设了热敏电阻、交流端电压采集器、交流端电压比较器、切换继电器等简单的电路元件，并联合借助变桨系统中驱动电源、后备电源和备电源管理电路原有的低压保护功能，就实现了对变桨电机驱动模块的高电压穿越控制，技术思路巧妙、系统改造成本和技术难度低，为风电机组中变桨电机驱动模块的高电压穿越控制提供了新的技术思路。

在具体技术实施时，本实用新型风电机组变桨系统高电压穿越控制器中，在发生高电压故障时，接入整流电路中的热敏电阻会由于热敏效应阻值升高，承载大部分的电压，因此热敏电阻的选用需要根据电压承载的需求进行选择；而作为优选，在选用热敏电阻时，应能够保证整流电路中热敏电阻至少能够承受大于或等于170V的直流电压，170V相当于1.3倍交流供电整流后的730V电压与直流母线上的560V基准直流电压的差值，这样更有利于实现在1.3倍额定电压下正常运行的高电压穿越标准要求，同时要求选用的热敏电阻在高电压到来时能够迅速增大阻值隔离交流电网与直流母线。交流端电压采集器用于采集变桨系统电源模组驱动电源外部输入的三相交流电源的电压有效值，能够采集三相交流电的电压有效值的交流端电压采集器产品已经是成熟技术产品，能够通过市购获得。交流端电压比较器可以采用比较器电路来实现，只是，采用比较器电路实现时，需要在电路中设计一个达到高电压穿越触发电压值的电压信号电路接入到比较器电路的基准信号输入端，高电压穿越触发电压值通常根据高电压穿越的需要，设计为变桨系统电源模组驱动电源外部输入的三相交流电源基准电压有效值的1.1倍至1.3倍，这样在一定程度上会使得电路改造的成本和系统功耗有一定程度的增加；作为另一种技术实现方式，交流端电压比较器也可以采用数字信号处理器通过编程控制进行电压值比较来得以实现，这样可以通过编程设计将数字信号处理器进行电压比较的基准电压值设置为高电压穿越触发电压值（例如变桨系统电源模组驱动电源外部输入的三相交流电源基准电压有效值的1.1倍至1.3倍），就避免了增加设计高电压穿越触发电压信号电路的成本和电路功耗，利用数字信号处理器编程实现电压值比较功能也是现有技术中非常成熟的电子技术，技术实现更为简单，也更有利于简化系统改造工作。切换继电器则采用现有技术中风电机组变桨系统常用的常闭型投切继电器产品即可。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种风电机组变桨系统高电压穿越控制器，用于对于风电机组的变桨电机驱动模块执行高电压穿越控制，包括变桨系统电源模组驱动电源，所述变桨系统电源模组驱动电源包括整流电路、滤波电容电路、后备电源、以及后备电源管理电路，所述整流电路中设置有充电电阻；其特征在于，在所述变桨系统电源模组驱动电源的整流电路中位于充电电阻的前端还串联设置有热敏电阻；还包括交流端电压采集器、交流端电压比较器和切换继电器；所述交流端电压采集器用于采集变桨系统电源模组驱动电源外部输入的三相交流电源的电压有效值，且交流端电压采集器的输出端电连接至交流端电压比较器的比较信号输入端；所述交流端电压比较器的基准参考电压值为高电压穿越触发电压值，交流端电压比较器的输出端与切换继电器的控制端电连接；所述切换继电器为常闭型继电器，且切换继电器的触点端并联在所述整流电路中热敏电阻的两端。

2.根据权利要求1所述风电机组变桨系统高电压穿越控制器，其特征在于，所述整流电路中热敏电阻能够承受大于或等于170V的直流电压，且在高电压到来时能够增大阻值隔离交流电网与直流母线。

3.根据权利要求1所述风电机组变桨系统高电压穿越控制器，其特征在于，所述高电压穿越触发电压值为变桨系统电源模组驱动电源外部输入的三相交流电源基准电压有效值的1.1倍至1.3倍。