CN109449992A - 变流器机侧共模电压抑制装置及方法、变流器与风机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变流器机侧共模电压抑制装置及方法、变流器与风机。所述装置包括：整流模块、直流母线、直流支撑电容、可控逆变模块以及隔离变压器，其中，整流模块、直流支撑电容、可控逆变模块、隔离变压器依次排列设置在发电设备的输出端与电网之间；其中，整流模块的输入端用于连接所述发电设备的输出端，所述整流模块的输出端连接到直流母线；直流支撑电容的正极和负极分别连接到所述直流母线的直流正母线和直流负母线；直流母线经由可控逆变模块连接到隔离变压器的原边，隔离变压器的副边连接到电网。根据所述装置及方法、变流器与风力发电机组，能够在很好地抑制机侧共模电压的同时，额外向电网馈送交流电。

Description

变流器机侧共模电压抑制装置及方法、变流器与风机

技术领域

本发明总体说来涉及电子电力技术领域，更具体地讲，涉及一种变流器机侧共模电压抑制装置及方法、变流器与风机(即，风力发电机组)。

背景技术

目前，主要采用如图1所示的由电阻R、电感L及电容C组成的RLC共模电压滤波电路来对变流器的机侧共模电压进行滤波，以减小机侧共模电压的幅值。然而，这种抑制机侧共模电压的方式对于变流器机侧参数、发电设备参数、变流器与发电设备之间的线缆长度都比较敏感，需要针对不同发电设备设置不同的RLC参数，并且对于高频机侧共模电压的尖峰无法完全抑制，此外，通过这种抑制机侧共模电压的方式最终将机侧共模电压的能量转化为热量散发出去，导致RLC共模电压滤波电路的发热量较大。

发明内容

本发明的示例性实施例在于提供一种变流器机侧共模电压抑制装置及方法、变流器与风力发电机组，以降低抑制机侧共模电压对各个器件参数的选型依赖，提升变流器机侧共模电压抑制方案的适用性。

根据本发明的示例性实施例，提供一种变流器机侧共模电压抑制装置，所述装置包括：整流模块、直流母线、直流支撑电容、可控逆变模块以及隔离变压器，其中，整流模块、直流支撑电容、可控逆变模块、隔离变压器依次排列设置在发电设备的输出端与电网之间；其中，整流模块的输入端用于连接所述发电设备的输出端，所述整流模块的输出端连接到直流母线；直流支撑电容的正极和负极分别连接到所述直流母线的直流正母线和直流负母线；直流母线经由可控逆变模块连接到隔离变压器的原边，隔离变压器的副边连接到电网。

可选地，所述装置还包括：预充电模块，其中，隔离变压器的副边经由预充电模块连接到电网，预充电模块从电网获取电压对直流母线进行预充电。

可选地，所述整流模块为不控整流桥，所述不控整流桥包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管，其中，第一二极管与第二二极管串接在直流正母线与直流负母线之间；第三二极管与第四二极管串接在直流正母线与直流负母线之间；第一二极管的阴极和第三二极管的阴极连接到直流正母线，第二二极管的阳极和第四二极管的阳极连接到直流负母线；第一二极管的阳极连接所述发电设备的输出端，第三二极管的阳极接地。

可选地，所述可控逆变模块包括：第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管以及第四续流二极管，其中，第一绝缘栅双极型晶体管的集电极和第三绝缘栅双极型晶体管的集电极连接到直流正母线，第二绝缘栅双极型晶体管的发射极和第四绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到直流负母线，第一绝缘栅双极型晶体管的发射极和第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接到隔离变压器的原边的一端，第三绝缘栅双极型晶体管的发射极和第四绝缘栅双极型晶体管的集电极连接到隔离变压器的原边的另一端，其中，第一绝缘栅双极型晶体管与第一续流二极管反向并联、第二绝缘栅双极型晶体管与第二续流二极管反向并联、第三绝缘栅双极型晶体管与第三续流二极管反向并联、第四绝缘栅双极型晶体管与第四续流二极管反向并联。

可选地，所述预充电模块包括：预充电接触器、预充电电阻和主接触器，其中，隔离变压器的副边的一端连接到预充电接触器的一端和主接触器的一端，主接触的另一端连接到电网，预充电接触器的另一端经由预充电电阻连接到电网。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种变流器，所述变流器包括如上所述的变流器机侧共模电压抑制装置。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括如上所述的变流器，所述发电设备为所述风力发电机组的发电机，所述发电机的三相输出端连接到所述变流器的输入端。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种变流器机侧共模电压抑制方法，所述方法应用于如上所述的变流器机侧共模电压抑制装置，所述方法包括：当变流器运行产生机侧共模电压时，通过整流模块将产生的机侧共模电压整流为直流电压，并将整流后的直流电压输出到直流母线，并通过直流支撑电容对直流母线的电压进行升压；通过可控逆变模块将直流母线的电压逆变为单相交流电压；通过隔离变压器将可控逆变模块输出的单相交流电压变换为能够接入到电网的交流电压并将变换后的交流电压接入到电网。

可选地，所述方法还包括：在所述变流器开始运行之前，通过预充电模块从电网获取电压，以便对直流母线进行预充电，直至直流母线的电压达到预设值，停止对直流母线进行预充电。

可选地，在所述直流母线的电压达到所述预设值，停止对直流母线进行预充电的步骤之后，隔离变压器的副边直接连接到电网，可控逆变模块进行脉冲宽度调制，将所述直流母线的电压稳定在预设范围内。

根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制装置及方法，通过对机侧共模电压进行吸收、存储、逆变，并最终转化为能够接入到电网的交流电馈送到电网，能够在很好地抑制机侧共模电压的同时，增加发电设备的发电量、提高发电设备的发电效率、减小发热量；并且，对变流器机侧参数、发电设备参数、变流器与发电设备之间的线缆长度都不敏感，从而能够很好地适用于不同的使用情况，提升变流器机侧共模电压抑制方案的适用性。

将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。

附图说明

通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的描述，本发明示例性实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出现有的用于对机侧共模电压进行滤波的RLC共模电压滤波电路的示例；

图2示出根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制装置的示意图；

图3示出根据本发明的另一示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制装置的示意图；

图4示出根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制装置的电路图；

图5示出根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制方法的流程图；

图6示出根据本发明的另一示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制方法的流程图。

具体实施方式

现将详细参照本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本发明。

图2示出根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制装置的示意图。

如图2所示，根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制装置包括：整流模块10、直流母线20、直流支撑电容30、可控逆变模块40、以及隔离变压器50。整流模块10、直流支撑电容30、可控逆变模块40、隔离变压器50依次排列设置在发电设备的输出端与电网之间。

整流模块10的输入端用于连接所述发电设备的输出端，整流模块10的输出端连接到直流母线20；直流支撑电容30的正极和负极分别连接到直流母线20的直流正母线和直流负母线；直流母线20经由可控逆变模块40连接到隔离变压器50的原边，隔离变压器50的副边连接到电网。整流模块10将变流器运行时产生的机侧共模电压整流为直流电压，并将整流后的直流电压输出到直流母线20，隔离变压器50对可控逆变模块40输出的单相交流电压进行变换，将变换后的交流电压接入到电网，并对共模电压和电网进行隔离。

作为示例，所述发电设备可以是风力发电机组的发电机。应该理解，所述发电设备也可以是其他类型的发电设备。

作为示例，整流模块10的输入端可连接到所述发电设备的三相输出端(即，A相输出端、B相输出端和C相输出端)之一，并且，所述三相输出端连接到所述变流器的输入端。

在图2中，仅以整流模块10的输入端连接到所述发电设备的A相输出端为例，这里，应该理解，整流模块10的输入端也可连接到所述发电设备的B相输出端或C相输出端，实际上，针对一个发电设备应设置三个根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制装置，该发电设备的三相输出端与这三个变流器机侧共模电压抑制装置一一对应，每一相输出端分别连接到对应的变流器机侧共模电压抑制装置，从而实现抑制变流器与发电设备的各相对应的机侧共模电压。此外，图2中的GND指示接地。

具体说来，整流模块10用于将变流器运行时产生的机侧共模电压整流为直流电压，并将整流后的直流电压输出到直流母线20。

作为示例，整流模块10可为包括4个二极管的不控整流桥。

作为示例，所述二极管可为碳化硅二极管。考虑到变流器的机侧共模电压的频率较高、电压变化率较大，根据本发明的示例性实施例可通过耐压能力较高、反向恢复时间较短的碳化硅二极管来实现对高频率、大电压变化率的机侧共模电压的不控整流功能，从而能够对高频机侧共模电压的尖峰进行很好地抑制、提高了对机侧共模电压的吸收效果。

直流支撑电容30用于对整流模块10输出的直流电压进行储能，以使直流母线20的直流电压升高，即，直流支撑电容30用于对直流母线20的电压进行升压，起到稳定直流母线20的电压的作用。

作为示例，直流支撑电容30可采用耐压较高的薄膜电容。

可控逆变模块40用于将直流母线20的电压稳定在预设范围内，并将直流母线20的直流电压逆变为单相交流电压，即，将直流母线20的直流能量转换为交流能量。

作为示例，可控逆变模块40可包括4个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或者金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

隔离变压器50用于将可控逆变模块40输出的单相交流电压变换为能够接入到电网的交流电压并将变换后的交流电压接入到电网，并对机侧共模电压和电网进行隔离，以防止机侧共模电压对电网造成干扰。

作为示例，隔离变压器50可将可控逆变模块40输出的交流电压转化为230V的交流电压并接入到电网，以将交流能量馈入电网。

根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制装置，使机侧共模电压的能量，从变流器与大地之间通过整流模块10、直流支撑电容30、可控逆变模块40、隔离变压器50最终流入电网，从而在很好地抑制机侧共模电压的同时，增加了风力发电机组的发电量。

根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制装置，与现有的RLC共模电压滤波电路相比，体积小、重量轻、发热量小，并且对于机侧共模电压的能量有很好的吸收能力，能够额外增加发电设备的发电量。根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制装置可应用到已经运行的机侧共模电压超标的发电设备作为RLC共模电压滤波电路的补充，也可在新的发电设备设计中应用。

图3示出根据本发明的另一示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制装置的框图。

如图3所示，根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制装置包括：整流模块10、直流母线20、直流支撑电容30、可控逆变模块40、隔离变压器50、以及预充电模块60。

整流模块10、直流母线20、直流支撑电容30、可控逆变模块40以及隔离变压器50之间的连接方式、具体实现方式可参照上述结合图2描述的具体实施方式来实现，在此不再赘述。

隔离变压器50的副边经由预充电模块60连接到电网，预充电模块60从电网获取电压对直流母线20进行预充电。

作为示例，预充电模块60用于在变流器机侧还未启动之前给直流母线20缓慢充电，以建立直流母线20的电压，从而避免变流器机侧启动对于直流支撑电容30造成冲击。

图4示出根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制装置的电路图。

如图4所示，作为示例，整流模块10可包括：第一二极管101、第二二极管103、第三二极管103以及第四二极管104，其中，第一二极管101与第二二极管102串接在直流母线20的直流正母线201与直流负母线202之间；第三二极管103与第四二极管104串接在直流正母线201与直流负母线202之间；第一二极管101的阴极(也即，K极)和第三二极管103的阴极连接到直流正母线，第二二极管102的阳极(也即，A极)和第四二极管104的阳极连接到直流负母线；第一二极管101的阳极连接所述发电设备的输出端，第三二极管103的阳极接地。

作为示例，可控逆变模块40可包括：第一绝缘栅双极型晶体管401、第二绝缘栅双极型晶体管402、第三绝缘栅双极型晶体管403、第四绝缘栅双极型晶体管404、第一续流二极管405、第二续流二极管406、第三续流二极管407以及第四续流二极管408，其中，第一绝缘栅双极型晶体管401的集电极(也即，C极)和第三绝缘栅双极型晶体管403的集电极连接到直流正母线201，第二绝缘栅双极型晶体管402的发射极(也即，E极)和第四绝缘栅双极型晶体管404的发射极连接到直流负母线202，第一绝缘栅双极型晶体管401的发射极和第二绝缘栅双极型晶体管402的集电极连接到隔离变压器50的原边的一端(也即，隔离变压器50的1脚)，第三绝缘栅双极型晶体管403的发射极和第四绝缘栅双极型晶体管404的集电极连接到隔离变压器50的原边的另一端(也即，隔离变压器50的2脚)，第一绝缘栅双极型晶体管401与第一续流二极管405反向并联、第二绝缘栅双极型晶体管402与第二续流二极管406反向并联、第三绝缘栅双极型晶体管403与第三续流二极管407反向并联、第四绝缘栅双极型晶体管404与第四续流二极管408反向并联。

作为示例，预充电模块60可包括：预充电接触器601、预充电电阻602和主接触器603，其中，隔离变压器50的副边的一端(也即，隔离变压器50的3脚)连接到预充电接触器601的一端(也即，预充电接触器601的1脚)和主接触器603的一端(也即，主接触器603的1脚)，主接触603的另一端(也即，主接触器603的2脚)连接到电网，预充电接触器601的另一端(也即，预充电接触器601的2脚)经由预充电电阻602连接到电网。

这里，当需要对直流母线20进行预充电时，预充电接触器601闭合，主接触器603断开；当预充电结束时，预充电接触器601断开，主接触器603闭合。

本发明的示例性实施例还提供一种变流器，所述变流器包括如上述示例性实施例所述的变流器机侧共模电压抑制装置。

本发明的示例性实施例还提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括如上述示例性实施例所述的变流器，其中，所述发电设备为所述风力发电机组的发电机，所述发电机的三相输出端连接到所述变流器的输入端。

图5示出根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制方法的流程图。这里，所述方法应用于如上述示例性实施例所述的变流器机侧共模电压抑制装置。

在S10，当变流器运行产生机侧共模电压时，通过整流模块10将产生的机侧共模电压整流为直流电压，并将整流后的直流电压输出到直流母线20，并通过直流支撑电容30对直流母线20的电压进行升压。

在S20，通过可控逆变模块40将直流母线20的电压逆变为单相交流电压。

在S30，通过隔离变压器50将可控逆变模块40输出的单相交流电压变换为能够接入到电网的交流电压并将变换后的交流电压接入到电网。这里，在执行根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制方法的过程中，隔离变压器50还能对共模电压和电网进行隔离。

作为示例，根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制方法还可包括：在所述变流器开始运行之前，通过预充电模块60从电网获取电压，以便对直流母线20进行预充电，直至直流母线20的电压达到预设值，停止对直流母线20进行预充电。例如，所述预设值可为720V。

作为示例，在直流母线20的电压达到所述预设值，停止对直流母线20进行预充电的步骤之后，隔离变压器50的副边直接连接到电网，可控逆变模块40进行脉冲宽度调制(PWM)，将直流母线20的电压稳定在预设范围内。例如，可使用脉冲宽度调制通过对可控逆变模块40的IGBT或MOSFET的控制，来将直流母线20的电压稳定在所述预设范围内。

图6示出根据本发明的另一示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制方法的流程图。

参照图6，在S101，当根据本发明示例性实施例的变流器机侧共模电压抑制装置上电之后，进入初始化流程。

在S102，当自检通过之后，控制预充电模块60的预充电接触器601闭合、主接触器603断开，以通过预充电电阻602、隔离变压器50和可控逆变模块40来给直流母线20充电。

在S103，检测直流母线20的电压U_d是否达到所述预设值。

在S104，当检测到直流母线20的电压达到所述预设值时，控制预充电模块60的预充电接触器601断开、主接触器603闭合。当直流母线20的电压U_d无法达到所述预设值时，执行S105，通知故障。

在S106，在主接触器603闭合之后，可控逆变模块40进行PWM调制工作，将直流母线20的电压稳定在所述预设范围内。

在S107，变流器机侧启动。

在S108和S109，当变流器机侧启动，产生机侧共模电压之后，通过整流模块10将共模电压整流为直流，并通过直流支撑电容30进行能量存储。

在S110，当可控逆变模块40检测到由于直流支撑电容30储能造成直流母线20的电压升高之后，可对直流母线20的电压进行闭环控制以将直流母线20的电压控制在所述预设范围内，并将直流母线20的直流电压转换为交流电压。

在S111和S112，通过隔离变压器50对可控逆变模块40输出的单相交流电压进行降压和隔离，并最终并入电网。

虽然已表示和描述了本发明的一些示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (10)

1.一种变流器机侧共模电压抑制装置，其特征在于，所述装置包括：整流模块、直流母线、直流支撑电容、可控逆变模块以及隔离变压器，其中，整流模块、直流支撑电容、可控逆变模块、隔离变压器依次排列设置在发电设备的输出端与电网之间；

其中，整流模块的输入端用于连接所述发电设备的输出端，所述整流模块的输出端连接到直流母线；

直流支撑电容的正极和负极分别连接到所述直流母线的直流正母线和直流负母线；

直流母线经由可控逆变模块连接到隔离变压器的原边，隔离变压器的副边连接到电网。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：预充电模块，

其中，隔离变压器的副边经由预充电模块连接到电网，预充电模块从电网获取电压对直流母线进行预充电。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述整流模块为不控整流桥，所述不控整流桥包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管，

其中，第一二极管与第二二极管串接在直流正母线与直流负母线之间；第三二极管与第四二极管串接在直流正母线与直流负母线之间；第一二极管的阴极和第三二极管的阴极连接到直流正母线，第二二极管的阳极和第四二极管的阳极连接到直流负母线；

第一二极管的阳极连接所述发电设备的输出端，第三二极管的阳极接地。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述可控逆变模块包括：第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管以及第四续流二极管，

其中，第一绝缘栅双极型晶体管的集电极和第三绝缘栅双极型晶体管的集电极连接到直流正母线，第二绝缘栅双极型晶体管的发射极和第四绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到直流负母线，

第一绝缘栅双极型晶体管的发射极和第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接到隔离变压器的原边的一端，第三绝缘栅双极型晶体管的发射极和第四绝缘栅双极型晶体管的集电极连接到隔离变压器的原边的另一端，

其中，第一绝缘栅双极型晶体管与第一续流二极管反向并联、第二绝缘栅双极型晶体管与第二续流二极管反向并联、第三绝缘栅双极型晶体管与第三续流二极管反向并联、第四绝缘栅双极型晶体管与第四续流二极管反向并联。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述预充电模块包括：预充电接触器、预充电电阻和主接触器，

其中，隔离变压器的副边的一端连接到预充电接触器的一端和主接触器的一端，主接触的另一端连接到电网，预充电接触器的另一端经由预充电电阻连接到电网。

6.一种变流器，其特征在于，所述变流器包括如权利要求1至5之中任一权利要求所述的变流器机侧共模电压抑制装置。

7.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如权利要求6所述的变流器，所述发电设备为所述风力发电机组的发电机，所述发电机的三相输出端连接到所述变流器的输入端。

8.一种变流器机侧共模电压抑制方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1至5中任一权利要求所述的变流器机侧共模电压抑制装置，所述方法包括：

当变流器运行产生机侧共模电压时，通过整流模块将产生的机侧共模电压整流为直流电压，并将整流后的直流电压输出到直流母线，并通过直流支撑电容对直流母线的电压进行升压；

通过可控逆变模块将直流母线的电压逆变为单相交流电压；

通过隔离变压器将可控逆变模块输出的单相交流电压变换为能够接入到电网的交流电压并将变换后的交流电压接入到电网。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述变流器开始运行之前，通过预充电模块从电网获取电压，以便对直流母线进行预充电，直至直流母线的电压达到预设值，停止对直流母线进行预充电。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述直流母线的电压达到所述预设值，停止对直流母线进行预充电的步骤之后，隔离变压器的副边直接连接到电网，可控逆变模块进行脉冲宽度调制，将所述直流母线的电压稳定在预设范围内。