CN111245005A - 一种集成风电主控的双馈变流器 - Google Patents

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CN111245005A CN201911052901.4A CN201911052901A CN111245005A CN 111245005 A CN111245005 A CN 111245005A CN 201911052901 A CN201911052901 A CN 201911052901A CN 111245005 A CN111245005 A CN 111245005A
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Abstract

本发明公开了一种集成风电主控的双馈变流器，包括多功能柜，多功能柜中设有并网模块、功率模块和控制模块，控制模块包括主控***、变流器接口***和配电单元，主控***与变流器接口***连接，变流器接口***与功率模块连接，配电单元分别与主控***和变流器接口***连接，并网模块与功率模块连接。本发明为双馈风力发电机组省去了一个需放置主控***的主控控制柜，同时将主控***与双馈变流器中的部分功能进行集成合并，优化电气设计，有效降低了机组成本，提高了双馈变流器响应速度，减少了通讯线路干扰发生的概率，提高了双馈风力发电机组运行的稳定性；可实现变流器程序的远程维护，大大减少了现场运维的工作量。

Description

一种集成风电主控的双馈变流器
技术领域
本发明涉及双馈风力发电机组电控***领域，尤其涉及一种集成风电主控的双馈变流器。
背景技术
双馈风力发电机组电控***主要由主控***、监控***、变桨控制***、双馈变流器组成。其中，主控***是风机控制***的主体，它实现机组的自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。主控***对外的三个主要接口***就是监控***、变桨控制***以及双馈变流器，它与监控***接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制***接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与双馈变流器接口实现对机组有功功率以及无功功率的自动调节。目前现有的双馈风力发电机组电控***主流技术中，主控***与双馈变流器是两套独立的***，主控***与双馈变流器均置于塔基。但是，随着风电市场竞争的日益激烈以及风电平价上网的时代的到来,对双馈风力发电机组的成本控制要求越来越高。因此，在满足双馈风力发电机组正常控制性能的前提下,可以通过对双馈风力发电机组的电控***进行集成化设计来实现降低成本的目的。
例如，中国专利文献 CN203278605U 公开了“带有可抽拉移动的电气控制盒及变流器模块框架的双馈变流器”，由电气控制盒、网侧模块和机侧模块组成；可伸缩抽拉的电气控制盒与网侧模块和机侧模块组装在一起，可以充分利用变流器深度方向的尺寸。该专利文献只是缩小了变流器自身的控制部分所占用的空间，无法减小整个双馈风力发电机组所占用的空间，也就无法降低整个双馈风力发电机组的成本。
发明内容
本发明主要解决原有的双馈风力发电机组成本高的技术问题；提供一种集成风电主控的双馈变流器，将主控***与双馈变流器集成化设计，有效降低双馈风力发电机组的成本。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括多功能柜，所述多功能柜中设有并网模块、功率模块和控制模块，所述控制模块包括主控***、变流器接口***和配电单元，所述主控***与变流器接口***连接，所述变流器接口***与功率模块连接，所述配电单元分别与主控***和变流器接口***连接，所述并网模块与功率模块连接。
变流器接口***与主控***连接，接收主控***的控制指令，并将双馈变流器的实时状态信号反馈至主控***；变流器接口***与功率模块连接，完成对功率模块的驱动和调制，控制机组有功功率和无功功率，实现双馈风力发电机机组变速恒频发电；主控***与变流器接口***连接，主控***根据机组实际运行工况下发功率模块控制指令给变流器接口***，并接收双馈变流器的实时状态反馈信号。采用集成风电主控的双馈变流器相比于原有的双馈风力发电机组省去了一个需放置主控***的主控控制柜，同时将主控***与双馈变流器中的部分功能进行集成合并，优化电气设计，有效降低了机组成本。
作为优选，所述的主控***包括集成式主控—变流器控制器、I/O模块、主控控制继电器、CANopen通讯模块、对外接口模块、人机界面、交换机和电力测量端子模块，所述集成式主控—变流器控制器分别与I/O模块、CANopen通讯模块、对外接口模块、人机界面、交换机和电力测量端子模块连接，所述CANopen通讯模块和对外接口模块均与所述的变流器接口***连接，所述I/O模块与主控控制继电器连接。
集成式主控—变流器控制器是双馈风力发电机组主控***与双馈变流器的控制算法载体，存储主控***与双馈变流器的应用程序，将主控***程序和双馈变流器控制程序集成在一个控制器内，可以实现变流器程序的远程维护，大大减少了现场运维的工作量；电力测量端子模块测量主断路器出口端三相电压和电流信号，用于机组上网功率计量；交换机包括风场通讯交换机和视频监控交换机，采用双模光纤通讯方式；I/O模块包括数字量模块和模拟量模块，数字量模块的功能为输出辅助回路控制信号和接收反馈信号，模拟量模块的功能为采集***设备温度信号以及箱变模拟量信号；主控控制继电器接收I/O模块的控制信号，完成主控***辅助回路控制；CANopen通讯模块承担集成式主控—变流器控制器与变流器接口***的数据交互，传输控制器下发的功率模块控制指令和双馈变流器的状态反馈信号；对外接口模块传输主控***与变流器接口***之间硬件控制指令和反馈信号；工作人员可通过人机界面对机组进行操作、浏览机组运行状态。采用集成式主控—变流器控制器，省去了原有机组中双馈变流器的DSP控制板，提高了双馈变流器响应速度，同时还可以大大减少通讯线路干扰发生的概率，提高双馈风力发电机组运行的稳定性。
作为优选，所述的主控***还包括安全链***，所述安全链***与集成式主控—变流器控制器连接。
安全链***是独立于主控***与双馈变流器软件的保护措施，采用反逻辑设计，将可能对双馈风力发电机组造成严重损害的故障用常闭触点串联成一个回路，只有当每个触点都处于闭合状态才能触发安全链继电器处于激活状态，一旦其中一个触点断开，将引起整个安全链回路断电，安全链继电器处于断开状态，机组进入紧急停机过程，并且主控***与双馈变流器处于闭锁状态。如果故障触点没有恢复到闭合状态，则机组将无法进入正常运行状态。安全链***的存在能够有效的保障机组的安全运行。
作为优选，所述的功率模块包括网侧滤波器单元、机侧滤波器单元、IGBT功率单元和Crowbar单元，所述网侧滤波器单元与所述的并网模块连接，所述网侧滤波器单元和机侧滤波器单元均与IGBT功率单元连接，所述机侧滤波器单元与Crowbar单元连接，所述IGBT功率单元与所述的变流器接口***连接。
网侧滤波器单元用于吸收高频分量，防止变流器的开关噪声污染电网；机侧滤波器单元可以有效降低输出电压的变化率，改善发电机转子承受尖峰电压和du/dt的电应力，延长发电机转子的绝缘寿命；在电网电压骤降的情况下，Crowbar单元对发电机转子绕组进行短路，为转子电流提供旁路通道，抑制转子侧过电流和直流母线过电压，实现对机组的保护作用。
作为优选，所述的IGBT功率单元包括网侧功率单元、机侧功率单元和Chopper单元，所述网侧功率单元和机侧功率单元通过直流母线以背靠背的形式连接，Chopper单元分别与网侧功率单元和机侧功率单元连接。
网侧功率单元一端与网侧滤波器单元连接，另一端与机侧功率单元连接，网侧功率单元可以控制直流母线电压恒定以及调节网侧的功率因数，使整个风力发电***的无功功率调节更加灵活；机侧功率单元一端与网侧功率单元连接，另一端与机侧滤波器单元连接，机侧功率单元主要提供发电机励磁电流，控制转子电流频率，实现双馈风力发电机机组变速恒频发电；Chopper单元与网侧功率单元与机侧功率单元之间的直流母线连接，当直流母线电压异常时，Chopper单元动作，控制直流母线维持在正常范围之内。
作为优选，所述的交流器接口***包括ARM板、交流器控制继电器、网侧接口板、网侧驱动板、网侧电压采样板、网侧电流传感器、机侧接口板、机侧驱动板、机侧电压采样板、机侧电流传感器、Chopper驱动板、Crowbar驱动板和温度检测板，所述ARM板分别与交流器控制继电器、温度检测板、网侧接口板和机侧接口板连接，所述网侧接口板分别与网侧驱动板、网侧电压采样板、网侧电流传感器和Chopper驱动板连接，所述机侧接口板分别与机侧驱动板、机侧电压采样板、机侧电流传感器和Crowbar驱动板连接，所述ARM板与所述的主控***连接。
ARM板是变流器接口***与主控***的CANopen通讯接口以及对外I/O信号接口，承担变流器接口***与主控***之间的数据交互，同时收集变流器温度信号并下发控制指令至变流器控制继电器；网侧接口板下发驱动信号至网侧驱动板，网侧驱动板驱动网侧功率单元动作。当直流母线电压异常时，网侧接口板下发单元驱动信号至Chopper驱动板，Chopper单元动作，控制直流母线维持在正常范围之内；机侧接口板下发驱动信号至机侧驱动板，机侧驱动板驱动机侧功率单元动作。当电网电压骤降时，机侧接口板下发单元驱动信号至Crowbar驱动板，Crowbar模块动作对发电机转子绕组进行短路，为转子电流提供旁路通道，抑制转子侧过电流和直流母线过电压，实现对机组的保护作用；网侧电压采样板测量网侧电压信号；网侧电流传感器测量网侧电流信号；机侧电压采样板测量转子侧电压信号；机侧电流传感器测量转子侧电流信号；温度检测板采集变流器柜内外温度信号；变流器控制继电器接收ARM板的控制信号，完成变流器接口***辅助回路控制。
作为优选，所述的配电单元包括直流电源和UPS电源，所述直流电源于UPS电源连接。
直流电源提供变流器接口***和主控***所需的工作电源，UPS电源作为备用电源，在直流电源故障时提供变流器接口***和主控***所需的工作电源，使得变流器接口***和主控***能够不间断工作。
作为优选，所述的并网模块包括主断路器、主接触器和并网接触器，所述主断路器的一端通过变压器与电网连接，所述主断路器的另一端与并网接触器的一端和主接触器的一端连接，所述并网接触器的另一端与发电机的定子侧连接，所述主接触器的另一端与所述的功率模块连接。
并网模块是集成风电主控的双馈变流器与电网之间输入输出的重要接口，是控制变流器并网发电、脱网、分闸的主要模块。
作为优选，所述的多功能柜中还设有散热模块，所述散热模块与主控***连接。
散热模块与主控***连接，主控***根据变流器内部的温度情况下发指令给散热模块，能够及时对变流器进行降温处理，防止因温度过高导致元器件的损坏。
作为优选，所述的散热模块包括风冷装置和水冷装置，所述风冷装置和水冷装置并列设在多功能柜柜壁上。
风冷装置和水冷装置组合在多功能柜中形成了两条散热通道，两条散热通道的存在一方面可以加快散热的速度，另一方面，若其中一条散热通道发生故障，则另一条散热通道也可继续工作，不影响使用。
本发明的有益效果是：1）采用集成风电主控的双馈变流器相比于原有的双馈风力发电机组省去了一个需放置主控***的主控控制柜，同时将主控***与双馈变流器中的部分功能进行集成合并，优化电气设计，有效降低了机组成本；2）采用集成式主控—变流器控制器，省去了双馈变流器DSP控制板，提高了双馈变流器响应速度，同时还可以大大减少通讯线路干扰发生的概率，提高双馈风力发电机组运行的稳定性；3）将主控***程序和双馈变流器控制程序集成在一个控制器内，可以实现变流器程序的远程维护，大大减少了现场运维的工作量。
附图说明
图1是本发明双馈变流器的一种拓扑结构图。
图2是本发明中多功能柜的一种结构示意图。
图3是本发明中散热模块的一种结构框图。
图4是本发明中交流器接口***的一种结构框图。
图5是本发明中主控***的一种结构框图。
图中1并网模块，1.1主断路器，1.2主接触器，1.3并网接触器，2功率模块，2.1网侧滤波器单元，2.1.1网侧电抗器，2.1.2网侧电容器，2.2 IGBT功率单元，2.2.1网侧功率单元，2.2.2机侧功率单元，2.2.3 Chopper单元，2.3机侧滤波器单元，2.3.1机侧电抗器，2.4Crowbar单元，3控制模块，3.1变流器接口***，3.1.1 ARM板，3.1.2网侧接口板，3.1.3网侧电压采样板，3.1.4网侧电流传感器，3.1.5网侧驱动板，3.1.6 Chopper驱动板，3.1.7机侧接口板，3.1.8机侧电压采样板，3.1.9机侧电流传感器，3.1.10机侧驱动板，3.1.11Crowbar驱动板，3.1.12交流器控制继电器，3.1.13温度检测板，3.2主控***，3.2.1集成式主控—变流器控制器，3.2.2 CANopen通讯模块，3.2.3对外接口模块，3.2.4 I/O模块，3.2.5安全链***，3.2.6电力测量端子模块，3.2.7交换机，3.2.8主控控制继电器，3.2.9人机界面，3.3配电单元，3.3.1直流电源，3.3.2 UPS电源，4多功能柜，4.1并网柜，4.2功率柜，4.3控制柜，5变压器，6发电机，7散热模块，7.1风冷装置，7.2水冷装置。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种集成风电主控的双馈变流器，如图1～3所示，包括多功能柜4，多功能柜分为3个部分，分别是并网柜4.1、功率柜4.2和控制柜4.3，并网柜中安装有并网模块1，功率柜中安装有功率模块2，控制柜中安装有控制模块3，多功能柜的顶部和底部均安装有散热模块7，散热模块包括并列安装的风冷装置7.1和水冷装置7.2：并网模块包括主断路器1.1、主接触器1.2和并网接触器1.3；功率模块包括网侧滤波器单元2.1、机侧滤波器单元2.3、IGBT功率单元2.2和Crowbar单元（过压保护单元）2.4，其中IGBT功率单元包括网侧功率单元2.2.1、机侧功率单元2.2.2和Chopper单元（制动单元）2.2.3，其中网侧滤波器单元由网侧电抗器2.1.1和网侧电容器2.1.2组成，机侧滤波器单元由机侧电抗器2.3.1组成；控制模块包括主控***3.2、变流器接口***3.1和配电单元3.3，其中配电单元包括直流电源3.3.1和UPS电源3.3.2。主断路器的一端通过变压器5与电网连接，主断路器的另一端既通过并网接触器与发电机6的定子侧连接，又与主接触器的一端连接，主接触器的另一端与网侧电抗器的一端和网侧电容器的一端连接，网侧电抗器的另一端与网侧功率单元连接，网侧功率单元和机侧功率单元通过直流母线以背靠背的形式连接，Chopper单元分别与网侧功率单元和机侧功率单元连接，机侧电抗器的一端与机侧功率单元相连，机侧电抗器的另一端与发电机的转子侧和Crowbar单元连接，变流器接口***分别与网侧功率单元和机侧功率单元连接，主控***与变流器接口***连接，直流电源分别与主控***和变流器接口***连接，UPS电源与直流电源连接，风冷装置和水冷装置受主控***控制。
变流器接口***一端与主控***连接，接收主控***的控制指令，并将双馈变流器的实时状态信号反馈至主控***；变流器接口***另一端与网侧功率单元和机侧功率单元连接，完成对功率模块的驱动和调制，控制机组有功功率和无功功率，实现双馈风力发电机机组变速恒频发电；主控***与变流器接口***连接，主控***根据机组实际运行工况下发功率模块控制指令给变流器接口***，并接收双馈变流器的实时状态反馈信号，主控***根据变流器内部的温度情况下发指令给风冷装置和水冷装置，能够及时对变流器进行降温处理，防止因温度过高导致元器件的损坏。
网侧电抗器与网侧电容器组成网侧滤波器单元，用于吸收高频分量，防止变流器的开关噪声污染电网；网侧功率单元以控制直流母线电压恒定以及调节网侧的功率因数，使整个风力发电***的无功功率调节更加灵活；机侧功率单元主要提供发电机励磁电流，控制转子电流频率，实现双馈风力发电机机组变速恒频发电；Chopper单元与网侧功率单元和机侧功率单元之间的直流母线连接，当直流母线电压异常时，Chopper单元动作，控制直流母线维持在正常范围之内；机侧电抗器可以有效降低输出电压的变化率，改善转子承受尖峰电压和du/dt的电应力，延长发电机转子的绝缘寿命；在电网电压骤降的情况下，Crowbar单元对发电机转子绕组进行短路，为转子电流提供旁路通道，抑制转子侧过电流和直流母线过电压，实现对机组的保护作用。
如图4所示，交流器接口***包括ARM板3.1.1、交流器控制继电器3.1.12、网侧接口板3.1.2、网侧驱动板3.1.5、网侧电压采样板3.1.3、网侧电流传感器3.1.4、机侧接口板3.1.7、机侧驱动板3.1.10、机侧电压采样板3.1.8、机侧电流传感器3.1.9、Chopper驱动板3.1.6、Crowbar驱动板3.1.11和温度检测板3.1.13， ARM板分别与交流器控制继电器、温度检测板、网侧接口板、机侧接口板和主控***连接，网侧接口板分别与网侧驱动板、网侧电压采样板、网侧电流传感器和Chopper驱动板连接，机侧接口板分别与机侧驱动板、机侧电压采样板、机侧电流传感器和Crowbar驱动板连接，直流电源分别与网侧接口板、机侧接口板和ARM板连接，UPS电源与直流电源连接。
ARM板是变流器接口***与主控***的CANopen（一种架构在控制局域网路上的高层通讯协定）通讯接口以及对外I/O信号接口，承担变流器接口***与主控***之间的数据交互，同时收集变流器温度信号并下发控制指令至变流器控制继电器；网侧接口板下发驱动信号至网侧驱动板，网侧驱动板驱动网侧功率单元动作。当直流母线电压异常时，网侧接口板下发驱动信号至Chopper驱动板，Chopper单元动作，控制直流母线维持在正常范围之内；机侧接口板下发驱动信号至机侧驱动板，机侧驱动板驱动机侧功率单元动作。当电网电压骤降时，机侧接口板下发驱动信号至Crowbar驱动板，Crowbar单元动作对发电机转子绕组进行短路，为转子电流提供旁路通道，抑制转子侧过电流和直流母线过电压，实现对机组的保护作用；网侧电压采样板测量网侧电压信号；网侧电流传感器测量网侧电流信号；机侧电压采样板测量转子侧电压信号；机侧电流传感器测量转子侧电流信号；温度检测板采集变流器柜内外温度信号；变流器控制继电器接收ARM板的控制信号，完成变流器接口***辅助回路控制。
如图5所示，主控***包括集成式主控—变流器控制器3.2.1、I/O模块3.2.4、主控控制继电器3.2.8、CANopen通讯模块3.2.2、对外接口模块3.2.3、人机界面3.2.9、交换机3.2.7、电力测量端子模块3.2.6和安全链***3.2.5，集成式主控—变流器控制器分别与I/O模块、CANopen通讯模块、对外接口模块、人机界面、交换机、电力测量端子模块和安全链***连接， CANopen通讯模块和对外接口模块均与变流器接口***连接， I/O模块与主控控制继电器连接，直流电源分别与集成式主控—变流器控制器、人机界面和交换机连接，UPS电源与直流电源连接。
集成式主控—变流器控制器是主控***与双馈变流器的控制算法载体，存储主控***与双馈变流器的应用程序；电力测量端子模块测量主断路器出口端三相电压和电流信号，用于机组上网功率计量；安全链***是独立于主控***与双馈变流器软件的保护措施，其采用反逻辑设计，将可能对双馈风力发电机组造成严重损害的故障用常闭触点串联成一个回路，只有当每个触点都处于闭合状态才能触发安全链继电器处于激活状态，一旦其中一个触点断开，将引起整个安全链回路断电，安全链继电器处于断开状态，机组进入紧急停机过程，并且主控***与双馈变流器处于闭锁状态。如果故障触点没有恢复到闭合状态，则机组将无法进入正常运行状态；交换机包括风场通讯交换机和视频监控交换机，采用双模光纤通讯方式； I/O模块包括数字量模块和模拟量模块，数字量模块的功能为输出辅助回路控制信号和接收反馈信号，模拟量模块的功能为采集***设备温度信号以及箱变模拟量信号；主控控制继电器接收I/O模块的控制信号，完成主控***辅助回路控制； CANopen通讯模块承担集成式主控—变流器控制器与变流器接口***的数据交互，传输控制器下发的功率模块控制指令和双馈变流器的状态反馈；对外接口模块传输主控***与变流器接口***之间硬件控制和反馈信号；工作人员可通过人机界面对机组进行操作、浏览机组运行状态。

Claims (10)

1.一种集成风电主控的双馈变流器，其特征在于包括多功能柜，所述多功能柜中设有并网模块、功率模块和控制模块，所述控制模块包括主控***、变流器接口***和配电单元，所述主控***与变流器接口***连接，所述变流器接口***与功率模块连接，所述配电单元分别与主控***和变流器接口***连接，所述并网模块与功率模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种集成风电主控的双馈变流器，其特征在于所述主控***包括集成式主控—变流器控制器、I/O模块、主控控制继电器、CANopen通讯模块、对外接口模块、人机界面、交换机和电力测量端子模块，所述集成式主控—变流器控制器分别与I/O模块、CANopen通讯模块、对外接口模块、人机界面、交换机和电力测量端子模块连接，所述CANopen通讯模块和对外接口模块均与所述的变流器接口***连接，所述I/O模块与主控控制继电器连接。
3.根据权利要求2所述的一种集成风电主控的双馈变流器，其特征在于所述主控***还包括安全链***，所述安全链***与集成式主控—变流器控制器连接。
4.根据权利要求1所述的一种集成风电主控的双馈变流器，其特征在于所述功率模块包括网侧滤波器单元、机侧滤波器单元、IGBT功率单元和Crowbar单元，所述网侧滤波器单元与所述的并网模块连接，所述网侧滤波器单元和机侧滤波器单元均与IGBT功率单元连接，所述机侧滤波器单元与Crowbar单元连接，所述IGBT功率单元与所述的变流器接口***连接。
5.根据权利要求4所述的一种集成风电主控的双馈变流器，其特征在于所述IGBT功率单元包括网侧功率单元、机侧功率单元和Chopper单元，所述网侧功率单元和机侧功率单元通过直流母线以背靠背的形式连接，Chopper单元分别与网侧功率单元和机侧功率单元连接。
6.根据权利要求1或2或4所述的一种集成风电主控的双馈变流器，其特征在于所述交流器接口***包括ARM板、交流器控制继电器、网侧接口板、网侧驱动板、网侧电压采样板、网侧电流传感器、机侧接口板、机侧驱动板、机侧电压采样板、机侧电流传感器、Chopper驱动板、Crowbar驱动板和温度检测板，所述ARM板分别与交流器控制继电器、温度检测板、网侧接口板和机侧接口板连接，所述网侧接口板分别与网侧驱动板、网侧电压采样板、网侧电流传感器和Chopper驱动板连接，所述机侧接口板分别与机侧驱动板、机侧电压采样板、机侧电流传感器和Crowbar驱动板连接，所述ARM板与所述的主控***连接。
7.根据权利要求1所述的一种集成风电主控的双馈变流器，其特征在于所述配电单元包括直流电源和UPS电源，所述直流电源于UPS电源连接。
8.根据权利要求1或4或5所述的一种集成风电主控的双馈变流器，其特征在于所述并网模块包括主断路器、主接触器和并网接触器，所述主断路器的一端通过变压器与电网连接，所述主断路器的另一端与并网接触器的一端和主接触器的一端连接，所述并网接触器的另一端与发电机的定子侧连接，所述主接触器的另一端与所述的功率模块连接。
9.根据权利要求1所述的一种集成风电主控的双馈变流器，其特征在于所述多功能柜中还设有散热模块，所述散热模块与主控***连接。
10.根据权利要求9所述的一种集成风电主控的双馈变流器，其特征在于所述散热模块包括风冷装置和水冷装置，所述风冷装置和水冷装置并列设在多功能柜柜壁上。
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