TWI441402B - 發電系統及其開關裝置 - Google Patents

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TWI441402B TW101115436A TW101115436A TWI441402B TW I441402 B TWI441402 B TW I441402B TW 101115436 A TW101115436 A TW 101115436A TW 101115436 A TW101115436 A TW 101115436A TW I441402 B TWI441402 B TW I441402B
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Zhenqing Xu
Shuanyong Chen
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Description

發電系統及其開關裝置
本發明係有關於電力電子技術，特別係有關於一種包含觸點開關的開關裝置。
當前，能源危機日益嚴重，導致新能源(如風能、太陽能等)技術發展日益受到研發人員的關注和重視。與此同時，在發電系統中，電機輸出交流電的幅值和頻率與交流電網是不一致的，此時，通常需要借助於變流器，將電機輸出的交流電轉化為一直流電，然後將該直流電逆變為與交流電網的頻率和相位相一致的交流電，從而實現並網發電。例如，在將交流電轉化為直流電以及將直流電再逆變為交流電的過程中，對電力電子器件(如功率開關)進行PWM控制，藉由這些功率開關的開通或關斷來完成交流-直流變換和直流-交流變換。
以風力發電系統為例，傳統的風電變流器與風機之間的連接往往採用直聯方式或在二者中間串接可控制的觸點開關。當系統出現故障時，採用直聯方式的風電變流器只能依靠外加負載的方式，將風機的轉速限定在一定範圍內。例如，當風機轉速較高的時候，輸入變流器的埠電壓也較高，為保護變流器內部的功率器件在高壓情況下不被損壞，通常於風機和變流器的輸入介面處增加一 組卸荷箱(Dump load)或者在整流橋的後級母線上增加一組卸荷箱(Dump load)，以便將該埠電壓降低至功率器件所能允許的正常工作範圍內。然而，由於風機始終和變流器直接相連，且卸荷箱的功率有限，因而其電壓限制能力也很有限。並且，卸荷箱的投切回應速度較慢，一旦系統出現緊急故障，其可靠性仍然無法保證。
此外，觸點開關包括一控制端和一主觸點，控制端可為一線圈，當給控制端提供一有效信號時(例如線圈上電)，主觸點開始動作從而觸點開關處於導通狀態；當給控制端提供一無效信號時(例如線圈掉電)，主觸點開始動作從而觸點開關處於關斷狀態。當採用串接可控觸點開關的方式時，必須配有專門的滅弧裝置，才能在故障發生時可靠地斷開變流器和風機間的電性連接。然而，這種觸點開關多數應用於大功率等級的風力發電系統，並且帶滅弧功能的觸點開關成本較高。另一方面，若直接使用可控的觸點開關作為輸入開關(不含滅弧裝置)，因發電機繞組自身的等效電感較大，例如20kW的發電機等效電感一般為18mH~40mH左右，在開關斷開的時刻，其等效電感所存儲的能量將無法及時釋放，導致所產生的電弧電壓載入於觸點開關的兩端，使觸點開關無法正常工作或影響其使用壽命。
有鑑於此，如何設計一種開關裝置，以便在系統出現故障時能夠快速地切斷風機和變流器之間的電性連接，並且可對觸點開關進行保護，是業內相關技術人員亟待解決的一項課題。
針對習知技術中的發電系統出現故障時，開關裝置切斷電機與變 流器之間的電性連接所存在的上述缺陷，本發明提供了一種開關裝置及包含該開關裝置的發電系統。
本揭示內容之一態樣係在於提供一種發電系統，包括一電機和一變流器，該發電系統還包括一故障檢測單元、一控制單元和一開關裝置。該故障檢測單元用以偵測發電系統的故障，並且在該發電系統出現故障時，產生一故障信號。該控制單元電性連接於故障檢測單元，用以接收該故障信號，並輸出一切斷指令。該開關裝置電性連接於電機、變流器和控制單元，用以根據該切斷指令來切斷電機與變流器之間的電性連接。開關裝置包括一觸點開關和一雙向可控開關結構。雙向可控開關結構並聯於該觸點開關的主觸點兩端。當開關裝置執行切斷功能時，該雙向可控開關結構為該觸點開關提供換流通路，以便對該觸點開關進行保護。
在一實施例中，該發電系統為一風力發電系統。進一步，該風力發電系統的功率等級介於10kW至100kW之間。
在一實施例中，切斷指令包括一第一控制信號和一第二控制信號。該第一控制信號用以移除觸點開關的驅動信號。該第二控制信號用以移除該雙向可控開關結構的一個或多個驅動信號，且第一控制信號先於該第二控制信號到達該開關裝置。此外，第二控制信號到達開關裝置的時間為自觸點開關完全關斷的時刻到下一次輸入電壓過零點之前的區間內的任一時刻。此外，第一控制信號和第二控制信號到達開關裝置的時間間隔不小於觸點開關完全關斷所需的動作時間。
在一實施例中，雙向可控開關結構為一單向導通可控開關的反並 聯電路。進一步，第二控制信號用以移除反並聯的單向導通可控開關各自的驅動信號。例如，同時移除反並聯的單向導通可控開關各自的驅動信號，第二控制信號到達反並聯的單向導通可控開關的時間為自觸點開關完全關斷的時刻到下一次輸入電壓過零點之前的區間內的任一時刻。又如，先後移除反並聯的單向導通可控開關各自的驅動信號，後移除單向導通可控開關的驅動信號的時刻為後關斷的單向導通可控開關的陽極承受正向電壓之前的任一時刻。
單向導通可控開關的反並聯電路為一反並聯的矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)，其中，一矽控整流器的陽極和陰極分別連接至另一矽控整流器的陰極和陽極，並且兩個矽控整流器的控制端接收各自的驅動信號。
單向導通可控開關的反並聯電路為一反並聯的絕緣閘雙極型電晶體單體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，其中，一絕緣閘雙極型電晶體單體的發射極和集電極分別連接至另一絕緣閘雙極型電晶體單體的集電極和發射極，並且兩個絕緣閘雙極型電晶體單體的閘極接收各自的驅動信號。
雙向可控開關結構為一三端雙向交流半導體開關(Triode AC Semiconductor Switch，TRIAC)。
觸點開關為一繼電器或一接觸器。
本揭示內容之一態樣係在於提供一種開關裝置，包括一觸點開關和一雙向可控開關結構。該觸點開關具有一主觸點和一控制端。該控制端接收一第一驅動信號用以導通該觸點開關。該雙向可控 開關結構並聯於觸點開關的主觸點兩端，接收一個或多個第二驅動信號以導通該雙向可控開關結構。當開關裝置執行切斷功能時，雙向可控開關結構為觸點開關提供換流通路，以便對觸點開關進行保護。
在一實施例中，當開關裝置執行切斷功能時，產生一第一控制信號和一第二控制信號。其中，第一控制信號用以移除第一驅動信號。第二控制信號用以移除一個或多個第二驅動信號，且第一控制信號先於第二控制信號到達開關裝置。進一步，第二控制信號到達開關裝置的時間為自觸點開關完全關斷的時刻到下一次輸入電壓過零點之前的區間內的任一時刻。此外，第一控制信號和第二控制信號到達開關裝置的時間間隔不小於觸點開關完全關斷所需的動作時間。
在一實施例中，該雙向可控開關結構為一單向導通可控開關的反並聯電路。進一步，該第二控制信號用以移除反並聯的單向導通可控開關各自的第二驅動信號。
在一實施例中，同時移除反並聯的單向導通可控開關各自的第二驅動信號，該第二控制信號到達反並聯的單向導通可控開關的時間為自觸點開關完全關斷的時刻到下一次輸入電壓過零點之前的區間內的任一時刻。
在一實施例中，先後移除反並聯的單向導通可控開關各自的第二驅動信號，後移除單向導通可控開關的第二驅動信號的時刻為後關斷的單向導通可控開關的陽極承受正向電壓之前的任一時刻。
單向導通可控開關的反並聯電路為一反並聯的矽控整流器( Silicon Controlled Rectifier，SCR)，其中，一矽控整流器的陽極和陰極分別連接至另一矽控整流器的陰極和陽極，並且兩個矽控整流器的控制端接收各自的第二驅動信號。
單向導通可控開關的反並聯電路為一反並聯的絕緣閘雙極型電晶體單體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，其中，一絕緣閘雙極型電晶體單體的發射極和集電極分別連接至另一絕緣閘雙極型電晶體單體的集電極和發射極，並且兩個絕緣閘雙極型電晶體單體的閘極接收各自的第二驅動信號。
雙向可控開關結構為一三端雙向交流半導體開關(Triode AC Semiconductor Switch，TRIAC)。
觸點開關為一繼電器或一接觸器。
開關裝置適用于一單相電路或一三相電路。
採用本發明的開關裝置及其發電系統，藉由一第一驅動信號來導通觸點開關以及一個或多個第二驅動信號來導通雙向可控開關結構，當開關裝置執行切斷功能時，利用第一控制信號來先行移除該第一驅動信號，並利用第二控制信號稍後移除第二驅動信號，從而使該雙向可控開關結構為觸點開關提供換流通路，以便在發電系統出現故障時可快速地切斷電機與變流器之間的電性連接，提升了系統的運行穩定性和可維護性。此外，當雙向可控開關結構為觸點開關提供換流通路時，可有效地消除載入於觸點開關兩端的電弧電壓，使得觸點開關在關斷時承受接近於零的電壓，從而對觸點開關進行保護。
10‧‧‧電機
20‧‧‧開關裝置
30‧‧‧變流器
40‧‧‧故障檢測單元
50‧‧‧控制單元
201‧‧‧雙向可控開關結構
203‧‧‧觸點開關
CTRL1‧‧‧第一控制信號
CTRL2‧‧‧第二控制信號
SCRA1、SCRA2‧‧‧矽控整流器
SCRB1、SCRB2‧‧‧矽控整流器
SCRC1、SCRC2‧‧‧矽控整流器
RLYA、RLYB、RLYC‧‧‧觸點開關
△T0‧‧‧延時期間
t1、t2、t3‧‧‧時刻
IGBT1、IGBT2‧‧‧絕緣閘雙極型電晶體單體
TRIAC‧‧‧三端雙向交流半導體開關
72‧‧‧觸點開關
70‧‧‧雙向可控開關結構
721‧‧‧主觸點
723‧‧‧控制端
Va、Vb、Vc‧‧‧輸入電壓
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示依據本發明的一具體實施方式，包含一開關裝置的發電系統的結構框圖。
第2圖係繪示第1圖之發電系統中，開關裝置的觸點開關以及雙向可控開關結構在導通與關斷時的控制時序示意圖。
第3A圖係繪示依據第2圖的控制時序，雙向可控開關結構同時移除各自驅動信號的一具體實施例。
第3B圖係繪示依據第2圖的控制時序，雙向可控開關結構先後移除各自驅動信號的一具體實施例。
第4圖係繪示第1圖之開關裝置的一實施例的電路結構示意圖。
第5圖係繪示第1圖之開關裝置的另一實施例的電路結構示意圖。
第6圖係繪示依據本發明的另一具體實施方式的開關裝置的結構框圖。
第7圖係繪示第6圖之開關裝置應用于三相電路時的電路結構示意圖。
為了使本申請所揭示之技術內容更加詳盡與完備，可參照附圖以及本發明之下述各種具體實施例，附圖中相同之標記代表相同或相似之組件。然而，本領域的普通技術人員應當理解，下文中所提供的實施例並非用來限制本發明所涵蓋之範圍。此外，附圖僅僅用於示意性地加以說明，未依照其原尺寸進行繪製。
於本申請的具體實施方式部分與專利申請範圍部分，涉及『耦接(coupled with)』之描述，其可泛指一元件透過其他元件而間接 連接至另一元件，或是一元件無須透過其他元件而直接連接至另一元件。
於本申請的具體實施方式部分與專利申請範圍部分，除非文中對於冠詞有所特別限定，否則『一』與『該』可泛指單個或多個。
本文中所使用的『約』、『大約』或『大致』用以修飾任何可些微變化的數量，但這種些微變化並不會改變其本質。於實施方式中若無特別說明，則代表以『約』、『大約』或『大致』所修飾之數值的誤差範圍一般是容許在百分之二十以內，較佳地是在百分之十以內，而更佳地則是在百分之五以內。
第1圖繪示依據本發明的一具體實施方式，包含一開關裝置的發電系統的結構框圖。
參照第1圖，該發電系統包括一電機10、一開關裝置20、一變流器30、一故障檢測單元40和一控制單元50。其中，故障檢測單元40用來偵測該發電系統的各種故障，並且在發電系統確實出現故障時，產生一故障信號。例如，故障檢測單元40偵測到變流器發生過壓或過流情形時，輸出一故障信號。又如，故障檢測單元40偵測到電機10轉速過快時，輸出一故障信號。控制單元50與故障檢測單元40和開關裝置20電性連接，用於接收該故障信號，並向開關裝置20輸出一切斷指令。應當理解，當發電系統中的故障檢測單元40檢測到任何故障(或稱為非正常工作狀態)時，均需藉由控制單元50輸出一切斷指令，以使得開關裝置20切斷電機10與變流器30之間的電性連接。
開關裝置20電性連接於電機10、變流器30和控制單元50。該開關 裝置20用以接收來自控制單元50的切斷指令，並根據該切斷指令切斷電機10與變流器30之間的電性連接。更具體地，該開關裝置20包括一雙向可控開關結構201和一觸點開關203，該觸點開關203可為一接觸器或一繼電器。雙向可控開關結構201並聯於觸點開關203的主觸點兩端，當開關裝置20執行切斷功能時，雙向可控開關結構201為該觸點開關提供換流通路，以便對該觸點開關203進行保護。
在一具體實施例中，該發電系統為一風力發電系統。進一步，該風力發電系統的功率等級介於10kW至100kW之間。
在另一具體實施例中，控制單元50所發送的切斷指令包括一第一控制信號CTRL1和一第二控制信號CTRL2。例如，當開關裝置20中的觸點開關203和雙向可控開關結構201分別藉由一第一驅動信號和一個或多個第二驅動信號處於導通狀態時，發電系統正常工作。若發電系統突然出現故障時，該開關裝置20可先行接收該第一控制信號CTRL1，以便移除使觸點開關203導通的第一驅動信號，然後再接收該第二控制信號CTRL2，以便移除使雙向可控開關結構201導通的一個或多個第二驅動信號。如此一來，當作用於觸點開關203上的第一驅動信號移除後，觸點開關203開始關斷，與此同時，由於第二驅動信號仍然載入於雙向可控開關結構201，因而該雙向可控開關結構201能夠為觸點開關203提供換流通路，進而使觸點開關203完全關斷時承受接近於零的電壓，這本身對觸點開關203也是很好的保護舉措。
第2圖繪示第1圖的發電系統中，開關裝置的觸點開關以及雙向可控開關結構在導通與關斷時的控制時序示意圖。更具體地，第 2(a)圖繪示雙向可控開關結構與觸點開關並聯連接的示意圖。參照第2(a)圖，在一實施例中，雙向可控開關結構201為一單向導通可控開關的反並聯電路。進一步，來自控制單元50的第二控制信號CTRL2用於移除反並聯的單向導通可控開關各自的第二驅動信號。例如，該單向導通可控開關的反並聯電路為一反並聯的SCR(Silicon Controlled Rectifier，矽控整流器)，即，第2(a)圖中的SCRA1和SCRA2，並且SCRA1的陽極和陰極分別連接至SCRA2的陰極和陽極，並且SCRA1和SCRA2各自的控制端接收用以使它們處於導通狀態的各自的第二驅動信號。
第2(b)圖繪示雙向可控開關結構與觸點開關均處於導通狀態時的電流路徑示意圖。第2(d)圖為第2(b)圖中的雙向可控開關結構以及觸點開關各自的驅動信號波形圖。參照第2(b)圖和第2(d)圖，發電系統在正常工作情形下，雙向可控開關結構201(SCRA1和SCRA2)和觸點開關RLYA的驅動信號均處於有效電平。例如，若有效電平為高電位，可先施加觸點開關RLYA的第一驅動信號，再施加SCRA1和SCRA2各自的第二驅動信號。又如，可先施加SCRA1和SCRA2各自的第二驅動信號，然後再施加觸點開關RLYA的第一驅動信號。再如，可同時施加SCRA1和SCRA2各自的第二驅動信號以及觸點開關RLYA的第一驅動信號。
更詳細地，當輸入電壓處在正半周時，雙向可控開關結構201中的SCRA1的陽極承受正向電壓，若同時給SCRA1、SCRA2和RLYA施加有效電平，則只有SCRA1和RLYA處於導通狀態，此時由於觸點開關的導通阻抗比雙向可控開關中的SCRA1的導通阻抗低，則輸入電流主要從觸點開關RLYA流過，如第2(b)圖中的箭頭方向所示 。類似地，當輸入電壓處在負半周時，雙向可控開關結構201中的SCRA2的陽極承受正向電壓，若同時給SCRA1、SCRA2和RLYA施加有效電平，則只有SCRA2和RLYA處於導通狀態，輸入電流主要從觸點開關RLYA流過。
第2(c)圖繪示開關裝置中的觸點開關開始關斷時的電流路徑示意圖。第2(e)圖為第2(c)圖中的雙向可控開關結構以及觸點開關各自的驅動信號移除時刻的時序控制圖。
參照第2(c)圖和第2(e)圖，當開關裝置20執行切斷功能(即，切斷電機10和變流器30之間的電性連接)時，控制單元50首先向開關裝置20發送一第一控制信號CTRL1，以便在t1時刻移除作用於觸點開關RLYA上的第一驅動信號。此時，雖然觸點開關RLYA開始關斷，但是在第二驅動信號的作用下，雙向可控開關結構中的SCRA1(或SCRA2)仍然處於導通狀態，因而觸點開關RLYA的主觸點兩端所承受的電壓為SCRA1(或SCRA2)的導通電壓，如第2(c)圖所示。經過一延時期間△T0，控制單元50再向開關裝置20發送一第二控制信號CTRL2，以便在t2時刻移除作用於雙向可控開關結構SCRA1(或SCRA2)上的第二驅動信號，由於觸點開關RLYA和雙向可控開關結構的SCRA1(或SCRA2)均已關斷，從而可切斷電機10與變流器30之間的電性連接。需要指出的是，該第一控制信號用以移除第一驅動信號，該第二控制信號用以移除第二驅動信號。例如，在一些實施例中，該第一控制信號和該第二控制信號分別為第一驅動信號和第二驅動信號各自的禁止使能(DISABLE)信號。
再次參照第2(c)圖，當需要切斷變流器30和電機10間的電性連接 時，先移除觸點開關RLYA上的驅動信號，因而原先流經觸點開關RLYA的電流會有一個換流的過程，即輸入電流從觸點開關RLYA轉移到雙向可控開關結構的SCRA1或SCRA2上。例如，在觸點開關的驅動信號移除時，若輸入電壓處在正半周，則輸入電流從觸點開關RLYA轉移到SCRA1；若輸入電壓處在負半周，則輸入電流從觸點開關RLYA轉移到SCRA2。在整個換流過程中，由於SCRA1或SCRA2依然處於導通狀態，因而觸點開關RLYA的主觸點兩端的壓降也被箝位在一個接近於零的電壓(即，SCR的導通壓降)，待觸點開關RLYA完全關斷後(即RLYA中的電流全部轉移到SCRA1或者SCRA2上)，再撤去SCRA1或SCRA2上的驅動信號，在下一次輸入電壓過零點時刻，SCRA1或SCRA2承受反壓關斷。在此，延時期間△T0取決於觸點開關RLYA主觸點完全關斷所需的動作時間，例如，該動作時間依據觸點開關(如繼電器或接觸器)的規格確定，通常大約為10ms。
在一具體實施例中，該切斷指令包括一第一控制信號和一第二控制信號，其中，第一控制信號用於移除觸點開關的驅動信號，第二控制信號用於移除雙向可控開關結構的驅動信號，並且第一控制信號先於第二控制信號到達開關裝置。亦即，當需要切斷電機10與變流器30之間的電性連接時，應當先移除觸點開關的驅動信號，再移除雙向可控開關結構的驅動信號。進一步，第二控制信號到達開關裝置的時間為自觸點開關完全關斷的時刻到下一次輸入電壓過零點之前的區間內的任一時刻。此外，第一控制信號和第二控制信號到達開關裝置的時間間隔不小於觸點開關完全關斷所需的動作時間。
第3A圖繪示依據第2圖的控制時序，雙向可控開關結構同時移除各自驅動信號的一具體實施例。
參照第3A圖，t1時刻對應於觸點開關開始關斷的時刻，亦即，控制器50在t1時刻發送一第一控制信號，以移除作用於觸點開關上的第一驅動信號。在該實施例中，於t2時刻，同時移除反並聯的單向導通可控開關各自的驅動信號，該第二控制信號到達反並聯的單向導通可控開關的時間為自觸點開關完全關斷的時刻到下一次輸入電壓Uin過零點之前的區間內的任一時刻。例如，該觸點開關完全關斷的時刻對應於第3A圖中的t1+△T0，其中，△T0為觸點開關完全關斷所需的動作時間。此外，第二控制信號到達單向導通可控開關的時間必須在下一次輸入電壓Uin過零點之前，否則該單向導通可控開關仍然無法關斷。
第3B圖繪示依據第2圖的控制時序，雙向可控開關結構先後移除各自驅動信號的一具體實施例。
參照第3B圖，t1時刻對應於觸點開關開始關斷的時刻，亦即，控制器50在t1時刻發送一第一控制信號，以移除作用於觸點開關上的第一驅動信號。t2時刻對應於先移除的單向導通可控開關開始關斷的時刻，t3時刻對應於後移除的單向導通可控開關開始關斷的時刻。在該實施例中，先後移除反並聯的單向導通可控開關各自的驅動信號，並且後移除單向導通可控開關的驅動信號的時刻為後關斷的單向導通可控開關的陽極承受正向電壓之前的任一時刻。例如，t3時刻為單向導通可控開關的陽極從負電壓往正電壓變化的過零點時刻之前的2ms內。
第4圖繪示第1圖的開關裝置的一實施例的電路結構示意圖。參照第4圖，該單向導通可控開關的反並聯電路為一反並聯的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣閘雙極型電晶體)單體，其中，IGBT1單體的發射極和集電極分別連接至IGBT2單體的集電極和發射極，並且IGBT1單體和IGBT2單體各自的閘極接收各自的第二驅動信號。在此，術語『IGBT單體』是指不包含體二極體(或稱為反並聯二極體)的IGBT。
第5圖繪示第1圖的開關裝置的另一具體實施例的電路結構示意圖。參照第5圖，該雙向可控開關結構為一TRIAC(Triode AC Semiconductor Switch，三端雙向交流半導體開關)，也可稱為雙向晶閘管。
第6圖繪示依據本發明的另一具體實施方式的開關裝置的結構框圖。
參照第6圖，該開關裝置包括一觸點開關72和一雙向可控開關結構70。其中，觸點開關72，諸如繼電器或接觸器，具有一主觸點721和一控制端723，該控制端723接收一第一驅動信號，用以導通該觸點開關72。雙向可控開關結構70並聯於觸點開關72的主觸點721的兩端，接收一個或多個第二驅動信號，用以導通該雙向可控開關結構。在此，術語『雙向可控開關結構』具備在其控制端施加一驅動信號後即可導通且在移除該驅動信號後即可關斷的特性，而與外部的電壓方向無關。當該開關裝置需要執行切斷功能時，雙向可控開關結構70為觸點開關72提供換流通路，以便對觸點開關72進行保護。
在一具體實施例中，當開關裝置執行切斷功能時，產生一第一控制信號和一第二控制信號，其中，第一控制信號用於移除作用在觸點開關72上的第一驅動信號，第二控制信號用於移除作用在雙向可控開關結構70上的一個或多個第二驅動信號，並且第一控制信號先於第二控制信號到達該開關裝置。例如，第一控制信號和第二控制信號到達開關裝置的時間間隔不小於觸點開關72完全關斷所需的動作時間。
在一具體實施例中，第二控制信號到達開關裝置中的雙向可控開關結構70的時間為自觸點開關72完全關斷的時刻到下一次輸入電壓過零點之前的區間內的任一時刻。
在一具體實施例中，雙向可控開關結構70為一單向導通可控開關的反並聯電路。進一步，第二控制信號用於移除反並聯的單向導通可控開關各自的第二驅動信號。例如，可同時移除反並聯的單向導通可控開關各自的第二驅動信號，第二控制信號到達反並聯的單向導通可控開關的時間為自觸點開關72完全關斷的時刻到下一次輸入電壓過零點之前的區間內的任一時刻。又如，可先後移除反並聯的單向導通可控開關各自的第二驅動信號，後移除單向導通可控開關的第二驅動信號的時刻為後關斷的單向導通可控開關的陽極承受正向電壓之前的任一時刻，較佳地，後移除的時刻為單向導通可控開關的陽極從負電壓往正電壓變化的過零點時刻之前的2ms內。
此外，單向導通可控開關的反並聯電路可為一反並聯的SCR。其中，一SCR的陽極和陰極分別連接至另一SCR的陰極和陽極，並且兩個SCR的控制端接收各自的第二驅動信號。
此外，單向導通可控開關的反並聯電路可為一反並聯的IGBT單體，其中，一IGBT單體的發射極和集電極分別連接至另一IGBT單體的集電極和發射極，並且兩個IGBT單體的閘極接收各自的第二驅動信號。
此外，該雙向可控開關結構70可以是一TRIAC。
第7圖繪示第6圖的開關裝置應用于三相電路時的電路結構示意圖。
應當理解，上述第6圖中的開關裝置不僅適用于單相電路，而且還適用於三相電路。參照第7圖，在輸入電壓分別為Va、Vb和Vc的三相電路中，各自設置一開關裝置，以便對觸點開關進行保護。例如，A相電路的開關裝置包括觸點開關RLYA和與之並聯的雙向可控開關結構，該雙向可控開關結構為一反並聯的SCRA1和SCRA2。類似地，B相電路的開關裝置包括觸點開關RLYB和與之並聯的雙向可控開關結構，該雙向可控開關結構為一反並聯的SCRB1和SCRB2，以及C相電路的開關裝置包括觸點開關RLYC和與之並聯的雙向可控開關結構，該雙向可控開關結構為一反並聯的SCRC1和SCRC2。
採用本發明的開關裝置及其發電系統，藉由一第一驅動信號來導通觸點開關以及一第二驅動信號來導通雙向可控開關結構，當開關裝置執行切斷功能時，利用第一控制信號來先行移除該第一驅動信號，並利用第二控制信號稍後移除第二驅動信號，從而使該雙向可控開關結構為觸點開關提供換流通路，以便在發電系統出現故障時可快速地切斷電機與變流器之間的電性連接，提升了系 統的運行穩定性和可維護性。此外，當雙向可控開關結構為觸點開關提供換流通路時，可有效地消除載入於觸點開關兩端的電弧電壓，使得觸點開關在關斷時承受接近於零的電壓，從而對觸點開關進行保護。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
70‧‧‧雙向可控開關結構
72‧‧‧觸點開關
721‧‧‧主觸點
723‧‧‧控制端

Claims (25)

  1. 一種發電系統，包括一電機和一變流器，其中，該發電系統還包括：一故障檢測單元，用以偵測該發電系統的故障，並且在該發電系統出現故障時，產生一故障信號；一控制單元，電性連接於該故障檢測單元，用以接收該故障信號，並輸出一切斷指令；及一開關裝置，電性連接於該電機、該變流器和該控制單元，用以根據該切斷指令來切斷該電機與該變流器之間的電性連接，其中，該開關裝置包括一觸點開關和一雙向可控開關結構，該雙向可控開關結構並聯於該觸點開關的主觸點兩端，當該開關裝置執行切斷功能時，該雙向可控開關結構為該觸點開關提供換流通路，以便對該觸點開關進行保護，其中，該切斷指令包括一第一控制信號和一第二控制信號，其中，該第一控制信號用以移除該觸點開關的驅動信號，該第二控制信號用以移除該雙向可控開關結構的一個或多個驅動信號，並且該第一控制信號先於該第二控制信號到達該開關裝置。
  2. 根據請求項1所述之發電系統，其中，該發電系統為一風力發電系統。
  3. 根據請求項2所述之發電系統，其中，該風力發電系統的功率等級介於10kW至100kW之間。
  4. 根據請求項1所述之發電系統，其中，該第二控制信號到達該開 關裝置的時間為自該觸點開關完全關斷的時刻到下一次輸入電壓過零點之前的區間內的任一時刻。
  5. 根據請求項1所述之發電系統，其中，該第一控制信號和該第二控制信號到達該開關裝置的時間間隔不小於該觸點開關完全關斷所需的動作時間。
  6. 根據請求項1所述之發電系統，其中，該雙向可控開關結構為一單向導通可控開關的反並聯電路。
  7. 根據請求項6所述之發電系統，其中，該第二控制信號用以移除反並聯的單向導通可控開關各自的驅動信號。
  8. 根據請求項7所述之發電系統，其中，同時移除反並聯的單向導通可控開關各自的驅動信號，該第二控制信號到達反並聯的單向導通可控開關的時間為自該觸點開關完全關斷的時刻到下一次輸入電壓過零點之前的區間內的任一時刻。
  9. 根據請求項7所述之發電系統，其中，先後移除反並聯的單向導通可控開關各自的驅動信號，後移除單向導通可控開關的驅動信號的時刻為後關斷的單向導通可控開關的陽極承受正向電壓之前的任一時刻。
  10. 根據請求項6所述之發電系統，其中，單向導通可控開關的反並聯電路為一反並聯的矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)，其中，一矽控整流器的陽極和陰極分別連接至另一矽控整流器的陰極和陽極，並且兩個矽控整流器的控制端接收各自的驅動信號。
  11. 根據請求項6所述之發電系統，其中，單向導通可控開關的反並聯電路為一反並聯的絕緣閘雙極型電晶體單體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，其中，一絕緣閘雙極型電晶體單 體的發射極和集電極分別連接至另一絕緣閘雙極型電晶體單體的集電極和發射極，並且兩個絕緣閘雙極型電晶體單體的閘極接收各自的驅動信號。
  12. 根據請求項1所述之發電系統，其中，該雙向可控開關結構為一三端雙向交流半導體開關(Triode AC Semiconductor Switch，TRIAC)。
  13. 根據請求項1所述之發電系統，其中，該觸點開關為一繼電器或一接觸器。
  14. 一種開關裝置，包含：一觸點開關，具有一主觸點和一控制端，該控制端接收一第一驅動信號用以導通該觸點開關；及一雙向可控開關結構，並聯於該觸點開關的主觸點兩端，接收一個或多個第二驅動信號以導通該雙向可控開關結構，其中，當該開關裝置執行切斷功能時，該雙向可控開關結構為該觸點開關提供換流通路，以便對該觸點開關進行保護，其中，當該開關裝置執行切斷功能時，產生一第一控制信號和一第二控制信號，其中，該第一控制信號用以移除該第一驅動信號，該第二控制信號用以移除該一個或多個第二驅動信號，並且該第一控制信號先於該第二控制信號到達該開關裝置。
  15. 根據請求項14所述之開關裝置，其中，該第二控制信號到達該開關裝置的時間為自該觸點開關完全關斷的時刻到下一次輸入電壓過零點之前的區間內的任一時刻。
  16. 根據請求項14所述之開關裝置，其中，該第一控制信號和該第二控制信號到達該開關裝置的時間間隔不小於該觸點開關完全關斷所需的動作時間。
  17. 根據請求項14所述之開關裝置，其中，該雙向可控開關結構為一單向導通可控開關的反並聯電路。
  18. 根據請求項17所述之開關裝置，其中，該第二控制信號用以移除反並聯的單向導通可控開關各自的第二驅動信號。
  19. 根據請求項18所述之開關裝置，其中，同時移除反並聯的單向導通可控開關各自的第二驅動信號，該第二控制信號到達反並聯的單向導通可控開關的時間為自該觸點開關完全關斷的時刻到下一次輸入電壓過零點之前的區間內的任一時刻。
  20. 根據請求項18所述之開關裝置，其中，先後移除反並聯的單向導通可控開關各自的第二驅動信號，後移除單向導通可控開關的第二驅動信號的時刻為後關斷的單向導通可控開關的陽極承受正向電壓之前的任一時刻。
  21. 根據請求項17所述之開關裝置，其中，單向導通可控開關的反並聯電路為一反並聯的矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)，其中，一矽控整流器的陽極和陰極分別連接至另一矽控整流器的陰極和陽極，並且兩個矽控整流器的控制端接收各自的第二驅動信號。
  22. 根據請求項17所述之開關裝置，其中，單向導通可控開關的反並聯電路為一反並聯的絕緣閘雙極型電晶體單體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，其中，一絕緣閘雙極型電晶體單體的發射極和集電極分別連接至另一絕緣閘雙極型電晶體單體的集電極和發射極，並且兩個絕緣閘雙極型電晶體單體的閘極接收各自的第二驅動信號。
  23. 根據請求項14所述之開關裝置，其中，該雙向可控開關結構為一三端雙向交流半導體開關(Triode AC Semiconductor Switch， TRIAC)。
  24. 根據請求項14所述之開關裝置，其中，該觸點開關為一繼電器或一接觸器。
  25. 根據請求項14所述之開關裝置，其中，該開關裝置適用于一單相電路或一三相電路。
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