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    • 专利摘要:
    本發明提供一種雙饋式感應發電系統及其主動式撬棍電路的自我測試方法。本發明的特徵在於利用雙饋式感應發電系統的控制器執行自我測試程序來檢測主動式撬棍電路的迴路電流大小，以判斷主動式撬棍電路是否能夠正常導通與截止，並且在自我測試程序執行期間，雙饋式感應發電系統的轉子側變流器與主動式撬棍電路不會同時導通。
    公开号:TW201306415A
    申请号:TW100131914
    申请日:2011-09-05
    公开日:2013-02-01
    发明作者:Jian-Fei Zheng；Fei Lv；Zhi Li；Ai-Bin Qiu
    申请人:Delta Electronics Shanghai Co；
    IPC主号:G01R31-00
    专利说明:
    雙饋式感應發電系統及其主動式撬棍電路的自我測試方法
    本案係關於一種雙饋式感應發電系統(doubly-fed induction generator system)，尤指具有主動式撬棍電路(active crowbar circuit)的雙饋式感應發電系統，以實現低壓穿越(low-voltage ride-through, LVRT)的功能。
    現行的風力渦輪（wind turbine）主要是採用雙饋式感應發電機(doubly-fed induction generator, DFIG)來作為其主要的風力發電機。當電網發生異常而導致雙饋式感應發電機的並網點電壓跌落的時候，雙饋式感應發電機必須要能夠保持並網直到電網回復正常，從而穿越這個低電壓時間（區域）。因此，一般的雙饋式感應發電機需要具備低壓穿越(low-voltage ride-through, LVRT)功能，以便在雙饋式感應發電機並網且電網出現電壓跌落時，仍然能夠保持並網的一種特定的運作功能。目前廣泛應用於雙饋式感應發電機的低壓穿越技術為主動式撬棍電路(active crowbar circuit)，其係用來保護雙饋式感應發電機的轉子側電路，以便在電網的電壓跌落而在轉子側電路中引起暫態的過電壓與過電流時，將轉子側電路短路，使得轉子側電路中的湧浪電流（inrush current）能夠釋放出去。
    傳統的主動式撬棍電路係與雙饋式感應發電機的轉子並聯，且包含由二極體所組成的整流橋式電路與一IGBT(絕緣閘雙極電晶體)開關以及一吸收電阻，其中整流橋式電路的每個橋臂由兩個二極體互相串聯而成，且IGBT開關以及吸收電阻位於主動式撬棍電路的直流側。此外，為了確保主動式撬棍電路能夠正常的導通及截止，當雙饋式感應發電機開機(power on)後，主動式撬棍電路需要進行自我測試(self-test)來檢測其是否能夠正常操作。習知的主動式撬棍電路的自我測試方式有下列兩種。第一種自我測試方式為檢測主動式撬棍電路的橋式電路的電壓是否為零來判斷檢測主動式撬棍電路是否能夠正常操作。然而，這種自我測試方式的缺點在於當主動式撬棍電路中的IGBT開關截止(turn off)時，橋臂兩端的電壓大小會因為寄生電容的分壓而無法確定，且決定IGBT開關是否導通的電壓閥值(threshold voltage)難以設計，並且需要電壓傳感器（voltage sensor）。第二種自我測試方式為測試主動式撬棍電路中的電流大小來判斷主動式撬棍電路中的IGBT開關是否導通。然而，這種啟動方式的缺點在於主動式撬棍電路中的電阻值通常很小，例如小於1W。因此，若同時以脈衝寬度調變信號(PWM signal)導通了雙饋式感應發電機的轉子側變流器(rotor-side converter)與主動式撬棍電路中的IGBT開關，容易造成轉子側變流器產生過電流(over-current)的問題。
    因此，申請人現在提出一種雙饋式感應發電系統，以及其主動式撬棍電路的自我測試方法，其能夠對主動式撬棍電路進行自我測試，且不會讓雙饋式感應發電機的轉子側變流器產生過電流的問題。
    本案之目的在於提供一種有能夠進行自我測試的主動式撬棍電路的雙饋式感應發電系統，以及其主動式撬棍電路的自我測試方法，其能夠對主動式撬棍電路進行自我測試，且不會讓雙饋式感應發電系統的轉子側變流器產生過電流的問題。
    根據本發明的主要實施態樣，其提出一種主動式撬棍電路的自我測試方法，其中該主動式撬棍電路應用於一雙饋式感應發電系統中且該雙饋式感應發電系統包含一轉子與一轉子側變流器，該方法包含下列步驟: (I) 驅動該轉子側變流器導通，以便讓轉子側變流器控制該轉子的電流，使得該轉子的電流的有效值維持一預定的較小值; (II)驅動轉子側變流器截止並且驅動該主動式撬棍電路導通; (III) 判斷該主動式撬棍電路是否能夠正常導通; (IV) 驅動該主動式撬棍電路截止; 以及 (V) 判斷該主動式撬棍電路是否能夠正常截止。
    根據本發明的另一實施態樣，其提出一種雙饋式感應發電系統，其包含一轉子; 一轉子側變流器，與該轉子連接，用以提供一交流電壓來驅動該轉子以產生力矩; 一主動式撬棍電路，與該轉子並聯，用以保護該轉子與該轉子側變流器以避免該轉子與該轉子側變流器遭受過電壓與過電流的情形; 以及一控制器，連接至該轉子側變流器與該主動式撬棍電路，用以對該主動式撬棍電路進行一自我測試程序以判斷該主動式撬棍電路是否能夠正常導通與截止，其中自我測試程序係經由檢測該主動式撬棍電路的迴路電流以判斷該主動式撬棍電路是否能夠正常導通與截止，並且該轉子側變流器與該主動式撬棍電路在自我測試程序執行期間不會同時導通。
    體現本案特徵與優點的典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。
    第1圖顯示本發明的雙饋式感應發電系統的示意圖。如第1圖所示，本發明的雙饋式感應發電系統100包含一電網(grid)Vg，用以提供一個三相交流電壓。雙饋式感應發電系統100更包含一軟啟動電路，經由三相開關S1-a, S1-b, S1-c連接至電網Vg。軟啟動電路由開關S3-a, S3-b, S3-c、開關S4-a, S4-b, S4-c、電阻R3-a, R3-b, R3-c組成。軟啟動電路係用來在當雙饋式感應發電系統100開機(power on)時，限制雙饋式感應發電系統100的湧浪電流(inrush current)以避免雙饋式感應發電系統100的電路元件因為突發的大電流而受損。電阻R3-a, R3-b, R3-c係與開關S3-a, S3-b, S3-c串聯，而開關S4-a, S4-b, S4-c係與開關S3-a, S3-b, S3-c並聯。軟啟動電路受一控制器102驅動，使得雙饋式感應發電系統100軟啟動時開關S3-a, S3-b, S3-c先導通，使得電網Vg的三相交流電壓先流經開關S3-a, S3-b, S3-c與電阻R3-a, R3-b, R3-c，而在軟啟動後，開關S4-a, S4-b, S4-c導通而開關S3-a, S3-b, S3-c截止，使得電網Vg的三相交流電壓流經開關S4-a, S4-b, S4-c。雙饋式感應發電系統100更包含一LC濾波電路，其由電感L2-a, L2-b, L2-c、電阻R2-a. R2-b. R2-c、電容C2-a, C2-b, C2-c組成，其中電感L2-a, L2-b, L2-c與電阻R3-a, R3-b, R3-c串聯而電阻R2-a. R2-b. R2-c與電感L2-a, L2-b, L2-c串聯。電容C2-a連接於電阻R2-a與R2-b之間，而電容C2-b連接於電阻R2-b與R2-c之間。電容C2-c連接於電容C2-a與電容C2-b之間。LC濾波電路係用來濾除流過電感L2-a, L2-b, L2-c的三相電流的雜訊，使得流入電網Vg的三相交流電流的波形平滑化為正弦波。
    雙饋式感應發電系統100更包含一背對背的電壓變流器組（back-to-back voltage converters），其由一個電網側變流器（grid-side converter）104與一個轉子側變流器（rotor-side converter）106以背對背的方式連接而成。背對背的電壓變流器組連接至電感L2-a, L2-b, L2-c，其中電網側變流器104為一整流器(rectifier)而轉子側變流器106為一逆變器(inverter)。電網側變流器104係將電網Vg的三相交流電壓整流為一直流鏈接電壓(DC link voltage)，而轉子側變流器106係將電網側變流器104輸出的直流鏈接電壓轉換成一交流電壓。電網側變流器104與轉子側變流器106中間設置一個直流鏈接電容(DC-link capacitor)Co，其作為一個能量儲存裝置，用以將直流鏈接電壓中的電壓漣波(voltage ripples)保持為最小值。雙饋式感應發電系統100更包含du/dt濾波器L1-a, L1-b, L1-c，連接至轉子側變流器106，用來減少轉子側變流器106輸出的交流電壓的du/dt值。雙饋式感應發電系統100更包含一轉子(rotor)108與一定子(stator)110。轉子108係與背對背的電壓變流器組（104, 106, Co）連接，其受轉子側變流器106的交流電壓所驅動而建立磁場，藉此產生力矩（torque）。定子110經由並網開關MCB-1, MCB-2, MCB-3連接至電網Vg，以將所產生的電能經由並網開關MCB-1, MCB-2, MCB-3傳輸至電網Vg。雙饋式感應發電系統100更包含一齒輪箱(gear box)112與一槳葉(blade)114，其中轉子108經由齒輪箱112連接至槳葉114。風通過槳葉114和齒輪箱112驅動雙饋式感應發電系統100轉動。轉子側變流器106設定為控制轉子電流，而電網側變流器104設定為控制直流鏈接電壓。雙饋式感應發電系統100更包含一主動式撬棍電路116，與雙饋式感應發電系統100的轉子108並聯，且包含由二極體Dcb1-Dcb6所組成的整流橋式電路與一IGBT(絕緣閘雙極電晶體)開關Qs1以及一吸收電阻Rcb。整流橋式電路具有三個橋臂，每個橋臂由兩個二極體互相串聯而成，且IGBT開關Qs1以及吸收電阻Rcb位於主動式撬棍電路116的直流側。主動式撬棍電路116更包含一電阻Rs1以及一電容Cs1，其係彼此互相串聯且跨接於IGBT開關Qs1的兩電流傳導端之間，其主要是作為緩衝電路以防止IGBT開關 Qs1在截止的瞬間產生過高電壓，造成IGBT開關 Qs1損壞。
    雙饋式感應發電系統100更包含一控制器102，連接至軟啟動電路(S3-a, S3-b, S3-c、S4-a, S4-b, S4-c、R3-a, R3-b, R3-c)、電網側變流器104、轉子側變流器106、主動式撬棍電路116。控制器102係用來控制軟啟動電路(S3-a, S3-b, S3-c、S4-a, S4-b, S4-c、R3-a, R3-b, R3-c)、電網側變流器104、轉子側變流器106，以及主動式撬棍電路116的IGBT開關Qs1的開關切換。控制器102可以對主動式撬棍電路116進行自我測試，來檢測主動式撬棍電路116是否能夠正常操作。
    第2圖為雙饋式感應發電系統100軟啟動後直至並網前轉子108的等效電路。第3圖為主動式撬棍電路116導通時轉子108的等效電路。第4圖為主動式撬棍電路116的迴路電流對時間的關係圖。在第2圖與第3圖中，電感Lm’為轉子108的激磁電感。電感Lr s為轉子108的漏電感，電阻Rr為轉子108的等效電阻。電壓ur為轉子側變流器106輸出的三相電壓的其中一個相位的電壓。電流ir為雙饋式感應發電系統100的轉子電流的其中一相的電流。電流icb為主動式撬棍電路116直流側的電流。電阻0.5Rcb為主動式撬棍電路116的吸收電阻Rcb在三相電路的其中一相的等效值。需注意的是第3圖的等效電路亦包含du/dt濾波器的其中之一(L1-a, L1-b, 或L1-c)，然而du/dt濾波器的電感值很低可以忽略不計，因此未顯示於第3圖。關於控制器102所實現的對主動式撬棍電路116的開機自我測試方法，將於底下配合第1圖到第4圖詳細說明。
    當雙饋式感應發電系統100開機時，控制器102驅動電網側變流器104先啟動，以便在直流鏈接電容Co上建立直流鏈接電壓（直流匯流排電壓）。接下來，控制器102在雙饋式感應發電系統100並網前，將轉子側變流器106導通，以便讓轉子側變流器106控制轉子電流ir，使得轉子電流ir的有效值維持一預定的較小值，如第2圖所示。在這種情形下，定子110的電壓不會超過電網Vg的電壓。接下來，在時間t1時，控制器102驅動轉子側變流器106截止，並且驅動主動式撬棍電路116的IGBT開關Qs1導通。此時，若IGBT開關Qs1正常工作，則可以檢測到轉子電流流入主動式撬棍電路116中，如第3圖所示。此時，主動式撬棍電路116直流側的電流icb會如第4圖的虛線所示按照指數規律衰減。若在一預設時間內連續檢測到主動式撬棍電路116的直流側的電流icb大於一個預設電流值Icb0，則可判斷主動式撬棍電路116可以正常導通。反之，控制器102會將雙饋式感應發電系統100關機並向系統回報主動式撬棍電路116故障而無法正常導通。
    接下來，在時間t2時，控制器102驅動主動式撬棍電路116的IGBT開關Qs1截止。此時，主動式撬棍電路116的直流側的電流icb會立即減小到0。若在該預設時間內連續檢測到主動式撬棍電路116的直流側的電流icb小於預設電流值Icb0，則可判斷主動式撬棍電路116可以正常截止。反之，主動式撬棍電路116的直流側的電流icb會繼續按照第4圖虛線所示指數規律衰減，並且控制器102會將雙饋式感應發電系統100關機並向系統回報主動式撬棍電路116故障而無法正常截止。若是主動式撬棍電路116能夠正常的導通與截止，則在時間t3控制器102驅動轉子側變流器106重新導通，使得雙饋式感應發電系統100能夠並網，並且將其所產生的電力經由並網開關MCB-1, MCB-2, MCB-3傳輸至電網Vg，以便對雙饋式感應發電系統100進行並網控制。
    綜合上述，本發明提出一種具有能夠進行自我測試的主動式撬棍電路的雙饋式感應發電系統，其能夠讓雙饋式感應發電系統的控制器在雙饋式感應發電系統並網前，對主動式撬棍電路進行自我測試。由於在主動式撬棍電路進行自我測試期間，會檢測主動式撬棍電路的迴路電流大小來判斷主動式撬棍電路是否能夠正常導通與截止，且雙饋式感應發電系統的轉子側變流器與主動式撬棍電路不會同時導通，因此避免了雙饋式感應發電系統的轉子側變流器產生過電流的問題。
    本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
    Vg．．．電網(grid)
    S1-a,S1-b,S1-c．．．三相開關
    S3-a,S3-b,S3-c．．．開關
    S4-a,S4-b,S4-c．．．開關
    R3-a,R3-b,R3-c．．．電阻
    L2-a,L2-b,L2-c．．．電感
    R2-a.R2-b.R2-c．．．電阻
    C2-a,C2-b,C2-c．．．電容
    104．．．電網側變流器(grid-side converter)
    106．．．轉子側變流器(rotor-side converter)
    Co．．．直流鏈接電容(DC-link capacitor)
    102．．．控制器
    L1-a,L1-b,L1-c．．．du/dt濾波器
    108．．．轉子(rotor)
    110．．．定子(stator)
    MCB-1,MCB-2,MCB-3．．．並網開關
    112．．．齒輪箱(gear box)
    114．．．槳葉(blade)
    116．．．主動式撬棍電路
    Dcb1-Dcb6．．．二極體
    Qs1．．．IGBT(絕緣閘雙極電晶體)開關
    Rcb．．．吸收電阻
    Rs1．．．電阻
    Cs1．．．電容
    Lrs．．．電感
    Rr．．．電阻
    ir．．．轉子電流
    Lm’．．．電感
    第1圖顯示本發明的雙饋式感應發電系統的示意圖;
    第2圖為雙饋式感應發電系統軟啟動後直至並網前轉子的等效電路;
    第3圖為主動式撬棍電路導通時轉子的等效電路; 以及
    第4圖為主動式撬棍電路的迴路電流對時間的關係圖。
    Vg．．．電網(grid)
    S1-a,S1-b,S1-c．．．三相開關
    S3-a,S3-b,S3-c．．．開關
    S4-a,S4-b,S4-c．．．開關
    R3-a,R3-b,R3-c．．．電阻
    L2-a,L2-b,L2-c．．．電感
    R2-a.R2-b.R2-c．．．電阻
    C2-a,C2-b,C2-c．．．電容
    104．．．電網側變流器(grid-side converter)
    106．．．轉子側變流器(rotor-side converter)
    Co．．．直流鏈接電容(DC-link capacitor)
    102．．．控制器
    L1-a,L1-b,L1-c．．．du/dt濾波器
    108．．．轉子(rotor)
    110．．．定子(stator)
    MCB-1,MCB-2,MCB-3．．．並網開關
    112．．．齒輪箱(gear box)
    114．．．槳葉(blade)
    116．．．主動式撬棍電路
    Dcb1-Dcb6．．．二極體
    Qs1．．．IGBT(絕緣閘雙極電晶體)開關
    Rcb．．．吸收電阻
    Rs1．．．電阻
    Cs1．．．電容
    权利要求:
    Claims (9)
    [1] 一種主動式撬棍電路的自我測試方法，其中該主動式撬棍電路應用於一雙饋式感應發電系統中且該雙饋式感應發電系統包含一轉子與一轉子側變流器，該方法包含下列步驟:　 驅動該轉子側變流器導通，以便讓轉子側變流器控制該轉子的電流，使得該轉子的電流的有效值維持一預定的較小值;　 驅動轉子側變流器截止並且驅動該主動式撬棍電路導通;判斷該主動式撬棍電路是否能夠正常導通;驅動該主動式撬棍電路截止; 以及判斷該主動式撬棍電路是否能夠正常截止。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之主動式撬棍電路的自我測試方法，其中執行驅動該主動式撬棍電路截止的步驟的時間比執行驅動轉子側變流器截止並且驅動該主動式撬棍電路導通的步驟的時間晚一個預設的時間間隔。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述之主動式撬棍電路的自我測試方法，其中判斷該主動式撬棍電路是否能夠正常導通的步驟更包含下列步驟:　 在一段預設時間內連續檢測該主動式撬棍電路的迴路電流是否大於一預設電流值;　 若在該段預設時間內該主動式撬棍電路的迴路電流大於該預設電流值，判斷該主動式撬棍電路能夠正常導通; 以及　 若在該段預設時間內該主動式撬棍電路的迴路電流小於或等於該預設電流值，判斷該主動式撬棍電路無法正常導通且將該雙饋式感應發電系統關機。
    [4] 如申請專利範圍第4項所述之主動式撬棍電路的自我測試方法，其中判斷該主動式撬棍電路是否能夠正常截止的步驟更包含下列步驟:　 在該段預設時間內連續檢測該主動式撬棍電路的迴路電流是否小於該預設電流值;　 若在該段預設時間內該主動式撬棍電路的迴路電流小於該預設電流值，判斷該主動式撬棍電路能夠正常截止; 以及　 若在該段預設時間內該主動式撬棍電路的迴路電流大於或等於該預設電流值，判斷該主動式撬棍電路無法正常截止且將該雙饋式感應發電系統關機。
    [5] 如申請專利範圍第1項所述之主動式撬棍電路的自我測試方法，更包含下列步驟:若判斷該主動式撬棍電路能夠正常導通與截止，驅動該轉子側變流器重新導通，並且驅動該雙饋式感應發電系統並網。
    [6] 如申請專利範圍第6項所述之主動式撬棍電路的自我測試方法，其中執行驅動該轉子側變流器重新導通，並且驅動該雙饋式感應發電系統並網的步驟的時間比執行驅動該主動式撬棍電路截止的步驟的時間晚一個預設的時間間隔。
    [7] 一種雙饋式感應發電系統，其包含:一轉子;一轉子側變流器，與該轉子連接，用以提供一交流電壓來驅動該轉子建立磁場，藉此產生力矩;　 一主動式撬棍電路，與該轉子並聯，用以保護該轉子與該轉子側變流器以避免該轉子與該轉子側變流器遭受過電壓與過電流的情形; 以及　 一控制器，連接至該轉子側變流器與該主動式撬棍電路，用以對該主動式撬棍電路進行一自我測試程序以判斷該主動式撬棍電路是否能夠正常導通與截止;其中自我測試程序係經由檢測該主動式撬棍電路的迴路電流以判斷該主動式撬棍電路是否能夠正常導通與截止，並且該轉子側變流器與該主動式撬棍電路在自我測試程序執行期間不會同時導通。
    [8] 如申請專利範圍第8項所述之雙饋式感應發電系統，更包含一軟啟動電路，連接至該電網側變流器的一輸入端，用以限制該雙饋式感應發電系統開機時所引起的湧浪電流。
    [9] 如申請專利範圍第8項所述之雙饋式感應發電系統，更包含一du/dt濾波器，連接至該轉子側變流器的一輸出端，用以減少該轉子側變流器輸出的交流電壓的du/dt值。
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    法律状态:
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