專利名稱：用于風(fēng)能設(shè)備的過壓保護(hù)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)能設(shè)備的過壓保護(hù)器，該過壓保護(hù)器通過具有至少一個(gè)電
感器的連接線路連接到電網(wǎng)上，其中設(shè)有控制器，該控制器根據(jù)風(fēng)能設(shè)備上的過電壓來操控限制單元。
背景技術(shù)：
隨著風(fēng)能設(shè)備日益增多，對(duì)其電網(wǎng)連接特性的要求也越來越高。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓擾動(dòng)、尤其當(dāng)出現(xiàn)電壓峰值時(shí)，對(duì)風(fēng)能設(shè)備的特性也有很高要求。迄今為止的風(fēng)能設(shè)備通常會(huì)在出現(xiàn)電壓峰值時(shí)與電網(wǎng)斷開以求自我保護(hù)，但是從電網(wǎng)適應(yīng)性角度來看，這種特性通常是不可接受的。風(fēng)能設(shè)備必須至少耐受高達(dá)電網(wǎng)電壓120%的短時(shí)電壓峰值?，F(xiàn)代風(fēng)能設(shè)備均按照這種要求進(jìn)行構(gòu)造。 但并非所有國家的電網(wǎng)運(yùn)營商均有相同的要求。有些電網(wǎng)運(yùn)營商還會(huì)提出一些附加要求，尤其是耐受高達(dá)電網(wǎng)電壓140%的電壓峰值。對(duì)于按照120%以下電壓峰值構(gòu)造的常規(guī)現(xiàn)代風(fēng)能設(shè)備部件而言，如果不對(duì)風(fēng)能設(shè)備部件進(jìn)行適配使之適合提高后的峰值電壓，將無法滿足這一要求，而這種要求則意味著需要額外增加成本。因此本發(fā)明建議將與風(fēng)能設(shè)備并聯(lián)的無功電源連接到輸電線路上。這種無功電源的名稱就是眾所周知的Statcom，可在需要時(shí)提供附加的無功功率，這同樣也會(huì)改變風(fēng)能設(shè)備上的電壓。只有當(dāng)出現(xiàn)過電壓對(duì)正常運(yùn)行形成不利影響時(shí)，才需要激活Statcom。但也存在這種無功電源的購置與安裝成本很高的缺點(diǎn)。此外也有人公開了在風(fēng)電場利用開關(guān)電容器將無功電源直接安裝在風(fēng)能設(shè)備上的方法(US7，095，597B1)。適當(dāng)激活所述的電容，即可調(diào)節(jié)風(fēng)能設(shè)備上的電壓。與Statcom的不同之處在于，這些電容在正常運(yùn)行過程中始終保持激活，因此必須選擇適當(dāng)大且牢固的尺寸構(gòu)造，這無疑會(huì)造成很大的費(fèi)用支出。 另一種減少附加費(fèi)用的方法是在出現(xiàn)過電壓時(shí)迅速將定子與電網(wǎng)分開，并且通過等效負(fù)載以有控制的方式卸放其中所儲(chǔ)存的能量(W02004/070936A1)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于還可以在一定時(shí)間內(nèi)使得定子內(nèi)維持磁化，從而可在出現(xiàn)短暫電網(wǎng)擾動(dòng)之后迅速重新接通。該方法盡管有附加費(fèi)用很少的優(yōu)點(diǎn)，但是也有需要在出現(xiàn)擾動(dòng)的情況下將定子與電網(wǎng)分開的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種經(jīng)過改進(jìn)、能避免上述缺點(diǎn)的過壓保護(hù)器。 本發(fā)明的解決方法基于相關(guān)獨(dú)立權(quán)利要求所述的特征。從屬權(quán)利要求所述內(nèi)容均
為有益的改進(jìn)實(shí)施方式。 本發(fā)明的用于風(fēng)能設(shè)備的過壓保護(hù)器連接在風(fēng)能設(shè)備與電網(wǎng)之間具有至少一個(gè)電感器的輸電線路上，并且包括可根據(jù)風(fēng)能設(shè)備上的過電壓來操控限制單元的控制器，所述限制單元包括支線，其具有帶開關(guān)的功率分配模塊和電抗器模塊(Drosselmodul)。
所謂電抗器模塊指的是可通過感應(yīng)電抗器將各相或者某一相與中性線接頭短接
3的模塊。感應(yīng)電抗器的特性是電抗器具有比較高的短路電流，短路電流的相位滯后于相應(yīng) 的電壓，因此可產(chǎn)生感應(yīng)的無功功率，而且優(yōu)選在電抗器模塊內(nèi)使用的是簡單、成本低廉的 無源器件。 本發(fā)明的構(gòu)思在于，將功率分配模塊以及電抗器模塊組合在分支的支線之中。通 過在功率分配模塊中配置可快速開關(guān)的開關(guān)，從而可以在出現(xiàn)過電壓的情況下迅速提供第 二 (并聯(lián))功率支路。通過將這一暫時(shí)的并聯(lián)的功率支路連接在電抗器模塊上，使得大量 無功電流在其中流過，這使得輸電線路的電感器上出現(xiàn)電壓降，從而可在電網(wǎng)中出現(xiàn)過電 壓時(shí)降低作用在風(fēng)能設(shè)備上的電壓。所述電抗器模塊在正常工況下并不通電，因此不會(huì)在 正常工況下出現(xiàn)損耗。由于電抗器模塊僅僅短時(shí)通電，在正常工況下沒有熱負(fù)荷，因此能在 出現(xiàn)過電壓峰值時(shí)承受很高的負(fù)荷，不會(huì)引起熱過載。 本發(fā)明可用于風(fēng)能設(shè)備僅需要短時(shí)耐受過電壓峰值的情況。所述過電壓峰值指 的是超出120%普通范圍的峰值。譬如僅限于要求在十分之幾秒的范圍內(nèi)耐受為額定電 壓140%的過電壓峰值，其中全部過電壓峰值僅在小于一分鐘的時(shí)間內(nèi)處在大于額定電壓 120%的范圍(對(duì)于常見的風(fēng)能設(shè)備而言，可針對(duì)正常工況選擇部件的尺寸來覆蓋這一范 圍)。本發(fā)明的有益之處在于由于該時(shí)間極短，所使用的部件(這里是電抗器模塊)也可 在出現(xiàn)過電壓峰值時(shí)大幅度過載。由于出現(xiàn)時(shí)間極短，可避免部件遭到損壞。因此完全可 以采用很小的尺寸以節(jié)約成本，且不會(huì)造成影響工作可靠性的缺點(diǎn)。 本發(fā)明的實(shí)施方式包括功率分配模塊以及成本低廉的電抗器模塊，其優(yōu)點(diǎn)是可采 用更換的方式針對(duì)不同的電網(wǎng)連接條件對(duì)其進(jìn)行調(diào)整?？梢愿鶕?jù)過電壓峰值及其出現(xiàn)時(shí)間 來選擇電抗器模塊。因此可通過簡單更換電抗器模塊，使風(fēng)能設(shè)備適配于過電壓峰值，從而 使其能夠在完全不同電網(wǎng)連接條件的電網(wǎng)中運(yùn)行。 這樣就能將本發(fā)明的電抗器模塊構(gòu)造成十分小的尺寸，從而節(jié)約成本。因此本發(fā) 明既能實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)行特性，又可節(jié)約購置與安裝成本。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于可以利 用輸電線路中現(xiàn)有的電感器來降低電壓，因此可以用高效、成本低廉的方式來實(shí)施本發(fā)明。
按照本發(fā)明的一種首選實(shí)施方式，將電抗器模塊構(gòu)造成變壓器形式，更為確切地 說是一種電抗變壓器，其特征在于變壓器的漏電感主要源于空氣中的漏磁場，這些漏磁場 不會(huì)飽和，所以這種變壓器特別適用于短路工況，因?yàn)椴恍枰窕诖判镜碾娍蛊髂菢釉?大磁回路。這就使得這種變壓器至少能夠在短時(shí)工況下承受非常大的熱過載和磁過載，從 而可以給本發(fā)明的過壓保護(hù)器安裝體積小、成本低廉的變壓器。本發(fā)明所述裝置的另一個(gè) 優(yōu)點(diǎn)在于由于該裝置安裝在支線之中，在構(gòu)造磁回路時(shí)不必考慮可能會(huì)出現(xiàn)的無載損耗， 因?yàn)橹Ь€使得在正常工況下沒有電流流過變壓器。 優(yōu)選將開關(guān)構(gòu)造成快速開關(guān)型式，也就是說，開關(guān)應(yīng)在幾毫秒(最多10毫秒)之 內(nèi)導(dǎo)通?？梢詫⒃撻_關(guān)構(gòu)造成中間開關(guān)，也就是該開關(guān)安裝在功率分配模塊與輸電線路之 間的連接點(diǎn)和電抗器模塊之間。通常采用這種布置型式。當(dāng)然并非一定如此，也可以根據(jù) 電抗器模塊的構(gòu)造型式，將開關(guān)構(gòu)造成安裝在模塊上的短路開關(guān)。 優(yōu)選將該開關(guān)構(gòu)造成晶閘管開關(guān)，這樣有助于實(shí)現(xiàn)lms或者更短時(shí)間的開關(guān)速 度。相對(duì)于電網(wǎng)頻率而言，晶閘管開關(guān)可在感覺不到延遲的情況下導(dǎo)通。優(yōu)選將晶閘管開關(guān) 與并聯(lián)接觸器組合使用，該接觸器可在較長時(shí)間持續(xù)激活過程中接受來自晶閘管的電流。 所謂"較長時(shí)間持續(xù)"指的是激活時(shí)間至少為100ms。也可以采用半導(dǎo)體技術(shù)的并聯(lián)接觸
4器，例如可以配IGBT，或者用可變阻器或齊納二極管進(jìn)行自控。 在許多情況下，每相配有兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管開關(guān)。優(yōu)選將反并聯(lián)開關(guān)安裝在簡化 電路之中，也就是僅在三相電系統(tǒng)的兩相中安裝有開關(guān)。這樣就能用較少數(shù)量的開關(guān)來控 制所有三相中的電流。按照一種改進(jìn)實(shí)施方式所述，將開關(guān)安裝在超級(jí)簡化電路之中，也就 是說，并非連接兩個(gè)反并聯(lián)開關(guān)，而是單個(gè)相僅用單側(cè)的晶閘管開關(guān)相互連接。這樣就減少 了所需開關(guān)的數(shù)量，但仍然能夠可靠切斷電流。 另一種實(shí)施方式是采用橋式電路連接開關(guān)尤其是短路開關(guān)?？梢詫⒘鶄€(gè)開關(guān)布置 成全控橋型式，例如將用于短時(shí)工況的六個(gè)晶閘管開關(guān)布置成全控晶閘管橋型式。為了簡 化起見，也可以采用半控橋，即將三個(gè)開關(guān)，而不是六個(gè)開關(guān)，外加三個(gè)二極管用于無源整 流器。 優(yōu)選適當(dāng)選擇電抗器模塊的尺寸，使得短路電壓大致為3 7%，優(yōu)選為4 6%。 按照本發(fā)明，功率分支的支線中僅存在短時(shí)負(fù)荷，因此其他情況下完全沒有負(fù)荷的電抗器 模塊可在需要時(shí)大幅過載。采用所述的構(gòu)造，可以在額定電壓下在短時(shí)工礦時(shí)施加二十五 倍的功率。短路電壓應(yīng)在4%和6%之間的范圍內(nèi)，這樣就能使用市面上常見的變壓器。任 何情況下均要適當(dāng)選擇電抗器模塊的尺寸，使其能夠根據(jù)所要求的最大電壓峰值、最大電 壓峰值的持續(xù)時(shí)間和/或當(dāng)前的電網(wǎng)阻抗，將風(fēng)能設(shè)備上的最大電壓峰值降低到額定電壓 的120%，且不會(huì)發(fā)生熱過載。 在許多情況下只要安裝一個(gè)作用于所有相的電抗器模塊即可。其它情況下優(yōu)選 安裝多級(jí)電抗器模塊，然后適當(dāng)接通開關(guān)第一級(jí)、第二級(jí)、第三極或者更多的級(jí)，從而改變 電抗器模塊的總作用效果。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)額外的儲(chǔ)備，以便消除預(yù)期范圍之外的電壓峰 值。這種多級(jí)方案的首選實(shí)施方式是并聯(lián)布置，即分別通過獨(dú)立的開關(guān)元件使得多個(gè)功率 或短路電壓呈梯次的電抗器模塊部件并聯(lián)。激活某一個(gè)或者多個(gè)開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)級(jí)。 采用梯次布置可以獲得多個(gè)級(jí)(例如如果比例為4 : 2 : l，則僅用三個(gè)部件即可獲得七個(gè) 級(jí))，為了對(duì)其進(jìn)行控制，控制器優(yōu)選具有多級(jí)邏輯電路，所述邏輯電路可根據(jù)過電壓來確 定應(yīng)激活的級(jí)的數(shù)量。 控制器優(yōu)選具有重復(fù)模塊，所述重復(fù)模塊用來監(jiān)測一定時(shí)間內(nèi)快速順序激活功率 分支的次數(shù)。如果在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)超過這一確定的次數(shù)，則為了保護(hù)過壓保護(hù)器將不再 繼續(xù)執(zhí)行激活。經(jīng)過一段等待時(shí)間之后(可將其看作是冷卻階段)，過壓保護(hù)器將重新可供 使用。其優(yōu)選與控制器的過載模塊共同發(fā)揮作用。當(dāng)過壓保護(hù)器的容量用盡時(shí)，所述過載 模塊就會(huì)將控制信號(hào)傳送給上級(jí)調(diào)節(jié)單元，這個(gè)調(diào)節(jié)單元通常是風(fēng)電場的主控制器，過壓 保護(hù)器所屬的風(fēng)能設(shè)備就處在這個(gè)風(fēng)電場之中。如果過電壓高于過壓保護(hù)器及其電抗器模 塊所能控制的幅度，或者由于短時(shí)間內(nèi)的電壓峰值數(shù)量觸發(fā)了用于保護(hù)部件的重復(fù)模塊， 就會(huì)出現(xiàn)上述情形。然后就可以在繼續(xù)出現(xiàn)過電壓時(shí)利用過載模塊將相關(guān)風(fēng)能設(shè)備與電網(wǎng) 分開，以對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。除此之外，在過載模塊內(nèi)還保存有電壓/時(shí)間特征曲線，可根據(jù)測 量點(diǎn)的電壓或者電壓曲線確定最大接通時(shí)間。也可以在電抗器模塊上安裝溫度傳感器，過 載模塊監(jiān)測電抗器模塊的熱負(fù)荷，從而避免發(fā)生可能會(huì)導(dǎo)致電抗器模塊受損的臨界過載。
電抗器模塊連接在輸電線路的所有相上，通常情況下不需要連接到零線上。但并 非一定如此，也可以連接到零線上，這樣特別有助于平衡非對(duì)稱電壓誤差。


以下將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)解釋，附圖所示均為本發(fā)明的有益實(shí)施例。相關(guān)附圖如下 圖1連接在風(fēng)能設(shè)備與電網(wǎng)之間的輸電線路上的過壓保護(hù)器的一種實(shí)施例的示意圖； 圖2功率分配模塊與電抗器模塊的不同實(shí)施例； 圖3具有電抗器的不同實(shí)施例； 圖4具有變壓器的其它實(shí)施例； 圖5功率分配模塊開關(guān)的一種實(shí)施例； 圖6功率分配模塊的快速開關(guān)的備選實(shí)施方式； 圖7圖1所示裝置的等效電路圖；以及 圖8涉及過電壓峰值的電網(wǎng)連接條件圖。
具體實(shí)施例方式
圖1所示為連接在電網(wǎng)9上的低壓風(fēng)能設(shè)備1。該風(fēng)能設(shè)備通過連接線路2連接到電網(wǎng)9上，連接線路2具有中壓變壓器22和高壓變壓器23。應(yīng)當(dāng)注意作為變壓器的設(shè)備變壓器22和風(fēng)電場變壓器23僅是示例性地表示電感器。 按照本發(fā)明的一種實(shí)施例，以附圖標(biāo)記3表示的過壓保護(hù)器在中壓變壓器22和風(fēng)能設(shè)備1之間連接在連接線路2上。過壓保護(hù)器具有功率分配模塊30，從該模塊引出支線32，支線末端安裝有電抗器模塊31。實(shí)線及虛線箭頭所示為正常工況以及出現(xiàn)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)時(shí)的功率流。在正常工況下，電功尤其是有功功率以及(在過勵(lì)工況下感應(yīng)的)無功功率，從風(fēng)能設(shè)備1經(jīng)由連接線路2以及安裝于線路中的變壓器22、23流入電網(wǎng)9(實(shí)線箭頭)。當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)過電壓時(shí)，功率流至少相對(duì)(感應(yīng)的)無功功率會(huì)反向。于是電能將從電網(wǎng)9經(jīng)由變壓器23、22通過連接線路2流向風(fēng)能設(shè)備1 (欠勵(lì)工況)。但按照本發(fā)明，并非全部無功功率均流向風(fēng)能設(shè)備1，而是通過功率分配模塊30將一部分引入支線32，再從這里引向電抗器模塊31。這就意味著并非全部流過連接線路2的功率都會(huì)抵達(dá)風(fēng)能設(shè)備1，也就是流過連接線路2的無功功率可以多于風(fēng)能設(shè)備1所能承擔(dān)的無功功率。由于通過本發(fā)明的功率分配模塊30連同電抗器模塊31增大了無功功率流，因此可在變壓器22、23上產(chǎn)生較大的電壓降，從而即使當(dāng)電網(wǎng)9中的電壓很高時(shí)，也可通過變壓器22、23所產(chǎn)生的電壓降，使得風(fēng)能設(shè)備1上的電壓保持很小?？蓸?gòu)造成電壓容差高達(dá)額定電壓120%的風(fēng)能設(shè)備。在本實(shí)施例中還可以要求相對(duì)過電壓峰值的容差高達(dá)140%。圖8所示為過電壓峰值大小以及風(fēng)能設(shè)備1能夠耐受的持續(xù)時(shí)間。僅可在ioo毫秒時(shí)間內(nèi)耐受最大幅度為140%的過電壓峰值，然后僅可在2秒內(nèi)耐受容差達(dá)到額定電壓125%的過電壓峰值，隨后過電壓降低到風(fēng)能設(shè)備的規(guī)定電壓上限值的120%。僅在電壓處在額定電壓的120%到140%之間的區(qū)間期間，即總共僅在最多2秒的時(shí)間段內(nèi)，才需要短時(shí)激活本發(fā)明的帶有電抗器模塊的限制單元。在圖8中以陰影部分表示這種過電壓峰值，通過其面積確定將要承擔(dān)的能量以及電抗器模塊31的熱負(fù)荷。以下所述是電抗器模塊31的設(shè)計(jì)計(jì)算示例
如果風(fēng)能設(shè)備的額定功率為2000kW，則配置2500kVA的中壓變壓器22。如果額定電壓為690V且電網(wǎng)頻率為50Hz，則風(fēng)能設(shè)備1和中壓變壓器22之間的額定電流為
62092A。假定中壓變壓器22的短路電壓為^ = 6%。假定風(fēng)電場變壓器23的短路電壓為 Uk = 12%。當(dāng)電網(wǎng)9中的電壓為額定電壓的140%時(shí)，應(yīng)將風(fēng)能設(shè)備1的電壓升高限制為 額定電壓的120%，即當(dāng)額定電壓為690V時(shí)，則限值為828V?？偠灾?，應(yīng)將電壓降低大 約18%，即通過風(fēng)電場變壓器23降低大約12%，通過中壓變壓器22降低大約6%。為了 實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須適當(dāng)構(gòu)造本發(fā)明的過壓保護(hù)器，使得電壓為828V時(shí)產(chǎn)生的無功功率Q為
x 828F x 2092^4 = 3000^:1^ 。
將該功率流適當(dāng)分支，使得一部分功率流從功率分配模塊30流入支線32，通過中 壓變壓器22的短路電壓與短路電壓中的無功部分之比來確定這部分功率流。按照如圖所 示的實(shí)施例，假定短路電壓為4%，則3.87%為無功部分仏。因此視在功率需求總計(jì)約為 3100kVA，其由電抗器模塊31提供。在短時(shí)工況下，由于正常工況下實(shí)際上并不存在熱負(fù) 荷，因此可大幅度過載，確切地說，當(dāng)作為電抗器模塊31的電抗變壓器短路時(shí)，可高達(dá)短路 電壓的倒數(shù)。將以上算出的總無功功率乘以短路因數(shù)，得出持續(xù)視在功率為124kVA，最終得 出在額定電壓增大情況下的額定電流為86A。 從上述示例可見，使用構(gòu)造參數(shù)較小的電抗變壓器作為電抗器模塊31，就足以至 少在短時(shí)工況下通過功率分配模塊30將很高的無功功率引入支線32之中，從而可通過連 接線路2中呈變壓器22、23型式的電感器實(shí)現(xiàn)很大的電壓降。可以適當(dāng)選擇該電壓降的大 小，使得風(fēng)能設(shè)備1上的電壓具有比電網(wǎng)9中的電壓更為狹窄的容差范圍。
圖2所示為帶有開關(guān)和電抗器模塊31的功率分配模塊30的不同實(shí)施方式，均為 單相等效電路圖。最為簡單的方式是，僅將一個(gè)開關(guān)300與接地的電抗線圈33相互串聯(lián) (見圖2a)。但也可以將多個(gè)開關(guān)300、300' 、300〃與多個(gè)電抗線圈33、33' 、33〃相互并 聯(lián)。短路電抗器33、33' 、33〃的電感優(yōu)選相互不同，例如比例為4 : 2 : 1 ;但也可以選用 同樣大的電感。然后就可以采用選擇性地激活開關(guān)300、300' 、300〃的方式，將短路電抗器 33、33' 、33〃分級(jí)連接到輸電線路2上?？傆?jì)可以利用不同的開關(guān)位置實(shí)現(xiàn)七種組合?？?以根據(jù)需要以及電壓峰值大小，通過激活開關(guān)300、300' 、300〃來設(shè)定適當(dāng)?shù)臒o功電流量， 通過支線2將該無功電流分流，以便將風(fēng)能設(shè)備1上的電壓保持在規(guī)定極限范圍內(nèi)。應(yīng)當(dāng) 注意也可采用具有相同短路電抗器的結(jié)構(gòu)。圖2c所示為一種備選實(shí)施方式，這種情況下 并非將功率分配模塊的開關(guān)布置在短路電抗器31和輸電線路2之間，而是沿電流方向在其 后面。這里短路電抗器33以其一端直接連接在連接線路2上，以其另一端則連接在逆變器 30'上，該逆變器對(duì)于短路工況接通，可以根據(jù)控制情況用已知方式調(diào)整不同的有功與無 功功率。在正常工況下不激活逆變器30'，因此短路電抗器33不通電，也就是全部功率流 不分流地經(jīng)過連接線路2。當(dāng)出現(xiàn)過電壓時(shí)，就會(huì)激活逆變器30'，使得短路電抗器33通 電，從而將無功功率分流。 圖3所示為功率分配模塊30與短路電抗器30的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三相電路圖。圖 3a所示為沒有中性線接頭的星形連接，功率分配模塊10的開關(guān)301作為中間開關(guān)。所謂中 間開關(guān)指的是布置在連接線路2和短路電抗器33之間的開關(guān)。圖3b所示為另一種拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)，采用具有中性線接頭的星形連接。開關(guān)300是短路器，其可在需要時(shí)將單個(gè)相的短路電 抗器33的遠(yuǎn)離電網(wǎng)的端部相互短接。當(dāng)開關(guān)斷開后，盡管短路電抗器33連接在連接線路2 上，也不會(huì)或者幾乎不會(huì)因其電感而承受負(fù)荷，因?yàn)檫@些電抗器在另一端具有浮動(dòng)電位，并 且沒有接地。_圖3c所示為另一種可選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是圖3a所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變型方案，也就
7是沒有中性線接頭的三角形連接。開關(guān)300是中間開關(guān)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)盡管有布線成本高 的缺點(diǎn)，但也有開關(guān)中的相電流較低的優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)開關(guān)300的電氣要求較低。
圖4所示為電抗器模塊31的實(shí)施例，使用在次級(jí)側(cè)短路的變壓器34。這種變壓 器34也稱作"電抗變壓器"。這里所利用的是變壓器34的漏電感，即繞組在空氣中的漏磁 場所引起的漏電感。與金屬片或者磁芯中的漏磁場相比，空氣中的漏磁場的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)際 上不會(huì)飽和。因此這類電抗變壓器34在短路工況下不需要像基于磁芯的電抗器那樣增大 磁回路。這就使得電抗變壓器34至少能夠在短時(shí)工況下承受非常大的熱過載和磁過載，因 此能夠使得在額定電壓下短路電壓為Uk = 4%的電抗變壓器34承受二十五倍功率的過載。 圖4a所示的實(shí)施方式具有以中間開關(guān)形式布置在輸電線路2和電抗變壓器34之間的開關(guān) 300。這種布置形式有助于在正常工況下完全分開電抗變壓器34，從而不會(huì)引起任何損耗。 這樣也有利于確定電抗變壓器34的尺寸，即不需要考慮以額定電壓的持續(xù)工作，因?yàn)椴粫?huì) 出現(xiàn)無載損耗。圖4b所示為一種備選實(shí)施方式，其中將開關(guān)作為短路器301布置在變壓器 34'的次級(jí)側(cè)。這種布置形式的缺點(diǎn)與之前所述的一樣，即在正常工況下在變壓器34上存 在電壓，因此會(huì)出現(xiàn)(很少)無載損耗。但這種布置形式仍然具有可以針對(duì)所用的短路器 300'選擇最佳的次級(jí)電壓的優(yōu)點(diǎn)。此外還可以針對(duì)不同的應(yīng)用情況(例如電壓為690V頻 率為500Hz的系統(tǒng)，或者電壓為575V頻率為60Hz的系統(tǒng))對(duì)作為斷路器301使用的開關(guān) 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并且可通過電抗變壓器34'進(jìn)行必要的調(diào)整。 圖5所示為功率分配模塊30的開關(guān)300的各種不同的實(shí)施例，這里所涉及的是兩 個(gè)反并聯(lián)晶閘管所組成的晶閘管開關(guān)302，其中分別有一對(duì)反并聯(lián)晶閘管用于每一相。晶閘 管開關(guān)302的控制極相互連接，并且由單獨(dú)的控制器(圖中未繪出)控制。此外圖5中還 有與每一對(duì)晶閘管開關(guān)302并聯(lián)的并聯(lián)接觸器303。由一個(gè)共同的執(zhí)行器304在功能上激 活并聯(lián)接觸器303。當(dāng)出現(xiàn)較長的開關(guān)時(shí)間時(shí)，尤其當(dāng)開關(guān)時(shí)間為100ms或者更長時(shí)，(圖 中未繪出的)控制器就會(huì)通過(圖中未繪出的)信號(hào)線激活所述的執(zhí)行器。
圖6所示為晶閘管開關(guān)302的備選實(shí)施方式。圖6a所示為一種簡化電路，其中的 一對(duì)反并聯(lián)晶閘管開關(guān)302僅在交流電系統(tǒng)的三相的其中兩相之中。第三相中沒有開關(guān)。 因此可將所需開關(guān)的數(shù)量減少三分之一。圖6b所示為另一種簡化形式，這里所涉及的是一 種"超級(jí)簡化電路"，其中僅使用單一的晶閘管開關(guān)302，且分別以三角形連接以相同的方向 (圖6b所示為左旋方向，同樣也可以按照右旋方向布置)連接在相之間。采用這種超級(jí)簡 化電路可以進(jìn)一步減少所需開關(guān)部件的數(shù)量。 圖7所示為本發(fā)明的過壓保護(hù)器的一種電路示例，過壓保護(hù)器通過風(fēng)能設(shè)備1和 中壓變壓器22之間的輸電線路2連接到電網(wǎng)9上。過壓保護(hù)器包括功率分配模塊30和作 為電抗器模塊31的電抗變壓器34。功率分配模塊30具有開關(guān)單元，其中針對(duì)每一相安裝 有兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管。還可以將(圖中沒有繪出的)并聯(lián)接觸器與晶閘管開關(guān)并聯(lián)，所述 并聯(lián)接觸器可在較長時(shí)間內(nèi)(明顯大于100ms)承受電流。開關(guān)單元的一端連接到輸電線 路2，另一端連接到電抗變壓器37的初級(jí)側(cè)。該電抗變壓器采用YynO連接組別，可選擇將 中性線接頭連接在初級(jí)繞組上(虛線所示)。在開關(guān)單元與電抗變壓器34的初級(jí)側(cè)之間的 線路35中安裝有用于單個(gè)相的電流傳感器36。在電抗變壓器34的次級(jí)繞組上將各相相互 短接。此外還設(shè)有中性線接頭37。 連接線路2上的電壓傳感器25既可用來檢測風(fēng)能設(shè)備上的低壓，也可用來檢測中
8壓水平。其作為輸入信號(hào)傳輸給控制器4，電流傳感器36的測量信號(hào)也連接到該控制器?？刂破?根據(jù)測量值確定何時(shí)出現(xiàn)過壓情況，并且通過其輸出端輸出開關(guān)信號(hào)。通過信號(hào)線39將開關(guān)信號(hào)傳送到功率分配模塊的晶閘管開關(guān)的控制極。晶閘管根據(jù)控制信號(hào)導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間大致高達(dá)100ms。這么短的時(shí)間會(huì)使得電抗變壓器34明顯過載。圖中所示的電抗變壓器34采用Yyn0連接組別，額定功率為125kVA，就這種電抗變壓器而言，可以采用下述尺寸。為了將作用于風(fēng)能設(shè)備1上的過電壓從140%中壓水平降低到120%低壓水平，應(yīng)承擔(dān)大約3000kVA短時(shí)無功功率。如此大的變壓器對(duì)于過壓保護(hù)器而言過于昂貴。采用本發(fā)明可以安裝比較小的電抗變壓器34，其額定功率僅有大約125kVA。本發(fā)明基于這樣的認(rèn)識(shí)電抗變壓器34可以短時(shí)承受大幅過載，且過載幅度為短路電壓的倒數(shù)。如果短路電壓約為4%，則其倒數(shù)為25。這就意味著僅需功率為125KVA的電抗變壓器34，即可承擔(dān)3000kVA無功功率。這樣就可以使用很小且成本很低的電抗變壓器34。因此本發(fā)明的過壓保護(hù)器結(jié)構(gòu)緊湊且成本低廉，特別適合用來更新、改裝現(xiàn)有的風(fēng)能設(shè)備。 控制器可以選用一種多級(jí)邏輯電路41，這種多級(jí)邏輯電路可根據(jù)過電壓程度來激活多級(jí)開關(guān)(參見圖2b)。此外還安裝有重復(fù)模塊42，該重復(fù)模塊只允許快速順序執(zhí)行一定次數(shù)的激活動(dòng)作。這樣可避免因?yàn)槎啻味虝r(shí)間順序出現(xiàn)過電壓情況引起電抗器模塊31出現(xiàn)熱過載。此外還可選用過載模塊43，當(dāng)本發(fā)明的過壓保護(hù)器的容量用盡時(shí)，該模塊可將信號(hào)發(fā)送給上級(jí)控制機(jī)構(gòu)尤其是發(fā)送給風(fēng)電場主控制器(圖中沒有繪出)。因此存在無法充分防止風(fēng)能設(shè)備1過電壓的危險(xiǎn)。將信號(hào)發(fā)送給風(fēng)電場主控制器，相關(guān)風(fēng)能設(shè)備1就可以安全切斷。 此外還將溫度傳感器38連接到過載模塊43上。該傳感器可監(jiān)測電抗變壓器以及其它部件如功率分配模塊30的開關(guān)的溫度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)達(dá)到臨界溫度時(shí)，過載模塊43就會(huì)輸出相應(yīng)的信號(hào)，并且阻止繼續(xù)激活功率分配模塊30?？刂破?還包括其中存有電壓/時(shí)間特性的特征曲線模塊44。在該模塊中保存最大接通時(shí)間與電壓之間的關(guān)系(參見圖8)?？刂破?可利用該特征曲線模塊確定過電壓峰值是否在規(guī)定范圍之內(nèi)，如果超出范圍，可在必要時(shí)執(zhí)行安全切斷。
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權(quán)利要求
用于風(fēng)能設(shè)備(1)的過壓保護(hù)器，該過壓保護(hù)器連接在風(fēng)能設(shè)備(1)和電網(wǎng)(9)之間具有至少一個(gè)電感器(22)的連接線路(2)上，設(shè)有根據(jù)風(fēng)能設(shè)備(1)上的過電壓來操控限制單元的控制器(4)，其特征在于，所述限制單元包括支線(32)，該支線包括配有開關(guān)單元的功率分配模塊(30)和電抗器模塊(31)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，所述開關(guān)單元是中間開關(guān)(300)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，所述開關(guān)單元是短路開關(guān)(301)。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，所述開關(guān)單元包括半 導(dǎo)體開關(guān)(302)，尤其是GT0、IGBT。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，除了晶閘管開關(guān)(302)之外，還設(shè) 有可電氣開關(guān)的并聯(lián)接觸器(303)或者可電動(dòng)操縱的斷路器。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，所述開關(guān)單元具有簡 化電路，其中少于相數(shù)量地設(shè)有至少一個(gè)開關(guān)(300,301)。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，所述開關(guān)(300,301) 僅單向布置在相之間。
8. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，使用電抗變壓器(34) 作為電抗器模塊(31)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，電抗變壓器(34)的短路電壓為 3 7%，優(yōu)選為4 6%。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，選用比常規(guī)小的電抗變壓器 (34)，使該電抗變壓器無法持續(xù)承受額定電壓。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，選用適當(dāng)?shù)碾娍棺儔浩?(34，34')，使該電抗變壓器的額定功率乘以短路電壓的倒數(shù)應(yīng)大致相當(dāng)于短時(shí)承擔(dān)的無 功功率。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，將電抗器模塊(31) 構(gòu)造成多級(jí)型式。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，將電抗器模塊(31)構(gòu)造成具有 多個(gè)抽頭的電抗器(33)或者變壓器(34)。
14. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，設(shè)有重復(fù)模塊(42)， 該重復(fù)模塊(42)允許快速順序地執(zhí)行一定次數(shù)的激活。
15. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，設(shè)有過載模塊(43)， 當(dāng)過壓保護(hù)器的熱負(fù)荷和/或電氣容量用盡時(shí)，所述過載模塊就會(huì)向上級(jí)控制機(jī)構(gòu)、尤其 是風(fēng)電場主控制器發(fā)出信號(hào)。
16. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的過壓保護(hù)器，其特征在于，設(shè)有特征曲線模塊 (44)，在該特征曲線模塊(44)中設(shè)有電壓/時(shí)間特性，用于防止偏離規(guī)定的工作范圍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)能設(shè)備(1)的過壓保護(hù)器，該過壓保護(hù)器連接在風(fēng)能設(shè)備(1)和電網(wǎng)(9)之間具有至少一個(gè)電感器(22)的連接線路(2)上，設(shè)有根據(jù)風(fēng)能設(shè)備(1)上的過電壓來操控限制單元的控制器(4)，所述限制單元包括支線(32)，該支線包括配有開關(guān)單元的功率分配模塊(30)和電抗器模塊(31)。如此形成第二功率支路，該功率支路可在必要時(shí)承擔(dān)大量無功電流，使得電感器(22)上的電壓降增大，從而降低作用于風(fēng)能設(shè)備(1)的電壓。
文檔編號(hào)H02H7/06GK101719664SQ20091024685
公開日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月30日
發(fā)明者H·-H·萊塔斯 申請(qǐng)人:再生動(dòng)力系統(tǒng)股份公司