一种风电机组变流器的过压保护装置及变流器

摘要

本发明公开了一种风电机组变流器的过压保护装置，包括用于与变流器母线连接的过压检测单元，还包括电源生成单元及故障传送单元；所述电源生成单元包括隔离电源，用于将变流器电源系统的24V电源进行隔离转换并为过压检测单元及故障传送单元提供电源；所述故障传送单元包括与过压检测单元的故障输出端连接的mos管驱动的继电器，所述mos管驱动的继电器用于与变流器的控制器连接。本发明还公开了含有上述过压保护装置的风电机组变流器。本发明通过设置隔离电源及mos管驱动的继电器，可以有效的防止变流器高压能量传导到低压侧，保障了低压侧电气部分的安全。

说明书

技术领域

本发明涉及变流器领域，具体地，涉及一种风电机组变流器的过压保 护装置及变流器。

背景技术

风力发电是国家倡导的绿色能源之一，风力发电机组是将自然界的风 能转化成电能的装置，自然界的风能推动风力发电机组的桨叶实现风能的 吸收，桨叶带动发电机实现风能转化成电能；因国家电网对并网的电能有 频率、相位的规定，而发电机不能将电能达到直接并网的要求，所以发电 机与电网之间必须增加相应的电气设备，即变流器实现了将发电机的能量 转化成电网要求的频率、相位等并可进行有功、无功等控制；风机在运行 时变流器能够很好的控制变流器母线电压范围，当变流器在故障状态时可 能导致变流器母线电压升高，当母线电压超过变流器的极限电压时可能导 致变流器发生损坏，从而造成经济损失。

现有变流器的过压保护装置的电路如图1所示，将变流器的正母线、 负母线、GND连接到过压保护板的+600V、GND、-600V接口处，X6-1连接到 系统的24V电源端，X6-2连接到变流控制器过压故障监控端，并将当正母 线电压升高到700V时，与母线电压串联的D8到D14稳压二极管导通，光耦 OK1的发光二极管导通，光耦的接收端接收到此信号后将在5脚给出高电平 信号提供到变流控制器，完成正母线电压的监控，图1中的R2为限流电阻， 防止光耦发光管过流损坏；同理可以得到负母线过压保护动作流程。

当母线电压达到±690V-±700V之间时，与母线相连接的反串联稳压 二极管导通，通过光耦发出故障信号到变流控制器，电阻(R1、R2)起到限 流与微调导通电压的作用。当母线电压达到±690V-±700V之间时继续上 升，二极管反向击穿，每个二极管分担的电压约为100V，母线电压只有700V 分担给稳压二极管，多余的电压将由电阻(R1、R2)承担。当电压继续升高 时，电阻(R1、R2)因过流烧毁。当电压继续升高时，稳压二极管将雪崩击 穿，由稳压二极管分担的100V电压将会被其它二极管分担，从而致使其它 二极管连续雪崩击穿。由于二极管雪崩击穿后，瞬间产生的电流很大，致 使光耦炸裂并将高压信号传递到变流控制器，将控制器击穿损坏，同时， 高压信号也会传递到系统的24V电源端，损坏电源。即现有技术中的光耦 会出现隔离失败的现象，并不能有效地防止变流器的高压能量传递到低压 电气部分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风电机组变流器的过压保护装置，使其能 有效防止变流器高压能量传导到低压侧而造成的低压电气部分损坏。

本发明的另一个目的在于提供一种含有上述过压保护装置的风电机 组变流器，可有效保证变流器的安全。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风电机组变流器的过压保护装置，包括用于与变流器母线连接的过 压检测单元，还包括电源生成单元及故障传送单元；所述电源生成单元包括 隔离电源U16，用于将变流器电源系统的24V电源进行隔离转换并为过压检测 单元及故障传送单元提供电源;所述故障传送单元包括与过压检测单元的故 障输出端连接的mos管Q7驱动的继电器K4，所述mos管Q7驱动的继电器K4用于 与变流器的控制器连接。

进一步地，所述电源生成单元还包括整流二极管D55、磁珠L6、滤波 电容C54、C53、TVS管D56、熔断器F5、滤波电感L5及压敏电阻RV2，其 中：所述整流二极管D55、熔断器F5及滤波电感L5依次串联在变流器电 源系统的24V电源正极至隔离电源U16正极输入端之间，所述磁珠L6连 接在接地点至隔离电源U16负极输入端之间，所述滤波电容C54、C53、TVS 管D56、压敏电阻RV2并联在隔离电源U16的正负极输入端之间，所述滤 波电感L5、熔断器F5连接在压敏电阻RV2及TVS管D56之间；还包括并 联在隔离电源U16的COMMON端与12V电源正极输出端之间的电容C49、 C50、C51、C52，隔离电源U16的COMMON端接地。

进一步地，所述隔离电源U16的隔离电压大于1000V。

进一步地，所述过压检测单元包括与变流器的正母线依次串联的电阻 R59、稳压二极管D58、D59、D60、D61、D62、D63、D64、熔断器F6、电阻R60、 光耦U17；还包括TVS管D65及滤波电容C56,TVS管D65一端连接在熔断器F6与电 阻R60之间，另一端接地，滤波电容C56并联在光耦U17的输入端，且滤波电容 C56一端接地，光耦U17的故障输出端连接有开关二极管D66，再与所述的故障 传送单元连接，光耦U17与隔离电源U16连接；还包括与变流器的负母线依次 串联的电阻R62、稳压二极管D69、D70、D71、D72、D73、D74、D75、熔断器 F7、电阻R63、光耦U18，还包括TVS管D67及滤波电容C57,TVS管D67一端连接 在熔断器F7与电阻R63之间，另一端接地；滤波电容C57并联在光耦U18的输入 端，且滤波电容C57一端接地，光耦U18的故障输出端连接有开关二极管D68， 再与所述的故障传送单元连接，光耦U18与隔离电源U16连接。

进一步地，所述故障传送单元还包括电阻R58、三极管Q8、电阻R56、电 阻R55,其中：电阻R58一端与过压检测单元的故障输出端连接，另一端连接三 极管Q8的基极，在三极管Q8的基极与发射极之间还并联有电容C55和电阻R61; 三极管Q8的集电极依次与电阻R56、电阻R55及mos管Q7的源极相连，mos管Q7 的源极还与电源生成单元连接；mos管Q7的栅极与电阻R56、电阻R55的中间连 线连接；mos管Q7的漏极连接继电器K4的4脚，继电器K4的1脚连接变流器电源 系统的24V正极端，继电器K4的2脚为故障输出端，用于与变流器的控制器连 接；继电器K4的2脚还连接有稳压二极管D54,稳压二极管D54及继电器K4的5 脚连接至三极管Q8的发射极，发射极接地。

进一步地，所述三极管Q8型号为9014。

一种风电机组变流器，包括上述的过压保护装置，所述过压保护装置的 过压检测单元与变流器的母线连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明中电源生成单元采用隔离电源设计，有效地防止了变流器在出 现过压故障时通过电源部分传导到低压侧；故障传送单元将过压检测单元 检测的过压故障通过mos管驱动的继电器将过压信号传递给变流器的控制 器，通过采用磁隔离技术，即通过继电器的控制线圈产生磁场吸引开关进 行信号传导，有效地防止了变流器高压能量传导到低压侧，保障了低压侧 电气部分的安全。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有技术中的一种风电机组变流器的过压保护装置电路图；

图2为本发明的风电机组过压保护装置中的电源生成单元电路图；

图3为本发明的风电机组过压保护装置中的过压检测单元电路图；

图4为本发明的风电机组过压保护装置中的故障传送单元电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描 述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

变流器是风力发电机与电网的能量转换设备，变流器正常工作时母线电 压高于1000V，所以母线电压监控设备（即过压保护装置）必须采用高压隔离 技术。

本发明提供了一种风电机组变流器的过压保护装置，包括电源生成单元、 过压检测单元、故障传送单元，电源生成单元采用隔离电源设计，防止变流 器在出现过压故障时通过电源部分传导到低压侧，用于将变流器电源系统的 24V电源进行隔离转换并为过压检测单元及故障传送单元提供电源；过压检测 单元与原设计类似，即采用串联稳压二极管与光耦将过压故障给定到故障传 送单元；故障传送单元将过压检测单元检测的过压故障通过mos管的驱动继电 器将过压信号传递给变流器的控制器，实现了过压故障信号的高压隔离。

其中，电源生成单元如图2所示，包括隔离电源U16、整流二极管D55、磁 珠L6、滤波电容C54、C53、TVS管D56、熔断器F5、滤波电感L5及压敏电阻RV2， 其中：整流二极管D55、熔断器F5及滤波电感L5依次串联在变流器电源系统的 24V电源正极至隔离电源U16正极输入端之间，磁珠L6连接在接地点至隔离电 源U16负极输入端之间，滤波电容C54、C53、TVS管D56、压敏电阻RV2并联在 隔离电源U16的正负极输入端之间，滤波电感L5、熔断器F5连接在压敏电阻RV2 及TVS管D56之间；还包括并联在隔离电源U16的COMMON端与12V电源正极输出 端之间的电容C49、C50、C51及C52，隔离电源U16的COMMON端接地。

变流器电源系统的24V电源通过整流二极管D55提供到隔离电源U16， 其中整流二极管D55主要的作用是防插错与隔离，滤波电容C53、C54为 电源滤波作用，TVS管D56防止24V电源出现的浪涌电压，压敏电阻RV2 起到系统二级保护的作用，通过隔离电源U16产生系统需求的12V电源， 隔离电源U16必须使用隔离电压大于1000V的隔离电源模块，此处电源电 路为过压保护装置的电源设计核心，它将变流器电源系统的24V电源经过 隔离电源U16隔离后提供给过压保护装置+12V电压，供过压保护装置内部 使用。

本实施例中，整流二极管D55采用1N4007；TVS管D56采用 SMBJ30CA/30V；熔断器F5采用SMD1812P075TF/33；滤波电感L5为330uH； 压敏电阻RV2采用390KD14。

过压检测单元如图3所示，包括与变流器的正母线依次串联的电阻R59、 稳压二极管D58、D59、D60、D61、D62、D63、D64、熔断器F6、电阻R60、光 耦U17；还包括TVS管D65及滤波电容C56,TVS管D65一端连接在熔断器F6与电 阻R60之间，另一端接地，滤波电容C56并联在光耦U17的输入端，且滤波电容 C56一端接地，光耦U17的故障输出端连接有开关二极管D66，再与故障传送单 元连接，光耦U17与隔离电源U16连接；还包括与变流器的负母线依次串联的 电阻R62、稳压二极管D69、D70、D71、D72、D73、D74、D75、熔断器F7、电 阻R63、光耦U18，还包括TVS管D67及滤波电容C57,TVS管D67一端连接在熔断 器F7与电阻R63之间，另一端接地；滤波电容C57并联在光耦U18的输入端，且 滤波电容C57一端接地，光耦U18的故障输出端连接有开关二极管D68，再与故 障传送单元连接，光耦U18与隔离电源U16连接。

过压检测单元通过接线端子P5的11管脚连接到变流器的正母线，P5的7 脚连接到变流器地线，P5的3脚连接到变流器负母线，即将变流器的正负母线 连接到过压保护装置。检测原理是通过稳压二极管的方向导通驱动光耦U17、 U18实现过压信号生成，其中电阻R59、R62主要起到限流的作用，TVS管D65、 D67主要防止光耦受到浪涌的干扰，起到保护的作用，当此过压检测回路的导 通电流大于熔断器F6、F7额定熔断值时，熔断器F6、F7迅速熔断，防止光耦 U17、U18击穿。

本实施例中，电阻R59、R62采用3K，稳压二极管D58-D64及D69-75采用 ZPY100；熔断器F6、F7采用SMD1812P150TF/24；电阻R60、R63采用1.5K，光 耦U17、U18采用TLP521；TVS管D65、D67采用5.0SMDJ22CA；开关二极管D66、 D68采用1N4148。

故障传送单元如图4所示，包括mos管Q7、继电器K4、电阻R58、三极管Q8、 电阻R56、电阻R55,其中：电阻R58一端与过压检测单元的故障输出端连接， 另一端连接三极管Q8的基极，在三极管Q8的基极与发射极之间还并联有电容 C55和电阻R61;三极管Q8的集电极依次与电阻R56、电阻R55及mos管Q7的源极 相连，mos管Q7的源极还与电源生成单元连接；mos管Q7的栅极与电阻R56、电 阻R55的中间连线连接；mos管Q7的漏极连接继电器K4的4脚，继电器K4的1脚 连接变流器电源系统的24V正极端，继电器K4的2脚为故障输出端，用于与变 流器的控制器连接；继电器K4的2脚还连接有稳压二极管D54,稳压二极管D54 及继电器K4的5脚连接至三极管Q8的发射极，发射极接地。

通过过压检测单元给定的过压信号（图3中的ERROR_OUTPUT信号）驱动三 极管Q8后，三极管Q8导通驱动mos管Q7，mos管Q7驱动继电器K4，将继电器K4 的ERROR信号传送给“变流器的控制器”，完成故障信号的传递。本实施例中， 三极管Q8型号为9014，mos管Q7采用IRF5305，因9014的驱动能力有限，所以 此设计中采用mos管Q7驱动继电器K4，保证了系统设计的可靠性，同时通过继 电器K4的隔离作用，完成了高压侧与低压侧的隔离，保证了系统的安全，解 决了原系统高低压隔离的问题。

将上述过压保护装置的过压检测单元与风电机组的变流器母线进行 连接，可形成具有有效过压保护功能的变流器，当变流器在母线电压高于 一定阀值后，过压保护装置报出母线电压高故障，变流器得到此信号后做 出相应保护动作，可有效保证变流器的安全。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于 限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领 域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修 改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。