[发明专利]一种开关装置及其发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术，尤其涉及一种包含触点开关的开关装置。

背景技术

当前，能源危机日益严重，导致新能源(如风能、太阳能等)技术发展日益受到研发人员的关注和重视。与此同时，在发电系统中，电机输出交流电的幅值和频率与交流电网是不一致的，此时，通常需要借助于变流器，将电机输出的交流电转化为一直流电，然后将该直流电逆变为与交流电网的频率和相位相一致的交流电，从而实现并网发电。例如，在将交流电转化为直流电以及将直流电再逆变为交流电的过程中，对电力电子器件(如功率开关管)进行PWM控制，藉由这些功率开关管的开通或关断来完成交流-直流变换和直流-交流变换。

以风力发电系统为例，传统的风电变流器与风机之间的连接往往采用直联方式或在二者中间串接可控制的触点开关。当系统出现故障时，采用直联方式的风电变流器只能依靠外加负载的方式，将风机的转速限定在一定范围内。例如，当风机转速较高的时候，输入变流器的端口电压也较高，为保护变流器内部的功率器件在高压情况下不被损坏，通常于风机和变流器的输入接口处增加一组卸荷箱(Dump load)或者在整流桥的后级母线上增加一组卸荷箱(Dump load)，以便将该端口电压降低至功率器件所能允许的正常工作范围内。然而，由于风机始终和变流器直接相连，且卸荷箱的功率有限，因而其电压限制能力也很有限。并且，卸荷箱的投切响应速度较慢，一旦系统出现紧急故障，其可靠性仍然无法保证。

此外，触点开关包括一控制端和一主触点，控制端可为一线圈，当给控制端提供一有效信号时(例如线圈上电)，主触点开始动作从而触点开关处于闭合状态；当给控制端提供一无效信号时(例如线圈掉电)，主触点开始动作从而触点开关处于关断状态。当采用串接可控触点开关的方式时，必须配有专门的灭弧装置，才能在故障发生时可靠地断开变流器和风机间的电连接。然而，这种触点开关多数应用于大功率等级的风力发电系统，并且带灭弧功能的触点开关成本较高。另一方面，若直接使用可控的触点开关作为输入开关(不含灭弧装置)，因发电机绕组自身的等效电感较大，例如20kW的发电机等效电感一般为18mH～40mH左右，在开关断开的时刻，其等效电感所存储的能量将无法及时释放，导致所产生的电弧电压加载于触点开关的两端，使触点开关无法正常工作或影响其使用寿命。

有鉴于此，如何设计一种开关装置，以便在系统出现故障时能够快速地切断风机和变流器之间的电连接，并且可对触点开关进行保护，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。

发明内容

针对现有技术中的发电系统出现故障时，开关装置切断电机与变流器之间的电连接所存在的上述缺陷，本发明提供了一种开关装置以及包含该开关装置的发电系统。

依据本发明的一个方面，提供了一种发电系统，包括一电机和一变流器，该发电系统还包括：

一故障检测单元，用于侦测所述发电系统的故障，并且在所述发电系统出现故障时，产生一故障信号；

一控制单元，电性连接于所述故障检测单元，用于接收所述故障信号，并输出一切断指令；以及

一开关装置，电连接于所述电机、所述变流器和所述控制单元，用以根据所述切断指令来切断所述电机与所述变流器之间的电连接，

其中，所述开关装置包括一触点开关和一双向可控开关结构，所述双向可控开关结构并联于所述触点开关的主触点两端，当所述开关装置执行切断功能时，所述双向可控开关结构为所述触点开关提供换流通路，以便对所述触点开关进行保护。

在一实施例中，该发电系统为一风力发电系统。进一步，该风力发电系统的功率等级介于10kW至100kW之间。

在一实施例中，切断指令包括一第一控制信号和一第二控制信号，其中，所述第一控制信号用于移除所述触点开关的驱动信号，所述第二控制信号用于移除所述双向可控开关结构的一个或多个驱动信号，并且所述第一控制信号先于所述第二控制信号到达所述开关装置。此外，第二控制信号到达所述开关装置的时间为自所述触点开关完全关断的时刻到下一次输入电压过零点之前的区间内的任一时刻。此外，第一控制信号和第二控制信号到达所述开关装置的时间间隔不小于所述触点开关完全关断所需的动作时间。