變速恒頻風電系統應對電網故障的保護電路的研究

崔志霞

摘 要：電網運行中產生故障是必然的。要避免故障發生，就要發揮保護電路的作用。按照新的電網運行規則，要保護到電網，使其持續性地處于良性運行狀態，就需要風力發電系統在低電壓狀態下具備一定的故障穿越能力。變速恒頻風電系統在電網故障狀態下，不僅能夠對電路發揮保護作用，而且還可以使得故障穿越能力有所提高。文章針對變速恒頻風電系統應對電網故障的保護電路進行研究。

關鍵詞：電網；運行故障；變速恒頻風電系統；保護電路

引言

變速恒頻風電系統中，較為常用的是雙饋感應發電機，這種設備在運行中，發揮雙饋型風電系統的作用，可以對電網實施有效的保護。但是，在具體的使用中，由于變流器的容量非常小，而且對齒輪箱也具有很高的要求。通過應用實踐可以明確，當電網處于運行狀態，系統中的齒輪箱是極易出現故障的。隨著故障的產生，就會產生大量的噪音。如果采取技術維護措施，操作是具有較高的難度的。如果采用全功率變流器，就可提高電網運行效率，電機的設計結構非常簡單，無需安裝齒輪箱，而且機械設備的損耗度是非常小的。全功率變流器不僅運行效率高，而且維護也非常方便。

1 對DFIG-VSCF風電變流器設計電網保護電路

1.1 定子側保護電路

定子側保護電路在設計上是將交流開關加到定子側。從設計構成上來看，這種保護電路的設計類似于并網軟啟動器。當電路處于運行狀態的時候，所有的交流開關都會啟動，并處于導通的狀態[1]。此時如果存在電壓跌落的現象，就會引發大電流的沖擊。為了使電網運行故障的時候，能夠對電流有效控制，可以在選擇大功率絕緣柵雙極功率晶體管件的時候，以高等級電流的功率器件為主，作為轉子側變流器，就會在定子側有大量的暫態電流產生的時候，能夠通過對晶閘管的觸發角進行控制的方法限制電流。同時，系統的運行效率也會由于交流開關的通態壓降的存在而降低。當電網處于正常運行的時候，要將通態損耗降低，就需要運行導通旁路繼電器，將交流開關關閉，就可以獲得良好的效果。

1.2 轉子側保護電路

轉子側保護電路是在轉子側安裝雙饋型系統。這種方法是較為常用的，可以獲得良好的效果。轉子側保護電路在設計上可以根據需要設計為不同種形式。

第一種設計形式：轉子側保護電路采用兩相交流開關，將晶閘管采用反向的方法進行并聯。如果電網在運行過程中產生故障的時候，要使得變流器得到保護，交流開關所構成的短路轉子繞組就可以發揮作用[2]。這種設計結構的電路在運行中，由于轉子電流中直流分量是非常大的，就會由于晶閘管過零關斷不會發生作用，必然會產生保護電路的誤動作或者拒動的現象，晶閘管要適應這種電路環境也是非常困難的。

第二種設計形式：轉子側保護電路的主要構件為晶閘管和二極管整流橋。當直流側電壓值為最大的時候，要使得轉子繞組實現短路，就可以采用觸發晶閘管發揮電流導通的作用，對于轉子繞組連接轉子側變流器要在此時斷開。保護電路要連接在轉子繞組上，持續連接的作用是保持主回路開關動作，指導定子側與電網之間的連接完全斷開。采用這種電網控制的方法不僅結構簡單，而且晶閘管的運行中開啟和短路都不能自動運行。如果電網的運行故障已經消除了，系統很難自行恢復，就需要重新進行并網連接。

1.3 直流側保護電路

直流側保護電路在設計上就是在電路上增加卸荷負載。當電網運行中處于跌落狀態的時候，轉子側就會產生過電流，由此必然會限制電網側變流器所輸出的功率。這些電路大量地積累在直流側，就會導致此處的電壓明顯提升，對直流側所連接的功率器件就會造成影響，甚至包括功率器件和電容器在內，都會因此而損壞。此時，就需要將卸荷負載投入其中[3]。直流側所產生的多余的電流就可以被消耗，可以確保電壓處于穩定的狀態。通常卸荷負載要獲得良好的效果，就需要將功率器件串聯在電阻上。在保護電路的構成上，是構建降壓式變換電路，將卸荷電阻連接在上面，如果電路中產生過電流，就會被及時消耗。

2對VSCF風電變流器設計電網保護電路

2.1 直流側保護電路

在電網的保護電流中，通過在直流側連接卸荷負載，可以起到電路保護的作用。具體的連接方式就是使用功率器件將卸荷電阻連接在直流側上。當系統處于正常運行狀態的時候，電網的保護電路并不會發揮作用[4]。如果電網運行中有電壓跌落產生，在直流側的輸入功率就會比輸出功率大很多，將卸荷電阻連接在上面，可以將直流側產生的過電流消耗，使電網的電壓處于穩定狀態，電容能夠保持穩定。在卸荷負載的應用過程中，消耗多余的電路，同時會有大量的熱量產生，就需要安裝散熱設備，以使這些熱量能夠快速散發，使得卸荷負載運行中具有較高的可靠性。

對于這種連接方式，為了提高儲能的功能，還需要安裝儲能裝置，通常超級電容器以及蓄電池都是效果良好的儲能設備。當電網運行中產生電壓跌落的現象的時候，有過電流產生，就可以運行儲能設備。當直流側電壓存在能量不足的現象的時候就可以輸出能量，對電容器可以達到良好的充電效果。電網運行中，儲能設備還可以將有功功率提供給電網，使得能量的利用效率有所提高。當然，安裝儲能裝置需要額外設備安裝，使得電路的設計結構復雜化，系統的運行成本也會提升。

2.2 輔助變流器保護電路

當電網運行中產生電壓跌落的時候，變換器所發揮的作用就是直流側的電壓有所增加，過電流也明顯提升。為了解決這個問題，就需要將輔助變換器安裝在電網與直流側之間，可以對電網起到一定的保護效果。

在具體的電路設計中，就是將輔助變換器根據需要采用并聯的方法或者是串聯的方法。如果對輔助變換器采用并聯的方法，當電網正常運行的時候，輔助變換器不參與運行。當電壓跌落現象產生的時候，一些功率器件對過電流就會逐漸失去承受能力，此時輔助變換器就會發揮作用，以其較強的電流流通能力就可以解決問題。當電網的電壓逐漸降低的時候，變換器所輸出的電流就會增加，可以保證所輸出的功率與電網正常運行狀態的時候保持一致，由此使得直流側的功率保持均衡狀態，電網電壓也會恢復正常。

3 結束語

綜上所述，風電機組裝機容量不斷地擴容，電網就必然會受到風電系統的影響。按照有關規定，如果電網在運行的過程中產生故障，就需要風電系統切實地發揮作用，不僅要能夠保持并網的狀態，還需要有能力提供無功支持，以滿足系統的需要，使得電網運行中其電壓始終保持穩定的狀態。對于變速恒頻風電系統，當電網運行中產生故障的時候，就需要對保護電路合理利用，在保持并網的同時，還能對電網有效控制。

參考文獻

[1]馬浩淼，高勇，楊媛，等.變速恒頻風力發電系統低電壓穿越策略研究[J].電源技術，2014（08）：1213-1214.

[2]楊勇.如何提高配電網故障搶修的工作[J].電源技術應用，2013（10）：13-14.

[3]彭凌，李永東.電壓跌落下雙饋風力發電機矢量控制的改進[J].電氣傳動，2014，40（11）：9-12.

[4]徐殿國，王偉，陳寧.基于撬棒保護的雙饋電機風電場低電壓穿越動態特性分析[J].中國電機工程學報，2015，30（22）：29-36.