雙饋風力發電系統低電壓穿越直流側卸荷電路保護方案仿真

文/辛博然

●項目基金：云南省教育廳科學研究基金項目《雙饋風力發電系統低電壓穿越提升技術研究》；項目編號：2018JS538。

1 雙饋風力發電系統低電壓穿越技術

1.1 雙饋風力發電機組概述

雙饋風力發電機組由風力機、變速齒輪箱、發電機、雙向變流器、變壓器等部分組成。如圖1所示。風力機的作用就是將風的動能轉換為機械能；變速齒輪箱與低、高速軸以及聯軸器等傳動機構連接，將風力機的轉速提升，以配合發電機運行所需，并將機械能傳遞給雙饋發電機；雙饋發電機能夠把風力機輸出的機械能轉化為電能；轉子側變流器把發電機發出的交流電壓轉換為直流電；網側變流器把直流電再轉換為與電網頻率相同的三相交流電，并對電網功率因數進行補償；變槳距機構通過調節槳距角使葉片始終保持在最佳攻角，在不同風速下捕獲最大功率，變壓器把發電機輸出的電壓升高為并網所需電壓。

1.2 低電壓穿越技術

低電壓穿越能力，是指風力發電機發電系統的端電壓降低到一定值的情況下不脫離電網而繼續維持運行，甚至還可為系統提供一定無功以幫助系統恢復電壓的能力。具有低電壓穿越能力的風力發電機可躲過保護動作時間，故障解除后恢復正常運行。這可大大減少發電系統在故障時反復并網次數，減少對電網的沖擊。

2 低電壓穿越保護方案研究與仿真

2.1 低電壓穿越保護方案介紹

圖1：雙饋風力發電機組基本結構圖

圖2：雙饋風力發電機直流卸荷保護電路

2.1.1 定子側保護電路方案

在定子側增加晶閘管作為開關元件，起到控制保護作用。系統正常運行時，晶閘管導通，轉子側電路選用大功率絕緣柵雙極型晶體管作為開關元件，以防止電壓跌落造成的大電流沖擊損壞變流器；當電壓跌落時，定子電流值會突增，這時，利用控制晶閘管的工作特性對導通角進行控制，可以有效限制定子電流。雙饋風力發電系統的控制電路通常把雙向變流器與定子側控制回路并聯，使得變流器能夠向電網注入電流或者從電網吸收電流。限制變流器電壓就可以減小電壓跌落所造成的磁鏈振蕩，防止轉子側電流激增，進而減輕電壓跌落故障對系統的沖擊，提升系統的穩定性。

圖3：有直流側保護時電壓跌落40%——1s的仿真曲線

圖4：有直流側保護時電壓跌落80%——0.5s的仿真曲線

2.1.2 直流側卸荷電路保護方案

直流卸荷電路的作用是消耗能量，保護直流側電容和功率器件。發生電壓跌落故障時，轉子電流突然增大，導致電網側變流器輸出功率受到限制，而風力機傳遞到發電機的能量并未減小，此時能量無法輸出，便積蓄在直流側，造成直流側電壓升高，對直流側電容和功率器件安全使用造成威脅。為了防止器件損壞，通常的做法是在直流安裝卸荷負載保護電路，為減少直流卸荷電路的能量損耗，可以采用能量存儲設備(ESS)，既能發送有功功率，又能在必要條件下吸收有功功率。發生故障時，把多余的能量存儲于ESS中。直流側保護電路的引入，由于需要轉子側變流器的容量使得設計難度和成本都增加了，但良好的保護性能也是顯而易見的。這種方法是雙饋風力發電系統經常采用的保護措施之一。如圖2所示。

2.1.3 轉子側Crowbar保護電路方案

電壓跌落故障除了引起定子電流的增大和直流側電壓之外，還會對雙饋風力發電系統中多個電氣量造成影響。定子電流的激增導致定子磁場增大，對轉子側變流器同樣會造成較大沖擊。為了保護轉子變流器不因瞬間過流而損壞，目前常用的方法是在雙饋風力發電機轉子側增加crowbar保護電路，能夠限制故障時候轉子側的過電流和直流側的過電壓。

2.2 低電壓穿越直流側卸荷電路保護方案仿真

本文主要選擇直流側保護方案為研究對象，在PSCAD平臺分別對電壓跌落40%持續1s和電壓跌落80%持續0.5s兩種情況進行仿真采樣，得到兩組數據，與未采用保護方案的情況進行對比分析，以便獲知直流側卸荷電路保護方案對低電壓穿越的保護效果。

2.2.1 直流側保護電路仿真-電壓跌落40%持續1s

建立直流側保護電路，在仿真平臺中設置短路故障開啟時間，讓電力系統電壓系統運行至2s時接入短路故障，使電壓跌落額定電壓幅值的40%，運行至3s時故障恢復，整個運行過程中直流側保護電路持續工作。仿真時間持續16s，截取包含故障時間在內的1s至4s的圖形作為分析對象。如圖3所示。

通過對比，可以獲知，在采用直流側保護時，在2s故障產生瞬間，定子電流產生波動幅度較無保護時降低，峰值達到1.5pu。轉子側電流被限制在0.3pu，比無保護狀態大幅下降，過電流倍數降低。后續仍出現震蕩，在故障消除后，經過0.3s恢復到正常值。在故障清除時，由于電壓的突變，轉子電流再次出現尖峰，之后很快衰減恢復。電磁轉矩在故障到來時所產生的的震動與無保護電路情況相比較，調整幅度明顯減小，在故障清除時由于尖峰電流帶來的沖擊，轉矩再次產生振蕩，經過1s的調整恢復正常值。

在輸出功率方面，由于直流卸荷電路的存在，吸收了過于的能量，使得2s時刻有功和無功功率的尖峰都被削去，保證功率相對平穩輸出，減少對電網的沖擊。網側的功率表現也較為平穩，有功功率瞬間下跌的情況得到改善，響應特性明顯優于無保護時的情況。

2.2.2 直流側保護電路仿真-電壓跌落80%持續0.5s

在仿真平臺中設置短路故障開啟時間，讓電力系統電壓系統運行至2s時接入短路故障，使電壓跌落額定電壓幅值的80%，運行至2.5s時故障恢復，整個運行過程中直流側保護電路持續工作。仿真時間持續16s，截取包含故障時間在內的1s至4s的圖形作為分析對象。如圖4所示。

將仿真平臺中有直流側保護時電壓跌落80%持續0.5s的故障仿真曲線圖與未采用保護措施的故障仿真曲線圖進行對比。未接直流保護電路時，在電壓跌落瞬間，定子電流值到達3.8pu,轉子電流值超過1.1pu,是正常值的近6倍。接入直流保護電路后，定子電流降低為3pu，轉子電流則降低為0.8pu。對比保護前后電磁轉矩的曲線發現，在2.5s時刻所產生的尖峰值由-5.5pu降低到了-2.0pu，但振蕩并沒有太明顯的改善。直流側電壓有明顯減小趨勢。不加保護的情況，2s時最大值達到1.1pu，3s清除故障時來到了1.5pu，但加入保護后，這兩個值都在0.85pu左右，比之前有較大變化。說明直流側保護電路對直流側過電壓有明顯抑制作用。在加直流保護之后有功功率在故障期間降低了0.5pu，和不加保護時一致，而在故障清除后，有保護時有功功率上升了1pu，不加保護時則上升為1.5pu，后續調整恢復時間基本一致。網側有功功率在故障清除時有較大差異，吸收了1pu的有功功率和1pu的無功功率，而加了保護之后則是發出了0.4pu的有功功率，吸收了0.4pu的無功功率。可見加了直流保護電路后對網側電流器保護效果較好。

3 總結

通過對在PSCAD平臺對直流側保護方案進行仿真，數據表明，雙饋風力發電系統小幅電壓跌落時采用直流側保護電路較大幅電壓跌落時更為有效，能夠在一定程度上提高雙饋風力發電機的低電壓穿越能力。