变速恒频风电系统应对电网故障的保护电路的研究

崔志霞

摘 要：电网运行中产生故障是必然的。要避免故障发生，就要发挥保护电路的作用。按照新的电网运行规则，要保护到电网，使其持续性地处于良性运行状态，就需要风力发电系统在低电压状态下具备一定的故障穿越能力。变速恒频风电系统在电网故障状态下，不仅能够对电路发挥保护作用，而且还可以使得故障穿越能力有所提高。文章针对变速恒频风电系统应对电网故障的保护电路进行研究。

关键词：电网；运行故障；变速恒频风电系统；保护电路

引言

变速恒频风电系统中，较为常用的是双馈感应发电机，这种设备在运行中，发挥双馈型风电系统的作用，可以对电网实施有效的保护。但是，在具体的使用中，由于变流器的容量非常小，而且对齿轮箱也具有很高的要求。通过应用实践可以明确，当电网处于运行状态，系统中的齿轮箱是极易出现故障的。随着故障的产生，就会产生大量的噪音。如果采取技术维护措施，操作是具有较高的难度的。如果采用全功率变流器，就可提高电网运行效率，电机的设计结构非常简单，无需安装齿轮箱，而且机械设备的损耗度是非常小的。全功率变流器不仅运行效率高，而且维护也非常方便。

1 对DFIG-VSCF风电变流器设计电网保护电路

1.1 定子侧保护电路

定子侧保护电路在设计上是将交流开关加到定子侧。从设计构成上来看，这种保护电路的设计类似于并网软启动器。当电路处于运行状态的时候，所有的交流开关都会启动，并处于导通的状态[1]。此时如果存在电压跌落的现象，就会引发大电流的冲击。为了使电网运行故障的时候，能够对电流有效控制，可以在选择大功率绝缘栅双极功率晶体管件的时候，以高等级电流的功率器件为主，作为转子侧变流器，就会在定子侧有大量的暂态电流产生的时候，能够通过对晶闸管的触发角进行控制的方法限制电流。同时，系统的运行效率也会由于交流开关的通态压降的存在而降低。当电网处于正常运行的时候，要将通态损耗降低，就需要运行导通旁路继电器，将交流开关关闭，就可以获得良好的效果。

1.2 转子侧保护电路

转子侧保护电路是在转子侧安装双馈型系统。这种方法是较为常用的，可以获得良好的效果。转子侧保护电路在设计上可以根据需要设计为不同种形式。

第一种设计形式：转子侧保护电路采用两相交流开关，将晶闸管采用反向的方法进行并联。如果电网在运行过程中产生故障的时候，要使得变流器得到保护，交流开关所构成的短路转子绕组就可以发挥作用[2]。这种设计结构的电路在运行中，由于转子电流中直流分量是非常大的，就会由于晶闸管过零关断不会发生作用，必然会产生保护电路的误动作或者拒动的现象，晶闸管要适应这种电路环境也是非常困难的。

第二种设计形式：转子侧保护电路的主要构件为晶闸管和二极管整流桥。当直流侧电压值为最大的时候，要使得转子绕组实现短路，就可以采用触发晶闸管发挥电流导通的作用，对于转子绕组连接转子侧变流器要在此时断开。保护电路要连接在转子绕组上，持续连接的作用是保持主回路开关动作，指导定子侧与电网之间的连接完全断开。采用这种电网控制的方法不仅结构简单，而且晶闸管的运行中开启和短路都不能自动运行。如果电网的运行故障已经消除了，系统很难自行恢复，就需要重新进行并网连接。

1.3 直流侧保护电路

直流侧保护电路在设计上就是在电路上增加卸荷负载。当电网运行中处于跌落状态的时候，转子侧就会产生过电流，由此必然会限制电网侧变流器所输出的功率。这些电路大量地积累在直流侧，就会导致此处的电压明显提升，对直流侧所连接的功率器件就会造成影响，甚至包括功率器件和电容器在内，都会因此而损坏。此时，就需要将卸荷负载投入其中[3]。直流侧所产生的多余的电流就可以被消耗，可以确保电压处于稳定的状态。通常卸荷负载要获得良好的效果，就需要将功率器件串联在电阻上。在保护电路的构成上，是构建降压式变换电路，将卸荷电阻连接在上面，如果电路中产生过电流，就会被及时消耗。

2对VSCF风电变流器设计电网保护电路

2.1 直流侧保护电路

在电网的保护电流中，通过在直流侧连接卸荷负载，可以起到电路保护的作用。具体的连接方式就是使用功率器件将卸荷电阻连接在直流侧上。当系统处于正常运行状态的时候，电网的保护电路并不会发挥作用[4]。如果电网运行中有电压跌落产生，在直流侧的输入功率就会比输出功率大很多，将卸荷电阻连接在上面，可以将直流侧产生的过电流消耗，使电网的电压处于稳定状态，电容能够保持稳定。在卸荷负载的应用过程中，消耗多余的电路，同时会有大量的热量产生，就需要安装散热设备，以使这些热量能够快速散发，使得卸荷负载运行中具有较高的可靠性。

对于这种连接方式，为了提高储能的功能，还需要安装储能装置，通常超级电容器以及蓄电池都是效果良好的储能设备。当电网运行中产生电压跌落的现象的时候，有过电流产生，就可以运行储能设备。当直流侧电压存在能量不足的现象的时候就可以输出能量，对电容器可以达到良好的充电效果。电网运行中，储能设备还可以将有功功率提供给电网，使得能量的利用效率有所提高。當然，安装储能装置需要额外设备安装，使得电路的设计结构复杂化，系统的运行成本也会提升。

2.2 辅助变流器保护电路

当电网运行中产生电压跌落的时候，变换器所发挥的作用就是直流侧的电压有所增加，过电流也明显提升。为了解决这个问题，就需要将辅助变换器安装在电网与直流侧之间，可以对电网起到一定的保护效果。

在具体的电路设计中，就是将辅助变换器根据需要采用并联的方法或者是串联的方法。如果对辅助变换器采用并联的方法，当电网正常运行的时候，辅助变换器不参与运行。当电压跌落现象产生的时候，一些功率器件对过电流就会逐渐失去承受能力，此时辅助变换器就会发挥作用，以其较强的电流流通能力就可以解决问题。当电网的电压逐渐降低的时候，变换器所输出的电流就会增加，可以保证所输出的功率与电网正常运行状态的时候保持一致，由此使得直流侧的功率保持均衡状态，电网电压也会恢复正常。

3 结束语

综上所述，风电机组装机容量不断地扩容，电网就必然会受到风电系统的影响。按照有关规定，如果电网在运行的过程中产生故障，就需要风电系统切实地发挥作用，不仅要能够保持并网的状态，还需要有能力提供无功支持，以满足系统的需要，使得电网运行中其电压始终保持稳定的状态。对于变速恒频风电系统，当电网运行中产生故障的时候，就需要对保护电路合理利用，在保持并网的同时，还能对电网有效控制。

参考文献

[1]马浩淼，高勇，杨媛，等.变速恒频风力发电系统低电压穿越策略研究[J].电源技术，2014（08）：1213-1214.

[2]杨勇.如何提高配电网故障抢修的工作[J].电源技术应用，2013（10）：13-14.

[3]彭凌，李永东.电压跌落下双馈风力发电机矢量控制的改进[J].电气传动，2014，40（11）：9-12.

[4]徐殿国，王伟，陈宁.基于撬棒保护的双馈电机风电场低电压穿越动态特性分析[J].中国电机工程学报，2015，30（22）：29-36.