保护电路设计方案：直驱型系统定子侧、电网侧

1.定子侧保护电路

图6-55是发电机定子侧增加旁路电阻的保护电路，旁路电阻通过交流开关与定子侧连接。当电网电压跌落时，变流器输入的功率过剩，通过交流开关投入定子侧旁路电阻，消耗掉多余的能量，使变流器输入和输出功率保持平衡，实现故障状态下风力发电系统的正常运行；故障恢复后快速切除旁路电阻，使风力发电系统迅速恢复对电网的正常供电。

图6-55　直驱型系统定子侧增加旁路电阻的保护电路

2.电网侧保护电路

图6-56是电网侧采用交流开关的保护电路，变流器输出直接给负载供电，负载功率与风力发电系统功率相匹配，可以独立构成一个微网供电系统。在电网和负载之间接入三相静态交流开关，负载可以选择对电网电压跌落等故障敏感的设备，由交流开关实现并网运行和微网之间的平滑转换。当电网电压正常时，负载所需的功率基本由风力发电机组供给，多余的功率可以送入电网，风力发电功率不足时，可以由电网补充。当电网电压跌落时，交流开关电路断开敏感负载与电网的连接；负载与电网隔离期间，风力发电系统负责负载的电压调节，即处于微网运行状态，使敏感负载不会受到电压降落的影响；一旦电网电压恢复正常，交流开关重新闭合，风力发电系统从微网运行转换回并网运行。这种方案提供了一种新的应对电网故障的保护策略，增加的硬件电路很少，成本较低；缺点是选择的负载必须能够与风力发电设备构成微网系统，控制策略要兼顾并网和微网两种运行状态，并能平滑切换。

图6-56　直驱型系统电网侧采用交流开关的保护电路

3.直流侧保护电路(www.xing528.com)

在直流侧增加保护电路是目前最常用的一种方式，如图6-57所示。图6-57（a）、图6-57（b）是直流侧增加卸荷负载的保护电路，其中，前者的卸荷电阻通过功率器件与直流侧连接，后者的卸荷电阻通过Buck电路与直流侧连接。系统正常工作时，保护电路不起作用，当发生电压跌落时，直流侧输入功率大于输出功率。此时投入卸荷电阻，消耗直流侧多余的能量，使电容电压稳定在一定的范围内。使用卸荷负载时，多余的能量被卸荷负载消耗掉，因此需要使用大负载并提供散热，但是可靠性较高，因此，在目前实际系统中有所应用。为克服图6-57（a）、图6-57（b）中前两种电路的缺点，图6-57（c）增加了储能装置，采用能量可以双向流动的DC/DC变换器，能量储存设备可以选用蓄电池或者超级电容。当电网电压跌落时，多余的能量储存在能量储存设备中，在直流侧电压不足时释放出来为电容充电，同时，可以利用能量存储设备的能量为电网提供有功功率。这种方式的优点是能量可以再利用，缺点是需要额外的能量存储设备，增大了结构的复杂程度，提高了系统的成本。

图6-57　直驱型系统直流侧保护电路

4.辅助变流器保护电路

电网电压跌落时，对变流器的主要影响是过电流和直流侧电压上升，因此，可以在直流侧和电网之间增加辅助变流器，实现保护功能。图6-58是采用辅助变流器的保护电路，图6-58（a）采用并联辅助变流器，图6-58（b）采用串联辅助变流器。电网正常时并联辅助变流器不工作，发生电压跌落等故障时，网侧变流器采用的IGBT、IGCT等功率器件所能承受的过电流有限，而辅助变流器采用GTO等通流能力较强、成本相对较低的器件，可以承受较大的有功电流，因而在电网电压较低时，变流器可以输出较大的电流，使输出功率与故障前保持一致，保证直流侧的功率平衡。电网电压恢复正常后，关闭辅助变流器，使网侧变流器恢复正常输出。这种方式必须根据电网电压允许跌落的深度确定辅助变流器的电流等级，当电压跌落较多时，需要辅助变流器的容量也较大。另外，由于GTO等器件开关速度较慢，在故障期间会产生一定的谐波注入电网。

故障期间，采用并联变流器较容易实现向电网注入电流，但需要较大的有功电流，而串联补偿仅需要相对较小的有功电流，图6-58（b）中，附加的辅助变流器（VSI）输入侧与直流母线连接，输出侧通过变压器串入电网，在电压跌落发生时，可以通过在电网电压上增加一个补偿电压把直流侧的能量馈入电网，提高网侧变流器的输出功率。为保证输出电压波形接近正弦波，串联型辅助VSI电路结构通常与网侧变流器一致，采用IGBT等全控型功率器件，但是功率等级比网侧小，这种方式具有较好的补偿性能和较快的响应速度，但是成本高，控制也比较复杂。

图6-58　直驱型系统增加辅助变流器的保护电路