直驱型发电系统保护电路优化方案

1.定子侧保护电路

图7-15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，变流器输入的功率发生过剩，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；当故障恢复后，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7-14 飞跨电容型多电平变流器

a）飞跨电容逆变型 b）背靠背飞跨电容型

图7-15 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7-16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运行之间的平滑转换。当电网电压正常时，负载所需的功率基本由风电发电机组供给，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，交流开关开路，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跌落的影响；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7-16 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7-17所示。图7-17a、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范围内。使用卸荷负载时，多余的能量纯粹被消耗掉，需要使用大的负载并提供散热，但是可靠性较高，因此，在目前实际系统中有应用。为克服图7-17中前两种电路的缺点，图7-17c增加了储能装置，采用能量可以双向流动的DC／DC变换器，能量存储设备可以选用蓄电池或者超级电容。当电网电压跌落时，多余的能量存储在能量存储设备中，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7-17 直驱型系统直流侧保护电路

a）通过功率器件直接与电阻连接 b）通过Ruck电路与电阻连接 c）增加了能量存储设备

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7-18是采用辅助变流器的保护电路，图7-18a采用并联辅助变流器，图7-18b采用串联辅助变流器。在电网正常时，并联辅助变流器不参加工作，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7-18b中，附加的电压源型交流器（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串联一个补偿电压，把直流侧的能量馈入电网，提高网侧变流器的功率输出。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变流器要小，这种方式具有较好的补偿性能和较快的响应速度，但是成本较高，控制也比较复杂。

图7-18 直驱型系统增加辅助变流器的保护电路

a）并联辅助变流器 b）串联辅助变流器