双馈发电系统的保护电路优化建议

当电网电压跌落时，在发电机的转子侧会产生过电流，转子侧电流迅速增加，会造成直流侧电压升高，以及发电机测有功、无功功率的震荡；当故障消除后，双馈发电机从电网吸收无功功率来恢复气隙磁链，导致定子侧注入较大的定子电流，造成发电机端电压降低。因此，当电压跌落等事故发生时，必须采取一定的保护措施，以防电压跌落等事故发生时，造成器件的损坏。

1.转子侧保护电路

对于双馈发电系统，转子侧增加保护电路是最常用的方法，图8-11给出了双馈发电系统转子侧保护电路的几种不同形式。图8-11a是采用两相交流开关构成的保护电路，交流开关由晶闸管反向并联构成，当发生电网故障时，通过交流开关短路转子绕组，起到保护变流器的作用。采用这种电路时，由于转子电流中通常存在较大的直流分量，使晶闸管过零关断的特征不再适用，可能会造成保护电路拒动，而且晶闸管吸收电路的设计也比较困难。图8-11b是由二极管整流桥和晶闸管构成的保护电路，当直流侧电压达到最大值时，通过触发晶闸管导通，实现对转子绕组的短路，同时断开转子绕组与转子侧变流器的连接，保护电路与转子绕组一直保持连接，直到主回路开关将定子侧彻底与电网断开为止。这种电路控制简单，但是晶闸管不能自行关断，因此，当故障消除后，系统不能自动恢复正常，必须重新并网。上述两种电路都是被动式保护，难以适应新的电网规则要求，因此，可选用由自关断器件构成的主动式保护电路。

图8-11 双馈型系统转子侧保护电路

a）两相交流开关 b）二极管整流器＋晶闸管 c）三相可控整流桥＋电阻 d）二极管整流桥＋可变电阻 e）三相交流开关＋旁路电阻

为尽可能快地切除保护电路，可采用GTO、IGBT等自关断器件。图8-11c是采用GTO和二极管构成可控整流桥，图8-11d是在二极管整流桥后采用IGBT和电阻构成斩波器，这种保护电路使转子侧变流器在电网故障时，可以与转子保持连接，当故障消除后，通过切断保护电路，使风力发电系统快速恢复正常运行，因此，具有更大的灵活性。图8-11e是采用三相交流开关和旁边电阻构成的保护电路，为故障期间转子侧可能出现的大电流提供通路，采用这种电路，当电网电压跌落发生及恢复时，转子侧变流器可以与转子保持连接，并保持运行同步，当故障消除后，切除旁路电阻，使系统快速恢复正常运行。其中，旁路电阻的取值比较关键，既要避免变流器直流侧过电压，又要有效抑制转子侧过电流。

2.定子侧保护电路

图8-12为定子侧保护电路。图8-12a中，定子侧增加交流开关构成保护电路，与传统的并网软起动器相似。正常运行时，交流开关全部导通，为承受电压跌落所带来的大电流冲击，转子侧变流器选用电流等级较高的大功率IGBT器件；发生故障时，定子侧会产生较大的暂态电流，此时，通过控制晶闸管的触发延迟角，对此电流进行限制。使用这种方法时，交流开关的通态电压降会造成系统效率降低，正常运行时，可以通过导通旁路继电器、关闭交流开关来降低通态损耗。

图8-12 双馈型系统定子侧保护电路

a）定子侧增加交流开关 b）变流器输出串接在定子侧

DFIG-VSCF系统中采用的背靠背变流器通常都与定子侧并联，这表明变流器能够向电网注入或者吸收电流。若采用图8-12b所示的电路结构，将变流器与电网串联连接，则DFIG定子侧的电压是网络侧电压和变流器输出电压之和，因此，可以通过控制变流器的电压来控制定子磁链，有效抑制由于电压跌落所造成的磁链振荡，从而阻止转子侧大电流的产生，减小系统受电网扰动的影响，达到强化电网的目的。

3.直流侧保护电路(www.xing528.com)

直流侧保护电路如图8-13所示。其中，图8-13a在直流侧增加卸荷负载，当电网电压跌落时，转子侧过电流，电网侧变流器输出功率受到限制，能量在直流侧累积，会造成直流侧电压升高，可能会损坏直流侧电容和功率器件，此时，投入卸荷负载，消耗掉直流侧多余的能量，则可以保持电压的稳定。常规的卸荷负载采用功率器件与电阻串联形式，图8-13a中采用Buck电路和卸荷电阻构成保护电路，这种保护电路，多余的能量通过电阻消耗掉。为解决此问题，图8-13b中采用能量存储设备（ESS），能量可双向流动的DC／DC变换器与直流侧连接，随着DFIG实际转速的变化，既可以发送有功功率，又可以在必要条件下吸收有功功率，故障时，可以把多余的能量存储于ESS中。在直流侧增加保护电路，会在一定程度上加大转子侧变流器的设计难度，必须增加转子侧变流器的容量，以通过电网故障时转子侧的大电流，因此增加了成本，但同时也为实现更好的控制策略创造了条件。

图8-13 双馈型系统直流侧保护电路

a）直流侧增加卸荷负载 b）直流侧使用能量储存装置

图8-14 双馈型系统组合保护电路

a）定子侧与直流侧 b）定子侧与转子侧 c）转子侧与直流侧

4.组合保护电路

为了提高保护电路的性能，可以将上述电路进行组合，以获取更好的控制效果。图8-14给出了几种组合形式。图8-14a将图8-12a与直流侧卸荷负载组合使用，可以进一步提高图8-12a的保护性能，当发生电网电压跌落时，投入直流侧卸荷负载，应对转子侧过电流，稳定直流侧电压；当故障恢复时，由定子侧交流开关抑制定子侧的过电流，与图8-12a单纯使用定子侧保护电路比较，图8-14a可以进一步提高可靠性。图8-14b中在定子侧和转子侧都采用旁路电阻，当电网故障发生及恢复时，分别对定子侧和转子侧的过电流进行抑制，可以进一步提高保护电路的可靠性。图8-14c将图8-11e的转子侧旁路电阻与直流侧卸荷负载组合使用，可以对转子侧保护电路进行优化，降低转子侧旁路电阻的动作次数，当直流侧电压上升较少时，可以不必投入转子侧旁路电阻，由直流侧卸荷负载保持电压稳定，当直流侧电压继续上升时，再考虑投入转子侧保护。由于转子侧旁路电阻是固定值，因此，这种组合方法可以提高保护动作的平滑性。

5.改变发电机结构的方法

改变发电机结构，并采用适当的控制方法，也可以提高双馈发电系统的故障运行能力。双馈发电机中定子星形节点开路后串接附加逆变器，使定子磁通主动衰减的原理，如图8-15所示。系统的暂态反应会造成定子磁通的偏移，即定子励磁电流矢量的振荡。为抑制励磁电流，在定子绕组上串接附加的逆变器，逆变器引入一个电压，和发电机输出的每相电压串联，正常情况下此引入电压为0，电网故障情况下，可由逆变器实现系统结构的动态变化，提高阻尼系数而不用影响转子侧变流器的电流控制器。同时，由于阻尼过程需要的电压很低，附加的逆变器容量可以只是额定功率的一部分。使用这种方法，当发生电压跌落等故障时，不会在转子侧产生大的电流，可以在更短时间内达到稳定运行点。

图8-15 双馈发电统改变发电机结构的保护电路