现有低电压穿越技术的优化方案

最新的电网运行导则要求风电系统的低电压穿越能力不能低于被它取代的传统发电方式，所以各国的风电设备生产商以及相关科研机构都对风电设备的故障运行进行了大量研究，并提出了各种低电压穿越技术。按照低电压穿越硬件保护电路安装位置的不同，分别介绍了双馈式、直驱式风电系统实现低电压穿越的方法。

5.1.2.1 双馈式风电系统低电压穿越技术

1.定子侧方法

在采用硬件保护电路协助双馈式发电机实现低电压穿越的技术中，定子侧开关方法的基本思想是在电网电压跌落期间采用定子并网开关将DFIG（双馈式异步发电机）定子从电网中暂时切除，直到电网电压恢复到一定程度时再重新并网。在定子切除期间，励磁变流器一直保持与电网连接，可利用网侧变流器向电网提供无功。该方法的优点是可以避免电网电压的骤降和骤升对DFIG的冲击，但是它并非真正意义上的不脱网运行，实际上由于网侧变流器的容量较小，对电网恢复的作用比较有限。

加拿大Janos Rajda等人提出一种新颖的DFIG风电机组低电压穿越装置及其控制方法，该装置由一系列与双向交流开关并联的电阻阵列构成，连接在DFIG定子与电网传输线之间，如图5-2所示。当电网电压正常时，所有交流开关导通；一旦检测到电网电压下降，则通过控制交流开关的触发延迟角来调节整个装置的等效阻抗，DFIG输出的电流流过该阻抗后将提高DFIG定子端电压，从而保证DFIG端电压在一定的数值之上。这种方法的优点是可以在电网电压跌落的情况下保持DFIG与电网的连接，缺点是需要大量大功率晶闸管，硬件成本较高，且电阻损耗大，目前该方法实际应用很少。

图5-1 欧美国家典型的电网导则规定风电低电压运行能力曲线

图5-2 DFIG低电压穿越用定子侧电阻阵列

C.Zhan和P.S.Flannery等人提出附加一个额外的电网侧串联变流器来提高DFIG机组的低电压穿越能力，其电路拓扑结构如图5-3所示，该网侧串联变流器具有以下几个功能：

1）对故障电压进行补偿，保证DFIG定子电压的稳定，具有动态电压恢复器的功能。

2）调节DFIG定子磁链并使之保持稳定，从而减小甚至消除定子电压突变引起的一系列暂态电磁现象，如电磁转矩和定、转子电流以及有功、无功功率的振荡。

3）将DFIG未能及时输出的能量通过直流母线环节输送到电网，防止直流母线电压泵升，这种结构理论上能实现零电压穿越，具有优良的低电压穿越能力，是一种先进的低电压穿越技术，但也存在成本高、控制复杂等问题。

图5-3 具有电网侧串联变流器的DFIG故障穿越系统

2.母线侧方法

电网电压跌落时，DFIG的定、转子绕组中感生很大的故障电流，转子故障电流流过直流母线电容，引起直流母线电压的波动，同时电网电压降低导致网侧变流器控制直流母线电压的能力减弱，不能及时将转子侧过剩的能量传递到电网上，可能导致直流母线电压快速泵升，危害直流母线电容安全。为此有必要使用直流Crowbar，利用电阻吸收转子侧多余的能量，防止直流母线电压过高，其电路拓扑结构如图5-4a所示。直流Crowbar可将母线电压泵升限制在一定数值以下，但是对由电网故障引起的直流母线电压降低则无能为力。

针对上述直流Crowbar的缺点，C.Abbey等人提出在电网电压跌落期间使用不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）来维持直流母线电压的方法，电路拓扑结构如图5-4b所示。UPS中的能量存储系统（ESS）使用超级电容储能，其优点是既可以在直流母线电压过高的情况下吸收直流母线上能量，也可以在直流母线电压过低的情况下释放能量，从而可以维持直流母线电压在一定的范围之内。该方案的缺点是成本过高，限制了其商业化推广应用。

图5-4 直流母线电容保护

3.转子侧方法(https://www.xing528.com)

电网电压跌落时，为了保护励磁变流器，一种常用的办法是通过电阻（即增设Crowbar电路）短接转子绕组以旁路转子侧变流器，为转子侧的浪涌电流提供一条通路，起到保护发电机和变流器的作用。各种转子侧Crowbar的控制方式基本相似，即当转子侧电流或直流母线电压增大到预定的阈值时触发导通开关元件，同时关断转子侧变流器中所有开关器件，使得转子故障电流流过Crowbar，旁路转子侧变流器。

适合于DFIG的Crowbar有多种拓扑结构，最常见的有反并晶闸管结构、二极管桥加可控器件结构、混合桥型（每个桥臂由二极管和可控器件串联而成）结构、IGBT型（在二极管桥的直流侧串入一个IGBT和一个吸收电阻）结构、IGBT桥加旁路电阻结构，这里给出图5-5所示两种典型结构。其中图5-5a表示双向晶闸管型Crowbar，这种结构最为简单，但其不对称结构易引起转子电流中出现很大的直流分量，不实用。图5-5b表示双向晶闸管并带旁路电阻的Crow-bar，除电路对称外，更可利用其电阻消耗转子侧多余的能量，加快定、转子故障电流的衰减。

使用Crowbar的优点是可以确保励磁变流器的安全，加快故障电流的衰减，缺点是Crowbar动作期间将短接DFIG转子绕组，使DFIG变为笼型异步发电机运行，需从电网吸收大量无功功率以作励磁，这将不利于电网故障的迅速恢复，而且增加了硬件设备，使得控制更加复杂。此外Crowbar的投入和切除时刻选择也十分重要，选择不当将一方面引起Crowbar多次动作，另一方面可能引起大电流冲击，这将是Crowbar技术要深入研究的内容。

图5-5 两种典型的Crowbar电路

2006年，西班牙GAMESA公司提出一种包含无源压敏元件的钳位单元，用于电网故障时为转子绕组提供钳位电压，并旁路转子侧变流器以保护励磁变流器，电路拓扑结构如图5-6所示。这种钳位单元的原理与上述转子侧Crowbar电路相似，其优点是可以在转子绕组上提供适当的钳位电压，将转子绕组端电压限制在一定范围内，避免转子出现过电压。

图5-6 带钳位单元的新型Crowbar电路

5.1.2.2 直驱式风电系统的保护电路

1.直流侧保护电路

在直流侧增加保护电路是目前最常用的一种方式，如图5-7所示。图5-7a、b是直流侧增加卸荷单元的保护电路，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。使用卸荷单元时，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5-7所示的前两种电路的缺点，图5-7c增加了储能设备，采用能量可以双向流动的DC-DC变流器，储能设备可以是蓄电池或超级电容。当电网电压跌落时，多余的能量存储在储能设备中，在直流侧电压不足时释放出来，为电容充电，同时可以利用储能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，缺点是需要额外的储能设备，增大了结构的复杂程度，增加了系统的成本。

图5-7 直驱式系统直流侧保护电路

2.采用辅助变流器的保护电路

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来实现保护功能。图5-8是采用并联辅助变流器的保护电路，图5-9是采用串联辅助变流器的保护电路。并联辅助变流器在电网正常时不参与工作，发生电压跌落等故障时，网侧变流器采用的IGBT、IGCT（集成门极换向晶闸管）等功率器件所能承受的过电流有限，而辅助变流器采用GTO晶闸管等通流能力较强、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晶闸管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，而串联辅助变流器需要相对较小的有功电流。图5-9中，附加的电压源型变流器（VSI）输入侧与直流母线连接，输出侧通过变压器接入电网，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，提供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5-8 直驱式系统增加并联辅助变流器的保护电路

图5-9 直驱式系统增加串联辅助变流器的保护电路