低电压穿越技术：如何保障电网稳定？

并网风力发电是近十年来国际上发展速度最快的可再生能源技术。并网风力发电机与传统的并网发电设备最大的区别在于，其在电网故障期间并不能维持电网的电压和频率，这对电力系统的稳定性非常不利。电网故障是电网的一种非正常运行形式，主要有输电线路短路或断路，如三相对地、单相对地以及线间短路或断路等，它们会引起电网电压幅值的剧烈变化。

双馈式变速恒频风电机组是目前国内外风电机组的主流机型，其发电设备为双馈感应发电机，当出现电网故障时，现有的保护原则是将双馈感应发电机立即从电网中脱网以确保机组的安全。随着风电机组单机容量的不断增大和风电场规模的不断扩大，风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。人们越来越担心，一旦电网发生故障迫使大面积风电机组因自身保护而脱网的话，将严重影响电力系统的运行稳定性。因此，随着接入电网的双馈感应发电机容量的不断增加，电网对其要求越来越高，通常情况下要求发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行（Fault Ride-Through），并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行，也就是说，要求风电机组具有一定低电压穿越（Low Voltageride-Through）能力。为此，国际上已有一些新的电网运行规则被提出。各国对风电场低电压穿越的要求如图8-12～图8-14所示。

为了保证电网故障时双馈感应发电机及其励磁变流器能安全不脱网运行，适应新电网运行规则的要求，国内外学术界和工程界对电网故障时双馈感应发电机的保护原理与控制策略进行了大量研究。有文献指出，当前的低电压穿越技术一般有三种方案：①采用了转子短路保护技术（Crowbar protection）；②引入新型拓扑结构；③采用合理的励磁控制算法。下面逐一分析介绍。

图8-12　美国标准——低电压穿越要求

图8-13　德国标准——低电压穿越要求

1.转子短路保护技术

这是目前一些风电制造商采用的较多的方法，其在发电机转子侧装有Crowbar电路，为转子侧电路提供旁路，在检测到电网系统故障出现电压跌落时，闭锁双馈感应发电机励磁变流器，同时投入转子回路的旁路（释能电阻）保护装置，达到限制通过励磁变流器的电流和转子绕组过电压的作用，以此来维持发电机不脱网运行（此时双馈感应发电机按感应电动机方式运行）。

目前比较典型的Crowbar电路有如下几种：

（1）混合桥型Crowbar电路，如图8-15所示，每个桥臂由控制器件和二极管串联而成。

（2）IGBT型Crowbar电路，如图8-16所示，每个桥臂由两个二极管串联，直流侧串入一个IGBT器件和一个吸收电阻。

图8-14　中国标准——低电压穿越要求

图8-15　混合桥型Crowbar电路图

图8-16　IGBT型Crowbar电路图

（3）带有旁路电阻的Crowbar电路，如图8-17所示，出现电网电压跌落时，通过功率开关器件将旁路电阻连接到转子回路中，这就为电网故障期间所产生的大电流提供了一个旁路，从而达到限制大电流，保护励磁变流器的作用。(www.xing528.com)

图8-17　旁路电阻型Crowbar电路图

励磁变流器在电网故障期间，与电网和转子绕组一直保持连接，因而在故障期间和故障切除期间，双馈感应发电机都能与电网一起同步运行。当电网故障消除时，关断功率开关，便可将旁路电阻切除，双馈感应发电机转入正常运行。

采用Crowbar电路的转子短路保护技术存在这样一些缺点：首先，需要增加新的保护装置从而增加了系统成本；另外，电网故障时，虽然励磁变流器和转子绕组得到了保护，但此时按感应电动机方式运行的机组将从系统中吸收大量的无功功率，这将导致电网电压稳定性的进一步恶化，而且传统的Crowbar保护电路的投切操作会对系统产生暂态冲击。

2.引入新型拓扑结构

除了上述典型Crowbar技术的应用外，一些学者还提出了一些新型低压旁路系统，如图8-18、图8-19所示。

图8-18　新型旁路系统

新型旁路系统如图8-18所示，这种结构与传统的软启动装置类似，在双馈感应发电机定子侧与电网间串联反并可控硅电路。

图8-19　连接网侧变流器

（a）并联侧；（b）串联侧

在正常运行时，这些可控硅全部导通，在电网电压跌落与恢复期间，转子侧可能出现的最大电流随电压跌落的幅度增大而增大，为了承受电网故障电压大跌落所引起的转子侧大电流冲击，转子侧励磁变流器选用电流等级较高的大功率IGBT器件，以此来保证变流器在电网故障不与转子绕组断开。电网电压跌落再恢复时，转子侧最大电流可能会达到电压跌落前的几倍。因此，当电网电压跌落严重时，为了避免电压回升时系统在转子侧所产生的大电流，在电压回升以前，将双馈感应发电机通过反并可控硅电路与电网脱网。脱网以后，转子励磁变流器重新励磁双馈感应发电机，电压一旦回升到允许的范围之内，双馈感应发电机便能迅速地与电网达到同步。再通过开通反并可控硅电路使定子与电网连接。这样可以减小对IGBT耐压、耐流的要求。对于短时间内能够接受大电流的IGBT模块，可以减少双馈感应发电机的脱网运行时间。转子侧大功率馈入直流侧会导致直流侧电容电压的升高，而直流侧的耐压等级依赖于直流侧电容的大小，因此设计直流侧Crowbar电路时，在直流侧安装电阻来作吸收电路，将直流侧电压限制在允许范围内。

这种方式的不足之处是：该方案需要增加系统的成本和控制的复杂性。考虑到定子故障电流中的直流分量，需要可控硅器件能通过门极关断，这要求很大的门极负驱动电流，驱动电路过于复杂。这里的可控硅串联电路如果采用穿透型IGBT，IGBT必须串联二极管。若采用非穿透型IGBT，通态损耗会很大。理论上，如果利用接触器来代替可控硅开关，虽通态时无损耗，但断开动作时间过长。而且由于该方案在输电系统故障时发电机脱网运行，因此对电网恢复正常运行起不到积极的支持作用。

通常双馈感应发电机的背靠背式励磁变流器采用如图8-19（a）所示的与电网并联的方式，这意味着励磁变流器能向电网注入或吸收电流。为了提高系统的低电压穿越能力，有些文献提到了一种新的连接方式，即将变流器与电网进行串联连接，如图8-19（b）所示，变流器通过发电机定子端的串联变压器实现与电网串联连接，双馈感应发电机定子端的电压为网侧电压和变流器输出的电压之和。这样便可以通过控制变流器的电压来控制定子磁链，有效地抑制由于电网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。但这种方式将增加系统成本，控制也比较复杂。