變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障的保護(hù)電路的研究

崔志霞

摘 要：電網(wǎng)運(yùn)行中產(chǎn)生故障是必然的。要避免故障發(fā)生，就要發(fā)揮保護(hù)電路的作用。按照新的電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)則，要保護(hù)到電網(wǎng)，使其持續(xù)性地處于良性運(yùn)行狀態(tài)，就需要風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在低電壓狀態(tài)下具備一定的故障穿越能力。變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障狀態(tài)下，不僅能夠?qū)﹄娐钒l(fā)揮保護(hù)作用，而且還可以使得故障穿越能力有所提高。文章針對(duì)變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障的保護(hù)電路進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)；運(yùn)行故障；變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)；保護(hù)電路

引言

變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)中，較為常用的是雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，這種設(shè)備在運(yùn)行中，發(fā)揮雙饋型風(fēng)電系統(tǒng)的作用，可以對(duì)電網(wǎng)實(shí)施有效的保護(hù)。但是，在具體的使用中，由于變流器的容量非常小，而且對(duì)齒輪箱也具有很高的要求。通過應(yīng)用實(shí)踐可以明確，當(dāng)電網(wǎng)處于運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)中的齒輪箱是極易出現(xiàn)故障的。隨著故障的產(chǎn)生，就會(huì)產(chǎn)生大量的噪音。如果采取技術(shù)維護(hù)措施，操作是具有較高的難度的。如果采用全功率變流器，就可提高電網(wǎng)運(yùn)行效率，電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，無(wú)需安裝齒輪箱，而且機(jī)械設(shè)備的損耗度是非常小的。全功率變流器不僅運(yùn)行效率高，而且維護(hù)也非常方便。

1 對(duì)DFIG-VSCF風(fēng)電變流器設(shè)計(jì)電網(wǎng)保護(hù)電路

1.1 定子側(cè)保護(hù)電路

定子側(cè)保護(hù)電路在設(shè)計(jì)上是將交流開關(guān)加到定子側(cè)。從設(shè)計(jì)構(gòu)成上來(lái)看，這種保護(hù)電路的設(shè)計(jì)類似于并網(wǎng)軟啟動(dòng)器。當(dāng)電路處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，所有的交流開關(guān)都會(huì)啟動(dòng)，并處于導(dǎo)通的狀態(tài)[1]。此時(shí)如果存在電壓跌落的現(xiàn)象，就會(huì)引發(fā)大電流的沖擊。為了使電網(wǎng)運(yùn)行故障的時(shí)候，能夠?qū)﹄娏饔行Э刂?，可以在選擇大功率絕緣柵雙極功率晶體管件的時(shí)候，以高等級(jí)電流的功率器件為主，作為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，就會(huì)在定子側(cè)有大量的暫態(tài)電流產(chǎn)生的時(shí)候，能夠通過對(duì)晶閘管的觸發(fā)角進(jìn)行控制的方法限制電流。同時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行效率也會(huì)由于交流開關(guān)的通態(tài)壓降的存在而降低。當(dāng)電網(wǎng)處于正常運(yùn)行的時(shí)候，要將通態(tài)損耗降低，就需要運(yùn)行導(dǎo)通旁路繼電器，將交流開關(guān)關(guān)閉，就可以獲得良好的效果。

1.2 轉(zhuǎn)子側(cè)保護(hù)電路

轉(zhuǎn)子側(cè)保護(hù)電路是在轉(zhuǎn)子側(cè)安裝雙饋型系統(tǒng)。這種方法是較為常用的，可以獲得良好的效果。轉(zhuǎn)子側(cè)保護(hù)電路在設(shè)計(jì)上可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)為不同種形式。

第一種設(shè)計(jì)形式：轉(zhuǎn)子側(cè)保護(hù)電路采用兩相交流開關(guān)，將晶閘管采用反向的方法進(jìn)行并聯(lián)。如果電網(wǎng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生故障的時(shí)候，要使得變流器得到保護(hù)，交流開關(guān)所構(gòu)成的短路轉(zhuǎn)子繞組就可以發(fā)揮作用[2]。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的電路在運(yùn)行中，由于轉(zhuǎn)子電流中直流分量是非常大的，就會(huì)由于晶閘管過零關(guān)斷不會(huì)發(fā)生作用，必然會(huì)產(chǎn)生保護(hù)電路的誤動(dòng)作或者拒動(dòng)的現(xiàn)象，晶閘管要適應(yīng)這種電路環(huán)境也是非常困難的。

第二種設(shè)計(jì)形式：轉(zhuǎn)子側(cè)保護(hù)電路的主要構(gòu)件為晶閘管和二極管整流橋。當(dāng)直流側(cè)電壓值為最大的時(shí)候，要使得轉(zhuǎn)子繞組實(shí)現(xiàn)短路，就可以采用觸發(fā)晶閘管發(fā)揮電流導(dǎo)通的作用，對(duì)于轉(zhuǎn)子繞組連接轉(zhuǎn)子側(cè)變流器要在此時(shí)斷開。保護(hù)電路要連接在轉(zhuǎn)子繞組上，持續(xù)連接的作用是保持主回路開關(guān)動(dòng)作，指導(dǎo)定子側(cè)與電網(wǎng)之間的連接完全斷開。采用這種電網(wǎng)控制的方法不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且晶閘管的運(yùn)行中開啟和短路都不能自動(dòng)運(yùn)行。如果電網(wǎng)的運(yùn)行故障已經(jīng)消除了，系統(tǒng)很難自行恢復(fù)，就需要重新進(jìn)行并網(wǎng)連接。

1.3 直流側(cè)保護(hù)電路

直流側(cè)保護(hù)電路在設(shè)計(jì)上就是在電路上增加卸荷負(fù)載。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行中處于跌落狀態(tài)的時(shí)候，轉(zhuǎn)子側(cè)就會(huì)產(chǎn)生過電流，由此必然會(huì)限制電網(wǎng)側(cè)變流器所輸出的功率。這些電路大量地積累在直流側(cè)，就會(huì)導(dǎo)致此處的電壓明顯提升，對(duì)直流側(cè)所連接的功率器件就會(huì)造成影響，甚至包括功率器件和電容器在內(nèi)，都會(huì)因此而損壞。此時(shí)，就需要將卸荷負(fù)載投入其中[3]。直流側(cè)所產(chǎn)生的多余的電流就可以被消耗，可以確保電壓處于穩(wěn)定的狀態(tài)。通常卸荷負(fù)載要獲得良好的效果，就需要將功率器件串聯(lián)在電阻上。在保護(hù)電路的構(gòu)成上，是構(gòu)建降壓式變換電路，將卸荷電阻連接在上面，如果電路中產(chǎn)生過電流，就會(huì)被及時(shí)消耗。

2對(duì)VSCF風(fēng)電變流器設(shè)計(jì)電網(wǎng)保護(hù)電路

2.1 直流側(cè)保護(hù)電路

在電網(wǎng)的保護(hù)電流中，通過在直流側(cè)連接卸荷負(fù)載，可以起到電路保護(hù)的作用。具體的連接方式就是使用功率器件將卸荷電阻連接在直流側(cè)上。當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，電網(wǎng)的保護(hù)電路并不會(huì)發(fā)揮作用[4]。如果電網(wǎng)運(yùn)行中有電壓跌落產(chǎn)生，在直流側(cè)的輸入功率就會(huì)比輸出功率大很多，將卸荷電阻連接在上面，可以將直流側(cè)產(chǎn)生的過電流消耗，使電網(wǎng)的電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，電容能夠保持穩(wěn)定。在卸荷負(fù)載的應(yīng)用過程中，消耗多余的電路，同時(shí)會(huì)有大量的熱量產(chǎn)生，就需要安裝散熱設(shè)備，以使這些熱量能夠快速散發(fā)，使得卸荷負(fù)載運(yùn)行中具有較高的可靠性。

對(duì)于這種連接方式，為了提高儲(chǔ)能的功能，還需要安裝儲(chǔ)能裝置，通常超級(jí)電容器以及蓄電池都是效果良好的儲(chǔ)能設(shè)備。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行中產(chǎn)生電壓跌落的現(xiàn)象的時(shí)候，有過電流產(chǎn)生，就可以運(yùn)行儲(chǔ)能設(shè)備。當(dāng)直流側(cè)電壓存在能量不足的現(xiàn)象的時(shí)候就可以輸出能量，對(duì)電容器可以達(dá)到良好的充電效果。電網(wǎng)運(yùn)行中，儲(chǔ)能設(shè)備還可以將有功功率提供給電網(wǎng)，使得能量的利用效率有所提高。當(dāng)然，安裝儲(chǔ)能裝置需要額外設(shè)備安裝，使得電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，系統(tǒng)的運(yùn)行成本也會(huì)提升。

2.2 輔助變流器保護(hù)電路

當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行中產(chǎn)生電壓跌落的時(shí)候，變換器所發(fā)揮的作用就是直流側(cè)的電壓有所增加，過電流也明顯提升。為了解決這個(gè)問題，就需要將輔助變換器安裝在電網(wǎng)與直流側(cè)之間，可以對(duì)電網(wǎng)起到一定的保護(hù)效果。

在具體的電路設(shè)計(jì)中，就是將輔助變換器根據(jù)需要采用并聯(lián)的方法或者是串聯(lián)的方法。如果對(duì)輔助變換器采用并聯(lián)的方法，當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行的時(shí)候，輔助變換器不參與運(yùn)行。當(dāng)電壓跌落現(xiàn)象產(chǎn)生的時(shí)候，一些功率器件對(duì)過電流就會(huì)逐漸失去承受能力，此時(shí)輔助變換器就會(huì)發(fā)揮作用，以其較強(qiáng)的電流流通能力就可以解決問題。當(dāng)電網(wǎng)的電壓逐漸降低的時(shí)候，變換器所輸出的電流就會(huì)增加，可以保證所輸出的功率與電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候保持一致，由此使得直流側(cè)的功率保持均衡狀態(tài)，電網(wǎng)電壓也會(huì)恢復(fù)正常。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量不斷地?cái)U(kuò)容，電網(wǎng)就必然會(huì)受到風(fēng)電系統(tǒng)的影響。按照有關(guān)規(guī)定，如果電網(wǎng)在運(yùn)行的過程中產(chǎn)生故障，就需要風(fēng)電系統(tǒng)切實(shí)地發(fā)揮作用，不僅要能夠保持并網(wǎng)的狀態(tài)，還需要有能力提供無(wú)功支持，以滿足系統(tǒng)的需要，使得電網(wǎng)運(yùn)行中其電壓始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)。對(duì)于變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)，當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行中產(chǎn)生故障的時(shí)候，就需要對(duì)保護(hù)電路合理利用，在保持并網(wǎng)的同時(shí)，還能對(duì)電網(wǎng)有效控制。

參考文獻(xiàn)

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