目前的低电压穿越技术一般有三种方案:一种是采用了转子短路保护技术,二种是引入新型拓扑结构,三是采用合理的励磁控制算法。
1、转子短路保护技术(crowbar电路)
这是目前一些风电制造商采用得较多的方法,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:
a)混合桥型crowbar电路,如图1所示,每个桥臂有控制器件和二极管串联而成。
b)IGBT型crowbar电路,如图2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。
c)带有旁路电阻的crowbar电路,,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。
2、引入新型拓扑结构
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。 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的增大而增大,为了承受电网故障电压大跌落所引起的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,这样来保证变流器在电网故障时不与转子绕组断开时的安全。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,因此直流侧设计crowbar电路,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,驱动电路太复杂。这里的可控硅串联电路如果采用穿透型IGBT的话,IGBT必须串联二极管。而采用非穿透型IGBT的话,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的话,虽通态时无损耗,但断开动作时间太长。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的与电网并联方式,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,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,比如,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,则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,有效的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许多成本,控制也比较复杂。
低电压穿越能力是当电力系统中风电装机容量比例较大时,电力系统故障导致电压跌落后,风电场切除会严重影响系统运行的稳定性,这就要求风电机组具有低电压穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力,保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行。
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