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風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障穿越目錄風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響各國電網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)風(fēng)電接入的要求當(dāng)前矢量控制策略及存在的問題當(dāng)前故障穿越的方法已經(jīng)獲得的階段性結(jié)論風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電和時(shí)間的關(guān)系-----間歇性風(fēng)是波動(dòng)的,風(fēng)電是間歇式發(fā)電風(fēng)電不能像常規(guī)發(fā)電那樣進(jìn)行調(diào)度風(fēng)電預(yù)測(cè)比負(fù)荷預(yù)測(cè)難度大風(fēng)電在空間的分布性風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響風(fēng)力發(fā)電和常規(guī)發(fā)電的比較發(fā)電類型火電和水電風(fēng)電發(fā)電機(jī)輸出功率的特點(diǎn)可調(diào)度-運(yùn)行人員可以安排機(jī)組的出力間歇性-機(jī)組出力,隨著氣象條件、季節(jié)和每日不同時(shí)段而變化,不能按計(jì)劃發(fā)電發(fā)電機(jī)種類、數(shù)量同步發(fā)電機(jī),一般發(fā)電廠包含數(shù)臺(tái)機(jī)組采用多種發(fā)電技術(shù),包括感應(yīng)發(fā)電機(jī)、雙饋?zhàn)兯侔l(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī),并且有些發(fā)電系統(tǒng)采用多種電力電子控制技術(shù)。大型風(fēng)電場(chǎng)包含數(shù)百臺(tái)機(jī)組故障時(shí)的暫態(tài)響應(yīng)特性取決于反映同步發(fā)電機(jī)組電特性的功率振蕩方程不同類型的風(fēng)電機(jī)組在故障時(shí)的暫態(tài)響應(yīng)不同運(yùn)行特性由發(fā)電機(jī)組和勵(lì)磁系統(tǒng)的特性決定由風(fēng)電機(jī)群的特性和協(xié)調(diào)全部風(fēng)電機(jī)群運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)綜合控制系統(tǒng)決定風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響衡量風(fēng)電規(guī)模的指標(biāo)風(fēng)電穿透功率極限風(fēng)電穿透功率(wind
power
penetration)是指:系統(tǒng)中風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量占系統(tǒng)總負(fù)荷的比例。風(fēng)電穿透功率極限為滿足一定技術(shù)指標(biāo)的前提下接入系統(tǒng)的最大風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量與系統(tǒng)最大負(fù)荷的百分比。表征系統(tǒng)能夠承受的最大風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量。根據(jù)歐洲國家的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),風(fēng)電穿透功率達(dá)到10%是可行的。風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響?風(fēng)電場(chǎng)短路容量比定義為風(fēng)電場(chǎng)額定容量與該風(fēng)電場(chǎng)與電力系統(tǒng)的連接點(diǎn)-PCC(pointof
common
coupling)的短路容量Ssc之比。短路容量表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱,短路容量大說明該節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)電源點(diǎn)的電氣距離小,聯(lián)系緊密。風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)的短路容量反映了該節(jié)點(diǎn)的電壓對(duì)風(fēng)電注入功率變化的敏感程度。風(fēng)電場(chǎng)短路容量比小表明系統(tǒng)承受風(fēng)電擾動(dòng)的能力強(qiáng)。歐洲國家給出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),短路容量比為3.3%~5%。風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響?制約風(fēng)電注入最大功率的主要因素—節(jié)點(diǎn)電壓越限提高風(fēng)電接入系統(tǒng)的電壓調(diào)整能力、適當(dāng)增加風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償量、采用X/R較小的聯(lián)絡(luò)線將有利于提高風(fēng)電場(chǎng)的最大注入功率。風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響對(duì)電能質(zhì)量的影響風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)電機(jī)組本身的運(yùn)行特性使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率是波動(dòng)的,有可能造成電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變、諧波以及周期性的電壓脈動(dòng)。對(duì)穩(wěn)定性的影響對(duì)于大量風(fēng)電存在的系統(tǒng),因?yàn)榇罅啃T量的風(fēng)電機(jī)組代替了常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組,系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性也發(fā)生了變化。現(xiàn)有的研究表明,定速風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)的震蕩有一定的阻尼作用,而變速風(fēng)電機(jī)組因?yàn)樽儞Q器的作用,風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦,阻尼作用被減弱。另外,系統(tǒng)故障時(shí),風(fēng)電機(jī)組可能因?yàn)殡妷骸㈦娏髟较藁蜣D(zhuǎn)速越限導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作,使風(fēng)電機(jī)組解列,系統(tǒng)將遭受更大的沖擊。風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響對(duì)保護(hù)裝置的影響功率雙向流動(dòng)風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線的功率流向有時(shí)是雙向的,因此風(fēng)電場(chǎng)繼電保護(hù)裝置的配置和整定應(yīng)充分考慮到這種運(yùn)行方式。故障電流的檢測(cè)當(dāng)風(fēng)場(chǎng)為逆步機(jī)時(shí),異步電機(jī)在發(fā)生近距離三相短路故障時(shí)不能提供持續(xù)的故障電流,在不對(duì)稱故障時(shí)提供的短路電流也非常有限。技術(shù)困難是如何很據(jù)有限的故障電流來檢測(cè)故障的發(fā)生,使保護(hù)裝置準(zhǔn)確而快速的動(dòng)作。風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響故障時(shí)對(duì)雙饋電機(jī)的影響從功率守恒的角度從磁場(chǎng)耦合的角度各國電網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)風(fēng)電接入的要求各國電網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)風(fēng)電接入的要求1.
對(duì)故障穿越的要求各國電網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)風(fēng)電接入的要求愛爾蘭的電網(wǎng)導(dǎo)則中對(duì)故障的持續(xù)時(shí)間最為苛刻,要求穿越的時(shí)間最長,丹麥的最短,僅100毫秒。但是丹麥的電網(wǎng)導(dǎo)則要求風(fēng)機(jī)在經(jīng)歷連續(xù)的電網(wǎng)故障下不脫網(wǎng)。德國的電網(wǎng)導(dǎo)則規(guī)定風(fēng)電場(chǎng)在接入點(diǎn)電壓降低后
0-150毫秒內(nèi)不準(zhǔn)脫網(wǎng),且必須向電網(wǎng)注入最高100%的無功電流。西班牙的電網(wǎng)導(dǎo)則同樣要求風(fēng)電場(chǎng)在故障穿越期間向電網(wǎng)注入無功電流。各國電網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)風(fēng)電接入的要求各國電網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)風(fēng)電接入的要求愛爾蘭各國電網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)風(fēng)電接入的要求丹麥德國英國各國電網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)風(fēng)電接入的要求西班牙西班牙意大利美國各國電網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)風(fēng)電接入的要求加拿大魁北克省加拿大亞伯達(dá)省各國電網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)風(fēng)電接入的要求中國即將執(zhí)行的“風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)”各國電網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)風(fēng)電接入的要求其他方面的要求有功功率控制。要求風(fēng)電場(chǎng)的出力變化速度低于一定的限制,分為爬坡/下降速率。頻率調(diào)節(jié)。具備一定的有功備用參與一次調(diào)頻,在系統(tǒng)頻率偏高的情況下通過投切實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)參與二次調(diào)頻。電壓控制。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償、電壓波動(dòng)、閃變、諧波、變壓器分接頭的調(diào)節(jié)提出明確要求。保護(hù)配置及整定。通信能力,等。以雙饋風(fēng)電機(jī)組為例的討論與分析當(dāng)前矢量控制策略及存在的問題當(dāng)前矢量控制策略及存在的問題當(dāng)前矢量控制策略及存在的問題1.
矢量控制的優(yōu)點(diǎn)有功功率和無功功率的解耦較好的動(dòng)、靜態(tài)性能矢量控制的缺點(diǎn)易受電機(jī)參數(shù)的影響電網(wǎng)故障情況下,動(dòng)態(tài)性能降低基于電網(wǎng)電壓定向或者定子磁鏈定向的控制策略,都認(rèn)為電網(wǎng)電壓
矢量us是恒定不變的,進(jìn)而定子磁鏈在忽略定子繞組電阻的情況下,與電壓矢量相差90°,且保持恒定。
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電網(wǎng)故障時(shí),電網(wǎng)電壓us在頻率和幅值上出現(xiàn)波動(dòng),影響定向的準(zhǔn)確性,動(dòng)態(tài)性能將受到很大的影響。當(dāng)前故障穿越的方法當(dāng)前低電壓穿越的方法1.
改進(jìn)的矢量控制----考慮到故障時(shí)定子電流變化的矢量控制策略s1 s(1)s rdt r
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1ψsd當(dāng)前故障穿越的方法當(dāng)前故障穿越的方法性能分析提高了故障狀態(tài)下對(duì)轉(zhuǎn)子電流的控制能力,但是對(duì)轉(zhuǎn)子電流的有效控制是以提高轉(zhuǎn)子電壓來實(shí)現(xiàn)的,容易造成直流側(cè)電壓的波動(dòng)。當(dāng)前故障穿越的方法2.
對(duì)零序、負(fù)序磁鏈的抵消由磁鏈方程(2)可以得出r srs sLLLL
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L )i*當(dāng)前故障穿越的方法3.
在正向、反向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上的聯(lián)合控制當(dāng)前故障穿越的方法首先建立在正向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的電機(jī)方程(13)sdsd
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1 r rd??當(dāng)前故障穿越的方法性能分析可控性強(qiáng),但是運(yùn)算復(fù)雜,其中包括多個(gè)旋轉(zhuǎn)變換和正序、負(fù)序的分離環(huán)節(jié),這些環(huán)節(jié)都有可能引入誤差降低控制性能。當(dāng)前故障穿越的方法內(nèi)??刂苾?nèi)??刂品椒ㄊ荊arcia和Morari于1982年首先正式提出,是一種基于過程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的新型控制策略。它的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)簡單,控制性能好和在系統(tǒng)分析方面的優(yōu)越性。無需精確的對(duì)象模型在引入濾波器后,系統(tǒng)有可能獲得較好的魯棒性(3)控制器參數(shù)調(diào)節(jié)方便。當(dāng)前故障穿越的方法當(dāng)前故障穿越的方法從傳遞函數(shù)(24)可以看出,如果且 ,則可以同樣可以獲得良好的跟蹤性能以及抗干擾能力。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Y
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1p p完全跟蹤輸入給定,排除干擾。
既使建模存在誤差,即
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(s)從傳遞函數(shù)(25)可以看出,只要
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1c p-1當(dāng)前故障穿越的方法性能分析內(nèi)??刂破魇腔谀P妥钚∠辔徊糠值哪妫谳斎胄盘?hào)的跟蹤響應(yīng)、外界擾動(dòng)的消除上并非是理想的控制器,而只能根據(jù)模型來設(shè)計(jì)濾波器的結(jié)構(gòu)、層次,并在濾波常數(shù)上進(jìn)行調(diào)整,在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)、穩(wěn)態(tài)誤差、擾動(dòng)消除和魯棒穩(wěn)定性之間取得一定的平衡。而濾波器的設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的。當(dāng)前故障穿越的方法5.
直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)直接轉(zhuǎn)矩控制是由I.Takahashi和T.Noguchi在1986年提出的。直接轉(zhuǎn)矩控制是在靜止坐標(biāo)中實(shí)現(xiàn)的,避免了旋轉(zhuǎn)變換??刂平Y(jié)構(gòu)簡單,控制手段直接。通過控制定、轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角來實(shí)現(xiàn)有功、無功功率的控制。s rms rs rmLmLm
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L2當(dāng)前故障穿越的方法當(dāng)前故障穿越的方法圖中AMM為轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算模塊,AMC根據(jù)轉(zhuǎn)子電壓、電流計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩T,DMC模塊產(chǎn)生IGBT觸發(fā)信號(hào)。AZS是零向量選擇器,在產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子磁鏈中插入零向量以控制轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度。ATR是一個(gè)施密特觸發(fā)器,根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩和反饋轉(zhuǎn)矩的比較,來旋轉(zhuǎn)DMC模塊和AZS模塊工作,來控制轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度,從而控制轉(zhuǎn)矩T在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。性能分析控制簡單,但是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大,并且一般認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確估計(jì)比較困難。當(dāng)前故障穿越的方法6.
直接功率控制(DPC)直接功率控制是80年代由TAKAHASHI提出的,可以認(rèn)為是直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制的結(jié)合。與直接轉(zhuǎn)矩控制的區(qū)別是,直接功率控制只對(duì)定子磁鏈進(jìn)行估計(jì),而直接轉(zhuǎn)矩控制需要對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行估計(jì),而轉(zhuǎn)子磁鏈的估計(jì)一般認(rèn)為比定子磁鏈的估計(jì)難度大。直接功率控制通過旋轉(zhuǎn)合適的轉(zhuǎn)子側(cè)電壓矢量來直接控制定子側(cè)的有功和無功功率,實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。ss r
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)(34)當(dāng)前故障穿越的方法當(dāng)前故障穿越的方法使用硬件電路的故障穿越方法轉(zhuǎn)子側(cè)保護(hù)兩相交流開關(guān)的CROWBAR采用兩相交流開關(guān)構(gòu)成的保護(hù)電路,其交流開關(guān)由晶閘管反向并聯(lián)構(gòu)成,當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)故障時(shí),通過交流開關(guān)短路轉(zhuǎn)子繞組,起到保護(hù)變流器的作用。采用這種電路時(shí),由于轉(zhuǎn)子電流中通常存在較大的直流分量,使晶閘管過零關(guān)斷的特性不再適用,可能會(huì)造成保護(hù)電路拒動(dòng),而且晶閘管吸收電路的設(shè)計(jì)也比較困難。當(dāng)前故障穿越的方法二極管整流橋和晶閘管構(gòu)成的CROWBAR由二極管整流橋和晶閘管構(gòu)成的保護(hù)電路,當(dāng)直流側(cè)電壓達(dá)到最大值時(shí),通過觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組的短路,同時(shí)斷開轉(zhuǎn)子繞組與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的連接,保護(hù)電路與轉(zhuǎn)子繞組一直保持連接,直到主回路開關(guān)將定子側(cè)徹底與電網(wǎng)斷開為止。這種電路控制簡單,但是晶閘管不能自行關(guān)斷,因此當(dāng)故障消除后,系統(tǒng)不能自動(dòng)恢復(fù)正常,必須重新并網(wǎng)。當(dāng)前故障穿越的方法主動(dòng)式保護(hù)電路上面2種電路都是被動(dòng)式保護(hù),難以適應(yīng)新的電網(wǎng)規(guī)則要求,因此可選用自關(guān)斷器件構(gòu)成的主動(dòng)式保護(hù)電路。為盡可能快地切除保護(hù)電路,可采用GTO、IGBT等自關(guān)斷器件,采用GTO和二極管構(gòu)成可控整流橋,或在二極管整流橋后采用IGBT和電阻構(gòu)成斬波器,這種保護(hù)電路使轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在電網(wǎng)故障時(shí)可以與轉(zhuǎn)子保持連接,當(dāng)故障消除后通過切除保護(hù)電路,使風(fēng)電系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運(yùn)行,因而具有更大的靈活性,但由于采用了全控制器件,成本會(huì)比較高.當(dāng)前故障穿越的方法三相交流開關(guān)和旁路電阻構(gòu)成的CROWBAR采用三相交流開關(guān)和旁路電阻構(gòu)成的保護(hù)電路,為故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)可能出現(xiàn)的大電流提供通路,采用這種電路,當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落發(fā)生及恢復(fù)時(shí),轉(zhuǎn)子側(cè)變流器可以與轉(zhuǎn)子保持連接,并保持運(yùn)行同步,當(dāng)故障消除后,切除旁路電阻使系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運(yùn)行。其中旁路電阻的取值比較關(guān)鍵,既要避免變流器直流側(cè)過壓,又要有效抑制轉(zhuǎn)子側(cè)過電流。當(dāng)前故障穿越的方法定子側(cè)保護(hù)定子側(cè)增加交流開關(guān)定子側(cè)增加交流開關(guān)構(gòu)成保護(hù)電路,與傳統(tǒng)的并網(wǎng)軟啟動(dòng)器相似,正常運(yùn)行時(shí),交流開關(guān)全部導(dǎo)通。為承受電壓跌落所帶來的大電流沖擊,轉(zhuǎn)子側(cè)變流器選用電流等級(jí)較高的大功率IGBT功率器件,發(fā)生故障時(shí),定子側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的暫態(tài)電流,此時(shí)通過控制晶閘管的觸發(fā)角對(duì)此電流進(jìn)行限制。使用這種方法時(shí),交流開關(guān)的通態(tài)壓降會(huì)造成系統(tǒng)效率降低,正常運(yùn)行時(shí)可以通過導(dǎo)通旁路繼電器、關(guān)閉交流開關(guān)來降低通態(tài)損耗。當(dāng)前故障穿越的方法串聯(lián)變流器DFIG-VSCF系統(tǒng)中所采用的背對(duì)背變流器通常都是與定子側(cè)并聯(lián),這表明變流器能夠向電網(wǎng)注入或者吸收電流,若采用上圖所示的電路結(jié)構(gòu),將變流器與電網(wǎng)串聯(lián)連接,則DFIG定子側(cè)的電壓是網(wǎng)側(cè)電壓和變流器輸出電壓之和,因此可以通過控制變流器的電壓來控制定子磁鏈,有效抑制由于電壓跌落所造成的磁鏈振蕩,從而阻止轉(zhuǎn)子側(cè)大電流的產(chǎn)生,減小系統(tǒng)受電網(wǎng)擾動(dòng)的影響,達(dá)到強(qiáng)化電網(wǎng)的目的。當(dāng)前故障穿越的方法直流側(cè)保護(hù)直流側(cè)增加卸荷負(fù)載在直流側(cè)增加卸荷負(fù)載,當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí),轉(zhuǎn)子側(cè)過流,電網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率受到限制,能量在直流側(cè)積累會(huì)造成直流側(cè)電壓升高,可能會(huì)損壞直流側(cè)電容和功率器件,此時(shí)投入卸荷負(fù)載,消耗掉直流側(cè)多余的能量,則可以保持電壓穩(wěn)定。常規(guī)的卸荷負(fù)載采用功率器件與電阻串聯(lián)的形式,這種保護(hù)電路,多余的能量通過電阻消耗掉。當(dāng)前故障穿越的方法直流側(cè)采用儲(chǔ)能設(shè)備為解決上面能量被白白地消耗掉的問題,直流側(cè)采用能量存儲(chǔ)設(shè)備(Energy
Storage
System,ESS),能量可雙向流動(dòng)的DC/DC變換器與直流側(cè)連接,隨著DFIG實(shí)際轉(zhuǎn)速的變化,既可以發(fā)送有功功率,又可以在必要條件下吸收有功功率,故障時(shí)可以把多余的能量存儲(chǔ)在ESS中。在直流側(cè)增加保護(hù)電路會(huì)在一定程度上加大轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的設(shè)計(jì)難度,必須增加轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的容量,以通過電網(wǎng)故障時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)的大電流,因此增加了成本,但同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)更好的控制策略創(chuàng)造了條件。當(dāng)前故障穿越的方法組合保護(hù)定子交流開關(guān)保護(hù)與直流側(cè)卸載將定子側(cè)采用交流開關(guān)保護(hù)與直流側(cè)卸荷負(fù)載方式組合使用,可以進(jìn)一步提高其的保護(hù)性能,當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時(shí),投入直流側(cè)卸荷負(fù)載,應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)過電流,穩(wěn)定直流側(cè)電壓,當(dāng)故障恢復(fù)時(shí),由定子側(cè)交流開關(guān)抑制定子側(cè)的過電流,與單純使用定子側(cè)保護(hù)電路比較,它可以進(jìn)一步提高可靠性。當(dāng)前故障穿越的方法定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)均采用旁路電阻在定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)都采用旁路電阻,當(dāng)電網(wǎng)故障發(fā)生及恢復(fù)時(shí),分別對(duì)定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的過電流進(jìn)行抑制,可以進(jìn)一步提高保護(hù)電路的可靠性。當(dāng)前故障穿越的方法轉(zhuǎn)子側(cè)旁路電阻與直流側(cè)卸負(fù)載將轉(zhuǎn)子側(cè)旁路電阻與直流側(cè)卸荷負(fù)載
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