宋雨倩 趙 猛 馬芳芳

1.華北電力大學自動化系 河北 保定 071003；2.江蘇科技大學計算機學院 江蘇 鎮(zhèn)江 212003

0 引言

隨著風電事業(yè)的迅速發(fā)展，風電機組必須具備一定的故障運行能力。目前，雙饋異步風力發(fā)電機組（DFIG）以其變流器容量小、有功功率和無功功率可獨立調(diào)節(jié)的特點，在風電場中廣泛應用。新的入網(wǎng)規(guī)程要求，在電網(wǎng)發(fā)生故障如電網(wǎng)電壓跌落時，風力發(fā)電機系統(tǒng)須能保持不間斷運行［1－3］。因此，研究雙饋異步風力發(fā)電機組低電壓穿越能力具有重要的現(xiàn)實意義，而目前實現(xiàn)低電壓穿越最有效的方法是采用Crowbar保護電路。

本文闡述了雙饋異步風力發(fā)電機在電網(wǎng)電壓脫落時的暫態(tài)過程，列舉分析了兩種類型的Crowbar保護電路，并研究了影響Crowbar電路保護效果的因素，以期對雙饋異步風電系統(tǒng)的Crowbar保護方案做進一步的探索和研究。

1 電網(wǎng)電壓跌落時DFIG的瞬態(tài)特性

雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)原理圖如圖1所示。Crowbar電路的每個橋臂都有兩個串聯(lián)二極管，直流側(cè)由IGBT和吸收電阻串聯(lián)而成。在電網(wǎng)故障期間，Crowbar電路能夠使得轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器與轉(zhuǎn)子處于連接狀態(tài)，當故障消除時又能夠迅速切出系統(tǒng)，使系統(tǒng)快速恢復正常運行。

圖1 雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)

當電網(wǎng)電壓跌落時，在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)會產(chǎn)生過電流，轉(zhuǎn)子側(cè)電流迅速增加，會造成直流側(cè)電壓升高，以及發(fā)電機側(cè)有功、無功功率的震蕩；當故障消除后，雙饋發(fā)電機從電網(wǎng)吸收無功功率來恢復氣隙磁鏈，導致定子側(cè)注入較大的定子電流，造成發(fā)電機端電壓降低。因此，當電壓跌落等事故發(fā)生時，必須采取一定的保護措施，以防電壓跌落等事故發(fā)生時，造成器件的損壞［4］。

在電網(wǎng)電壓跌落時，Crowbar電路將發(fā)電機的轉(zhuǎn)子短路，防止轉(zhuǎn)子電流流入變流器，同時防止能量從發(fā)電機轉(zhuǎn)子傳遞到直流母線中，抑制直流母線電壓的升高［5］，實現(xiàn)對變流器的保護。

2 CROWBAR保護電路

2.1 CROWBAR電路分類

按照保護電路采用開關(guān)元件的不同，Crowbar電路分為主動式和被動式電路。下面分別對這兩種類型的Crowbar電路進行分析。

1）被動式Crowbar電路

被動式Crowbar電路，即所謂的“晶閘管”保護電路，主要有兩種結(jié)構(gòu)類型，如圖2所示。

圖2 被動式Crowbar電路

圖a所示的電路由兩個晶閘管反并聯(lián)構(gòu)成。當電網(wǎng)電壓跌落時，轉(zhuǎn)子回路發(fā)生過電流或過電壓，此時晶閘管被觸發(fā)導通，從而在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)構(gòu)成閉合回路來保護轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。但是在電網(wǎng)故障時，轉(zhuǎn)子電流的直流分量很大，使得晶閘管執(zhí)行過零關(guān)斷的特性受到限制，極可能出現(xiàn)保護電路拒動作。另一種被動式Crowbar電路結(jié)構(gòu)如圖b所示，當發(fā)生電網(wǎng)故障時，將轉(zhuǎn)子繞組短接進行保護。這種類型的保護電路中晶閘管與轉(zhuǎn)子連接，因此在故障期間無法切除，只有當定子側(cè)開關(guān)斷開，風電機組從電網(wǎng)解列，轉(zhuǎn)子側(cè)故障電流為零時晶閘管才能斷開。故障切除后需重新并網(wǎng)。

由此可看出兩種被動式Crowbar電路的共同點在于：在故障期間Crowbar電路都是一直工作，難以關(guān)斷，當發(fā)生電網(wǎng)故障時，保護電路一直與轉(zhuǎn)子連接，此時雙饋電機作為鼠籠式異步電機運行，故障排除后，可控硅關(guān)斷，風電機組需要重新并網(wǎng)。在電網(wǎng)故障時，雙饋發(fā)電機運行于普通鼠籠式異步電機的狀態(tài)，需從電網(wǎng)中吸收大量無功，對電網(wǎng)電壓的恢復非常不利［6－7］。

2）主動式Crowbar電路

新的電網(wǎng)導則規(guī)定：風電機組必須在電網(wǎng)電壓跌落期間保持連網(wǎng)，只有在電網(wǎng)電壓跌落至限制線以下時，才允許解列。并且在此過程中，向電網(wǎng)提供一定的無功電流，以支撐電網(wǎng)電壓。這就需要Crowbar保護電路能夠快速的切入切出系統(tǒng)。為了盡可能快的切除保護電路，由此就出現(xiàn)了主動式Crowbar電路。主動式Crowbar電路的關(guān)斷器件大多采用SCR、GTO、IGBT，從而使得保護電路能夠快速的切入切出，滿足新的入網(wǎng)規(guī)則對發(fā)電系統(tǒng)的要求。圖3所示的是四種主動式Crowbar電路結(jié)構(gòu)。

圖3 主動式Crowbar電路

圖a是在二極管整流橋后采用IGBT和電阻構(gòu)成斬波器，這種保護電路使轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在電網(wǎng)故障時可以與轉(zhuǎn)子保持連接，當故障消除后，通過切斷保護電路，使風力發(fā)電系統(tǒng)快速恢復正常運行。圖b采用三相交流開關(guān)和旁邊電阻構(gòu)成的保護電路，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，當電網(wǎng)電壓跌落發(fā)生及恢復時，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器可以與轉(zhuǎn)子保持連接，并保持運行同步，當故障消除后，切除旁路電阻，使系統(tǒng)快速恢復正常運行。圖c為采用GTO二極管構(gòu)成可控整理橋，這種電路與圖a相似，具有很大的靈活性。圖d所示的電路由三相二極管整流橋、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）及旁路電阻R組成，整流橋與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子相連接。旁路電阻的取值比較關(guān)鍵，這方面內(nèi)容將在

2.2 小節(jié)中進行詳細分析［8］。

基于上述分析，可以得出主動式Crowbar電路的共同點：①故障期間，風電機組與電網(wǎng)保持連接，實現(xiàn)了雙饋發(fā)電機在電網(wǎng)故障期間的不間斷運行。②可隨時切出保護電路，即可在故障排除前切出，也可在電網(wǎng)恢復正常后切出。在圖a、c、d中，應當慎重選取旁路電阻R的阻值，阻值過小將起不到保護作用，阻值過大又會導致過電壓，威脅到變流器的使用安全。

將兩類Crowbar電路進行對比，可以得出以下結(jié)論：

（1）在電壓跌落期間，被動式Crowbar電路電機轉(zhuǎn)子繞組保持短路，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器始終閉鎖，風電機組解列；而主動式Crowbar電路電機轉(zhuǎn)子繞組選擇性短路，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器選擇性閉鎖，風電機組不解列。

（2）被動式Crowbar電路是在電機解列后退出系統(tǒng)，電機不提供無功支持；而主動式Crowbar電路是躲在故障電流后退出，且電機選擇性的提供無功支持。

2.2 改進的旁路系統(tǒng)保護電路

圖4是改進的旁路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖4 改進的旁路系統(tǒng)保護電路

定子側(cè)增加交流開關(guān)構(gòu)成保護電路，與傳統(tǒng)的并網(wǎng)軟起動器相似。系統(tǒng)正常工作時，功率器件全部處于導通狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器選用IGBT器件；故障發(fā)生時，將導致定子側(cè)變流器有很大的暫態(tài)電流，可以調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)延遲角，限制暫態(tài)電流。圖b是將圖a與直流側(cè)卸荷負載組合使用，應對轉(zhuǎn)子側(cè)過電流，穩(wěn)定直流側(cè)電壓；故障恢復時，由定子側(cè)交流開關(guān)抑制定子側(cè)的過電流，與圖a的單純使用定子側(cè)保護電路相比較，圖b可以進一步提高可靠性［9］。

2.3 影響CROWBAR電路保護效果的因素

影響Crowbar電路保護效果的因素有四種：①故障發(fā)生時電壓跌落的幅度；②在故障發(fā)生前，雙饋異步發(fā)電機穩(wěn)定運行的狀況；③當電壓檢測電路檢測到電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，Crowbar電路投入運行的投切時刻；④在不同類型的Crowbar保護電路中，旁路電阻的選擇。前兩種因素的影響效果是無法改變的，而為了提高保護效果，必須從后兩種影響因素著手，選擇最佳的投切時刻及最優(yōu)的旁路電阻以達到較好的保護效果。

1）Crowbar電路的投切時刻

電網(wǎng)電壓跌落時，Crowbar電路切入雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)，并開始工作，此時，轉(zhuǎn)子變流器閉鎖，發(fā)電機相當于普通異步電機，會從電網(wǎng)吸收大量的無功功率。故障排除后，Crowbar保護電路切出系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輔助電網(wǎng)恢復。由此可見，在電網(wǎng)電壓故障期間，Crowbar電路的投切時刻影響著系統(tǒng)向電網(wǎng)提供無功支持的能力。由文獻［10－11］可知，Crowbar電路的投切時刻選擇原則是：基于保護變流器的基礎上，切入時間越少，向電網(wǎng)輸出無功功率的能力越好。這樣可以減小系統(tǒng)的振蕩，使系統(tǒng)盡快恢復正常運行。

2）Crowbar電路保護電阻的選擇

前面已經(jīng)提到，在選擇旁路電阻的阻值時要綜合考慮。雖然選取阻值大的旁路電阻有助于提高低電壓穿越能力，但是，旁路電阻并非越大越好，旁路電阻過大有以下缺點：

（1）Crowbar電路切入系統(tǒng)后，直流側(cè)電容反充電。增大旁路電阻后，直流側(cè)兩端的電壓也相應增大，變流器將有過電壓的危險。

（2）旁路電阻阻值過大會導致系統(tǒng)功耗過大，需要加入散熱裝置，增加了系統(tǒng)成本。

因此，選擇Crowbar電路旁路電阻有兩條基本原則：①R應足夠大，以達到有效抑制轉(zhuǎn)子過流的要求；②R不應過大，避免引起直流母線電壓超過安全范圍［12］。

3 結(jié)論

目前，基于雙饋異步發(fā)電機（DFIG）的風力發(fā)電系統(tǒng)，已被當前的風電工業(yè)界所廣泛接受。為了滿足新的入網(wǎng)規(guī)程的要求，必須對電網(wǎng)電壓跌落期間雙饋異步發(fā)電機的低電壓穿越能力進行研究。本文首先分析了電網(wǎng)電壓跌落的情況下DFIG的瞬態(tài)特性，繼而總結(jié)、評價了Crowbar保護電路的兩種類型，最后指出了影響Crowbar電路保護效果的因素，以期對雙饋異步風電系統(tǒng)的低電壓保護方案的選擇和實現(xiàn)做進一步的探索和研究。

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