魏麗麗，晁 勤，袁鐵江

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆，烏魯木齊 830047)

0 引言

當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)導(dǎo)致端電壓驟降，引起轉(zhuǎn)子過(guò)流、轉(zhuǎn)速的升高以及電磁轉(zhuǎn)矩的劇烈振蕩，使雙饋機(jī)組從電網(wǎng)中脫離，進(jìn)而可能導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)的崩潰，所以保持風(fēng)機(jī)短時(shí)間持續(xù)并網(wǎng)非常重要。針對(duì)此問(wèn)題國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種控制策略，文獻(xiàn)［1］提出利用串聯(lián)制動(dòng)電阻在電網(wǎng)故障時(shí)提升風(fēng)電機(jī)組的端電壓并吸收過(guò)剩有功功率進(jìn)而提高風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力;文獻(xiàn)［5］提出在改進(jìn)控制策略的基礎(chǔ)上加入靜止無(wú)功補(bǔ)償器的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)機(jī)的低電壓穿越功能;文獻(xiàn)［6］提出一種改進(jìn)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變換器控制算法和定子磁鏈的消磁方法來(lái)改善雙饋機(jī)的低電壓運(yùn)行特性;文獻(xiàn)［11］提出了基于電機(jī)暫態(tài)磁鏈補(bǔ)償技術(shù)的控制策略，控制轉(zhuǎn)子電流空間矢量和相應(yīng)的漏磁場(chǎng)分量，以抵消定子磁鏈中的暫態(tài)直流分量和負(fù)序分量以避免轉(zhuǎn)子過(guò)電流;文獻(xiàn)［12］提出采用定子側(cè)電力電子開(kāi)關(guān)的方法，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)將電機(jī)定子暫時(shí)與電網(wǎng)切斷，直到電網(wǎng)電壓恢復(fù)到一定值之后再快速重新并網(wǎng)，以避免電壓突變給電機(jī)帶來(lái)的電磁振蕩和轉(zhuǎn)子過(guò)壓等問(wèn)題，并且不會(huì)消耗額外的電網(wǎng)無(wú)功功率;文獻(xiàn)［16］提出定子側(cè)加裝串聯(lián)電抗，以提高電機(jī)定子側(cè)的端電壓，從而達(dá)到抑制磁鏈振蕩的目的。雖然針對(duì)低電壓穿越提出了很多控制策略和方案，但目前主要采用Crowbar電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓跌落時(shí)變速恒頻雙饋風(fēng)機(jī)的不間斷運(yùn)行。

1 Crowbar的類型

Crowbar開(kāi)關(guān)是借鑒國(guó)際測(cè)試領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)，利用電容器的瞬間對(duì)大電感放電，當(dāng)電流達(dá)到峰值時(shí)，觸發(fā)Crowbar開(kāi)關(guān)，使電流延續(xù)通過(guò)從而達(dá)到較長(zhǎng)的放電形式的一種方式。按照所用元件的不同，Crowbar分為主動(dòng)式(active)和被動(dòng)式(passive)兩種類型，其中Passive Crowbar保護(hù)中使用的器件是晶閘管，而Active Crowbar保護(hù)中采用IGBT，主要的區(qū)別在于能否強(qiáng)制關(guān)斷。Passive Crowbar是一種自我保護(hù)形式的Crowbar電路，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障引起轉(zhuǎn)子電流升高時(shí)會(huì)觸發(fā)Crowbar保護(hù)動(dòng)作使風(fēng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)脫離電網(wǎng)，一旦Crowbar保護(hù)電路動(dòng)作后難以自動(dòng)關(guān)斷，一般需要雙饋電機(jī)定子從電網(wǎng)脫離以及轉(zhuǎn)子電流衰減殆盡后，晶閘管才能回到其阻斷狀態(tài)，等并網(wǎng)條件滿足時(shí)雙饋電機(jī)才能重新并網(wǎng)運(yùn)行。Active Crowbar是一種自關(guān)斷保護(hù)，當(dāng)端電壓驟降導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)電流或直流母線電壓增大到預(yù)定的閾值時(shí)觸發(fā)IGBT開(kāi)關(guān)元件動(dòng)作，同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中所有開(kāi)關(guān)器件被關(guān)斷，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器被短接，使得轉(zhuǎn)子故障電流只能流過(guò)Crowbar保護(hù)電路，使雙饋式網(wǎng)機(jī)(DFIG，doubly-fed wind turbine)在短時(shí)間內(nèi)持續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)DFIG轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子變換器直流電壓降低到保護(hù)值以下時(shí)，保護(hù)電路的開(kāi)關(guān)器件再次動(dòng)作，DFIG就從鼠籠式異步電機(jī)的恒速運(yùn)行狀態(tài)過(guò)渡到變速運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了一定的低壓穿越(low voltage ride through，LVRT)能力。

2 電網(wǎng)故障時(shí)DFIG的瞬態(tài)變化分析

圖1為簡(jiǎn)化的DFIG的結(jié)構(gòu)圖，其中雙饋電機(jī)的定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過(guò)交直交變換器與電網(wǎng)相連。

圖1 簡(jiǎn)化的DFIG結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障引起機(jī)端電壓驟降時(shí)，由于DFIG的定子直接與電網(wǎng)相連導(dǎo)致雙饋發(fā)電機(jī)的定子電壓跌落，同時(shí)引起轉(zhuǎn)子電流的增大，并且使DFIG的電磁轉(zhuǎn)矩和輸出功率下降，電磁轉(zhuǎn)矩的減小必定導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的上升，而轉(zhuǎn)子電流的不斷增加會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)電壓升高，網(wǎng)側(cè)變換器的電壓以及有功、無(wú)功功率也都會(huì)產(chǎn)生振蕩。因?yàn)槎穗妷旱湟鸬倪^(guò)流會(huì)損壞變換器，而過(guò)壓會(huì)損壞發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，為了保護(hù)DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)的變換器，采用過(guò)流過(guò)壓保護(hù)是非常關(guān)鍵的。

3 現(xiàn)有的Crowbar保護(hù)電路

3.1 轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護(hù)電路

轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護(hù)電路目的是當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓驟降時(shí)，為了保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，立刻投入Crowbar保護(hù)裝置，為轉(zhuǎn)子側(cè)的浪涌電流提供回路，以達(dá)到限制轉(zhuǎn)子變流器過(guò)流和轉(zhuǎn)子繞組過(guò)電壓的作用，從而保持雙饋電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)不脫網(wǎng)運(yùn)行。目前轉(zhuǎn)子側(cè)典型的Crowbar電路有以下3種。

圖2 轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護(hù)電路

(1)混合型Crowbar電路(如圖2a)。每個(gè)橋臂由二極管和GTO串聯(lián)組成，直流側(cè)串有吸收電阻。當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，Crowbar保護(hù)電路不動(dòng)作，當(dāng)有故障產(chǎn)生引起轉(zhuǎn)子過(guò)流、過(guò)壓時(shí)，Crowbar保護(hù)電路迅速投入電路工作，短路轉(zhuǎn)子側(cè)變流器使轉(zhuǎn)子旁路形成回路，分擔(dān)轉(zhuǎn)子上的部分電流和電壓，從而起到保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的作用。

(2)IGBT型Crowbar電路(如圖2b)。每個(gè)橋臂由兩個(gè)二極管串聯(lián)組成，直流側(cè)由一個(gè)IGBT和一個(gè)吸收電阻串接而成。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，Crowbar保護(hù)電路不工作，當(dāng)轉(zhuǎn)子過(guò)流或轉(zhuǎn)速升高時(shí)，在檢測(cè)信號(hào)的作用下導(dǎo)通IGBT，使Crowbar電路投入運(yùn)行，吸收電阻消耗過(guò)剩的能量，起到泄流保護(hù)作用。

(3)旁路電阻型電路(如圖2c)。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，通過(guò)功率開(kāi)關(guān)器件將旁路電阻連接到轉(zhuǎn)子回路中，這就為電網(wǎng)故障期間所產(chǎn)生的大電流提供了一個(gè)通路，從而達(dá)到限制轉(zhuǎn)子過(guò)電流，保護(hù)變流器的作用。

3.2 直流側(cè)Crowbar保護(hù)電路

直流側(cè)Crowbar保護(hù)電路并聯(lián)在電容的兩端，當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，Crowbar保護(hù)電路不工作。當(dāng)電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)，導(dǎo)致直流側(cè)輸入功率大于輸出功率，此時(shí)Crowbar電路立刻投入運(yùn)行，消耗直流側(cè)多余的能量，以限制直流側(cè)電壓的上升，從而保護(hù)了直流母線電容和變流器的安全。其直流側(cè)典型Crowbar電路有以下3種。

圖3 直流側(cè)Crowbar保護(hù)電路

(1)直流側(cè)Crowbar電路(如圖3a)。當(dāng)電網(wǎng)電壓突然降低時(shí)，引起轉(zhuǎn)子過(guò)電流，過(guò)電流流過(guò)直流母線電容，引起電容電壓的波動(dòng)，同時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器控制直流母線電壓的能力減弱，不能及時(shí)將轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)剩的能量傳遞到電網(wǎng)上，可能導(dǎo)致直流母線電壓迅速上升，從而危害直流母線電容的安全。此時(shí)投入直流Crowbar保護(hù)電路，利用電阻消耗轉(zhuǎn)子側(cè)多余的能量，為過(guò)剩能量提供適當(dāng)?shù)耐ǖ溃乐怪绷髂妇€電壓過(guò)高。

(2)帶BUCK的Crowbar電路(如圖3b)。當(dāng)電網(wǎng)電壓突然降落時(shí)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過(guò)流和直流母線電容過(guò)壓，此時(shí)使用BUCK電路能有效降低直流母線電壓和吸收轉(zhuǎn)子側(cè)多余的能量，從而保證了變流器的安全。

(3)帶UPS的Crowbar電路(如圖3c)。在電網(wǎng)電壓下降時(shí)使用UPS(uninterruptible power supply)維持直流母線電壓一定范圍內(nèi)，UPS中的ESS(energy storage system)使用超級(jí)電容儲(chǔ)能，當(dāng)直流側(cè)電壓升高時(shí)，通過(guò)變換器把多余的能量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能設(shè)備中;當(dāng)直流側(cè)電壓下降時(shí)，通過(guò)電力電子開(kāi)關(guān)把儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，為超級(jí)電容器充電，同時(shí)可以利用儲(chǔ)能設(shè)備的能量為電網(wǎng)提供有功功率，實(shí)現(xiàn)能量雙向利用，保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。

4 Crowbar電阻大小的選取

Crowbar電路中的電阻Rc的選取很重要，Rc阻值選擇越大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流衰減越快，但過(guò)大的Rc會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)變流器中功率開(kāi)關(guān)器件和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的交流側(cè)過(guò)電壓，從而會(huì)損壞變流器，并使直流母線電壓振蕩幅值增大;而阻值過(guò)小不能起到限制轉(zhuǎn)子過(guò)電流的作用，而且可能故障清除后Crowbar仍在運(yùn)行。對(duì)此相關(guān)文獻(xiàn)中列出了選擇Crowbar電阻Rc的兩條基本原則:一是Rc應(yīng)足夠大，以達(dá)到限制轉(zhuǎn)子故障電流幅值的要求;二是不應(yīng)過(guò)大，避免電流經(jīng)轉(zhuǎn)子變流器上反并聯(lián)二極管向直流母線充電，造成直流母線電壓陡升。由文獻(xiàn)［16］可知Crowbar電阻的最佳選擇范圍如下。

1)Rc在整定范圍的最小值

2)Rc在整定范圍的最大值

式中，Us為定子電壓幅值;Udc為直流母線正常工作上限值;Lσ為定轉(zhuǎn)子總漏磁，即 Lσ=Lσs+Lσr;Isafe取1.2倍轉(zhuǎn)子額定電流;ωs為同步電機(jī)角速度。

3)結(jié)合式(1)和式(2)的計(jì)算可得到電阻Rc的合理取值范圍，即為了對(duì)短路電流的抑制效果更好，Rc一般在合理取值范圍內(nèi)取較大值，即Rc=λRcmax，其中λ為安全裕度系數(shù)，一般取0.9～0.95。在合理范圍內(nèi)選取Crowbar阻值，既可以有效抑制故障期間的轉(zhuǎn)子過(guò)電流，又有助于故障后的電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

5 Crowbar投切時(shí)間選擇

當(dāng)電網(wǎng)故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流或直流母線電壓增大到預(yù)定的閾值時(shí)觸發(fā)IGBT開(kāi)關(guān)元件動(dòng)作，這時(shí)Crowbar保護(hù)電路投入，同時(shí)旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變換器使轉(zhuǎn)子故障電流只能流過(guò)Crowbar保護(hù)電路，消耗多余能量，從而保持雙饋機(jī)組的不脫網(wǎng)運(yùn)行。

Crowbar的切出時(shí)間是LVRT控制的重要指標(biāo)，過(guò)早或過(guò)晚切除Crowbar都會(huì)對(duì)DFIG的LVRT效果產(chǎn)生較大影響，因此Crowbar切出時(shí)間的選擇很關(guān)鍵。由文獻(xiàn)［17］、［18］可知 Crowbar保護(hù)電路應(yīng)在故障清除前切出，而且Crowbar的切出時(shí)間離故障清除時(shí)間越短，系統(tǒng)的響應(yīng)越理想。這樣可以使得機(jī)端電壓、DFIG電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)速、直流側(cè)電壓、定子側(cè)有功功率和無(wú)功功率的振蕩最小，系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間最短，從而提高了故障清除后電網(wǎng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

6 結(jié)語(yǔ)

Crowbar保護(hù)電路雖然在實(shí)現(xiàn)低電壓穿越時(shí)簡(jiǎn)單可行，而且不對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生影響而被廣泛應(yīng)用，但難點(diǎn)在于Crowbar電阻的選擇，阻值選擇過(guò)大或過(guò)小都會(huì)對(duì)低電壓穿越能力產(chǎn)生很大影響，此外Crowbar保護(hù)電路中增加了許多硬件設(shè)備，大幅度地增加了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行成本，因此隨著低電壓穿越技術(shù)的發(fā)展，改進(jìn)Crowbar結(jié)構(gòu)或?qū)で笃渌鼮楹?jiǎn)單有效便宜的方法來(lái)提高低電壓穿越的可靠性也是非常必要的。

［1］王虹富，林國(guó)慶，邱家駒，等.利用串聯(lián)制動(dòng)電阻提高風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(18):81-85.

［2］李建林，趙棟利，李亞西，等.適用于變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的Crowbar對(duì)比分析［J］.可再生能源，2006(5):57-60.

［3］徐殿國(guó)，王偉，陳寧.基于撬棒保護(hù)的雙饋電機(jī)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越動(dòng)態(tài)特性分析.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(22):29-36.

［4］Abbey C，Joos G.Effect of Low Voltage Ride Through(LVRT)Characteristic on Voltage Stability［J］.IEEE Trans on Industry Applications，2005，41(3):1-7.

［5］李建林，孔德國(guó)，趙斌，等.一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制方法:中國(guó)，200810106044［P］.2008-09.

［6］向大為，楊順昌，冉立.電網(wǎng)對(duì)稱故障時(shí)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行的勵(lì)磁控制策略［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(3):164-170.

［7］張學(xué)廣，徐殿國(guó).電網(wǎng)對(duì)稱故障下基于active crowbar雙饋發(fā)電機(jī)控制［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，13(1):99-103.

［8］胡家兵，孫丹，賀益康，等.電網(wǎng)電壓驟降故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模與控制［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(8):21-26.

［9］關(guān)宏亮，趙海翔，遲永寧，等.電力系統(tǒng)對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組承受低電壓能力的要求［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(7):78-82.

［10］Moren J，Haan SWH.Ride-through of Wind Turbines with Doubly-fed Induction Generator During a Voltage Dip［J］.IEEE Trans.on Energy Conversion，2005，20(120):435-441.

［11］Da Wei，Xiang，Li Ran，Tavner PJ，Yang S.Control Of a Doubly-fed Induction Generator in a Wind Turbine During Grid Fault Ride-through［J］.IEEE Trans.Energy Conversion，2006(21):652-662.

［12］Ekanayake JB，Holdsworth L，Wu X，et al.Dynamic Modeling of Doubly-fed Induction Generator Wind Turbines［J］.Power System，IEEE Trans，2003(18):803-809

［13］Petersson A，Lundberg S，Hiringer T.A DFIG Wind Turbine Ride-through System Influence on the Energy Production［J］.Wind Energy，2005，8(3):251-263.

［14］蔣雪冬，趙舫.應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓驟降的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)撬棒控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(12):84-89.

［15］徐殿國(guó)，王偉.基于撬棒保護(hù)的雙饋電機(jī)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越動(dòng)態(tài)特性分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，22(30):29-36.

［16］Xiangwu Yan，Giri Venkataramanan，Yang Wang，et al.Grid-fault Tolerant Operation of a DFIG Wind Turbine Generator Using a Passive Resistance Network［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(10):2896-2905.

［17］張靠社，王媛，胡德海.基于Crowbar保護(hù)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越研究［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2011，10(27):66-71.

［18］孔憲國(guó)，劉宗歧.基于主動(dòng)式Crowbar的雙饋風(fēng)電機(jī)組LVRT性能優(yōu)化分析［J］.現(xiàn)代電力，2012，29(1):77-81.

［19］蘇平，張靠社.基于主動(dòng)式IGBT型Crowbar的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)LVRT仿真研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，23(38):164-171.