張　毅，齊新杰，買秀芳，徐立亮，常喜強(qiáng)，馬　瑞

(1.國(guó)網(wǎng)吐魯番供電公司，新疆 吐魯番　838000；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力調(diào)度通信中心，新疆 烏魯木齊　830002)

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Crowbar電路對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響

張毅1，齊新杰1，買秀芳1，徐立亮1，常喜強(qiáng)2，馬瑞1

(1.國(guó)網(wǎng)吐魯番供電公司，新疆 吐魯番838000；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力調(diào)度通信中心，新疆 烏魯木齊830002)

隨著天然氣、石油等傳統(tǒng)能源面臨枯竭，空氣污染不斷加劇的局面，迫使人們尋找一種無污染型的新型能源作為傳統(tǒng)能源的替代者。在國(guó)家能源戰(zhàn)略的扶持下，近幾年，風(fēng)電等清潔能源得到了飛速發(fā)展，然而，在風(fēng)電快速發(fā)展的同時(shí)也暴露出了很多不足和漏洞。針對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓跌落的脆弱性，基于轉(zhuǎn)子側(cè)加入Crowbar保護(hù)電路雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，通過Crowbar保護(hù)電路的投切仿真分析，研究了Crowbar保護(hù)電路對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響。

Crowbar電路；雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；短路；仿真

近年來，隨著電力電子技術(shù)的日益發(fā)展、人們對(duì)清潔能源的大力支持，風(fēng)電等低成本、零污染的清潔能源得到了快速發(fā)展。風(fēng)電單機(jī)容量由千瓦級(jí)跨越到兆瓦級(jí)，中國(guó)總裝機(jī)容量呈現(xiàn)出跨越式的增長(zhǎng)趨勢(shì)。風(fēng)電裝機(jī)比例不斷上升，風(fēng)電機(jī)組出力的突變性對(duì)電網(wǎng)的影響不可低估，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下了隱患。為了提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，國(guó)家電網(wǎng)公司也出臺(tái)了一系列政策保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。中國(guó)對(duì)于并網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組要求有一定的低電壓穿越能力，即電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)(一定的范圍內(nèi))，要求風(fēng)電機(jī)組必須并網(wǎng)運(yùn)行，不得脫網(wǎng)。

國(guó)內(nèi)外已有不少專家學(xué)者開展了Crowbar保護(hù)電路對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組影響的研究工作。文獻(xiàn)[1]對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越能力以及加裝Crowbar保護(hù)電路后的低電壓穿越能力進(jìn)行分析對(duì)比，得到加裝保護(hù)電路可以使得雙饋機(jī)組在短路故障時(shí)電壓跌落幅度較小，從而起到保護(hù)電路的作用。文獻(xiàn)[2]對(duì)Crowbar保護(hù)電路阻值的選取進(jìn)行分析，并對(duì)不同數(shù)值下的低電壓穿越效果進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[3]對(duì)故障期間電壓跌落不同程度的雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子電流與電壓變化特性進(jìn)行仿真分析。文獻(xiàn)[4]對(duì)Crowbar保護(hù)電路阻抗的選取方法以及數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[1-4]對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越以及Crowbar電路阻值的選取進(jìn)行了仿真分析，并沒有對(duì)Crowbar保護(hù)電路加入后雙饋風(fēng)電機(jī)組的各種運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。綜合而言，對(duì)改善雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力還需進(jìn)一步的研究分析。

首先對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、Crowbar保護(hù)電路的工作原理進(jìn)行分析；隨后提出Crowbar保護(hù)電路的投切方法；最后對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在Crowbar保護(hù)電路動(dòng)作后，與普通異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以及Crowbar保護(hù)電路不動(dòng)作時(shí)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。

1　含Crowbar電路的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其較高的風(fēng)能利用率得到了廣泛應(yīng)用。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能其電壓幅值與頻率是時(shí)刻變化的，故不能直接并網(wǎng)或供用戶使用，必須將其通過AC-DC-AC變流器轉(zhuǎn)換成電壓、頻率恒定的交流電才能使用。雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子側(cè)通過變頻器接入電網(wǎng)，從而可以為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，在控制系統(tǒng)的作用下達(dá)到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤。定子側(cè)直接連接于電網(wǎng)中，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生各種短路故障時(shí)將會(huì)導(dǎo)致定子側(cè)出現(xiàn)大電流。受制于磁鏈?zhǔn)睾愣傻募s束，定子側(cè)出現(xiàn)的大電流將會(huì)通過定轉(zhuǎn)子之間的強(qiáng)耦合作用帶動(dòng)轉(zhuǎn)子側(cè)電流也相應(yīng)地升高[5-6]。變頻器等電力電子設(shè)備容易受過電流等外界因素的損壞；為了防止大電流對(duì)電力電子設(shè)備的破壞，現(xiàn)階段較常用的方法就是在轉(zhuǎn)子側(cè)電路中加入Crowbar電路，通過耗能電阻將過電流產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移，從而起到保護(hù)變頻器等電力電子設(shè)備的作用[7-8]。加裝Crowbar保護(hù)電路的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　加裝Crowbar電路的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1Crowbar電路

Crowbar電路是由反向并聯(lián)的晶閘管與耗能電阻串聯(lián)而成，接于轉(zhuǎn)子側(cè)起到保護(hù)變頻器的目的。其基本工作原理是通過晶閘管的開斷控制耗能電阻的投切，當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)電流值增大到一定的數(shù)值后，晶閘管觸發(fā)信號(hào)動(dòng)作，電流流過耗能電阻將轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器短接[1]。此時(shí)，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因變流器的轉(zhuǎn)子側(cè)失控而運(yùn)行在轉(zhuǎn)子側(cè)加裝電阻串的異步電機(jī)狀態(tài)，起到保護(hù)變流器的目的；當(dāng)短路電流衰減到一定的數(shù)值時(shí)，晶閘管的觸發(fā)信號(hào)將會(huì)關(guān)斷，耗能電阻退出運(yùn)行系統(tǒng)，變頻器再現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制功能。

1.2Crowbar電路控制系統(tǒng)

圖2　所提出的Crowbar投退診斷流程

2　Crowbar電路的運(yùn)行狀態(tài)分析

2.1Crowbar投入時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)

Crowbar投入時(shí)，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器被耗能電阻短路，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)失去轉(zhuǎn)子側(cè)變流器系統(tǒng)的控制而運(yùn)行于外加串聯(lián)電阻的普通異步機(jī)狀態(tài)[9-10]。此時(shí)短路電流變化趨勢(shì)類似于異步電機(jī)的短路電流，即都包含衰減的直流及衰減的交流分量，且最終都將衰減到0。由于耗能電阻的保護(hù)作用，故障電流的初始值相較于異步電機(jī)將會(huì)減小，轉(zhuǎn)子衰減時(shí)間常數(shù)小，短路電流中的基頻交流分量衰減快。

2.2Crowbar未投入時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)

系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，晶閘管因觸發(fā)信號(hào)失靈等外部原因沒有導(dǎo)通的情況下，Crowbar仍處于未投運(yùn)狀態(tài)。此時(shí)，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變流器及其控制系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，故障電流的大小受限于變流器控制系統(tǒng)。由于耗能阻抗鉗制電壓的存在，故障電流相較于未加裝Crowbar保護(hù)電路的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生很大的變化。由于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用的是感應(yīng)電機(jī)，只有轉(zhuǎn)子側(cè)與變頻器相連，電路故障時(shí)短路電流的變化還會(huì)有異步電機(jī)短路故障電流變化特性的存在；加之轉(zhuǎn)子側(cè)外加耗能電阻的存在，通過對(duì)耗能電阻端電壓的控制可以調(diào)節(jié)機(jī)組的輸出功率，使輸出功率保持在某一恒定值，因此又具有同步機(jī)的短路電流特性。

3　仿真分析

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，搭建了總裝機(jī)容量為49.5 MW(1.5 MW×33)的風(fēng)電場(chǎng)仿真模型。機(jī)組采用恒功率因數(shù)的控制模式，出口功率因數(shù)控制為1。雙饋風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)如表1所示。為了驗(yàn)證Crowbar保護(hù)電路對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越的效果，在仿真時(shí)間t=0.5 s時(shí)，在風(fēng)電場(chǎng)升壓變的低壓側(cè)設(shè)置了三相短路故障。

表1　雙饋風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)

3.1Crowbar投入時(shí)的仿真分析

在故障發(fā)生的瞬間，Crowbar保護(hù)電路將變頻器轉(zhuǎn)子側(cè)短路，并一直沒有退出。就雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與普通異步機(jī)組在該故障下的波形進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3　Crowbar投入時(shí)，雙饋機(jī)組與普通機(jī)組定子電流變化

圖4　Crowbar投入時(shí)，雙饋機(jī)組與普通機(jī)組端電壓變化

圖3和圖4可以看出，在相同的短路故障下，Crowbar保護(hù)電路投入雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，相較于普通異步機(jī)組有以下2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)短路電流的初始值相較于普通異步機(jī)組甚??；2)短路電流的衰減速度比普通異步機(jī)組快。仿真結(jié)果顯示了短路電流的大小以及動(dòng)態(tài)特性，從兩者的變化特性充分驗(yàn)證了Crowbar保護(hù)電路的有效性。

3.2Crowbar未投入時(shí)的仿真分析

在故障發(fā)生的瞬間，因其他因素的影響，Crowbar保護(hù)電路沒有動(dòng)作，雙饋風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)的電流變化如圖5所示。

由圖5可以看出，故障時(shí)電流表現(xiàn)出急劇增大-下降-上升的變化趨勢(shì)，由于磁鏈值的衰減使得電流表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，電流在下降的過程中，受制于雙饋機(jī)組的控制系統(tǒng)又出現(xiàn)上升的趨勢(shì)；定子電流衰減速度很快，在故障后的一個(gè)周期內(nèi)(t=0.02s)，短路電流衰減到?jīng)_擊電流的1/2。

圖5　Crowbar電路未動(dòng)作，雙饋風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)的電流波形

4　結(jié)　論

對(duì)加裝Crowbar保護(hù)電路的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，并通過與普通異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的分析對(duì)比驗(yàn)證了理論分析的正確性，為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

[1]周志宇, 郭鈺鋒. 基于Crowbar電路的雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013,45(4)：122-128.

[2]栗然, 王倩, 盧云,等. Crowbar阻值對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)低電壓穿越特性的影響[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2014, 34(4):101-107.

[3]馬佳騮. 基于Crowbar電路的雙饋機(jī)低電壓穿越特性仿真分析[J]. 洛陽理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012,22(3):54-58.

[4]盧沁雄, 韓如成, 李輝. 雙饋型風(fēng)電機(jī)組的Crowbar仿真研究[J]. 電氣技術(shù), 2014(4):35-37.

[5]孫紅雨,黃勇，馬佳藝.基于雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)概述[J].西北水電,2012(4):60-62.

[6]周羽生, 鄭劍武, 向軍,等. 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器聯(lián)合控制策略[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2014, 26(4):25-29.

[7]李建林, 趙棟利, 李亞西,等. 適合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, 2006,24(5):57-60.

[8]劉云, 胡曉輝, 劉亞麗,等. 基于Crowbar的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)LVRT仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2014,30(4)：47-52.

[9]徐明輝, 李澤滔, 陶金. 基于Crowbar保護(hù)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越研究[J]. 電氣技術(shù), 2014(6):48-51.

[10]胡娜. 基于CROWBAR電路的雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制策略研究[D]. 天津：河北工業(yè)大學(xué), 2011.

張毅(1989)，碩士研究生，從事電網(wǎng)運(yùn)行工作。

With the depletion of natural gas, petroleum and other traditional energy sources and the constantly intensifying situation of air pollution, it forces people to look for a new type of non-pollution energy as a replacement of traditional energy. In recent years, wind power and other clean energy get rapid development under the support of the national energy strategy. However, when wind power is in the rapid development, it also exposes many shortcomings and flaws. Aiming at the vulnerability of doubly-fed wind power generation system, based on the simulation model of doubly-fed wind power generation system with Crowbar protective circuit adding in rotor side, and through the simulation analysis of the switching of Crowbar protective circuit, the influence of Crowbar protective circuit on doubly-fed wind power generation system is studied.

Crowbar circuit; doubly-fed wind power generation system; short circuit; simulation

TM614

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1003-6954(2016)03-0032-03

2016-01-16)