宋成寶,楊嘯天,劉興華,趙法起

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東 泰安 271018

Crowbar電路對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)暫態(tài)過程的影響分析

宋成寶,楊嘯天,劉興華,趙法起

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東 泰安 271018

本文以Crowbar電路在雙饋異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)故障時(shí)對系統(tǒng)暫態(tài)的影響為研究對象，利用MATLAB/Simulink仿真平臺建立了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)模型，分析了Crowbar電路參數(shù)和切除時(shí)間對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越暫態(tài)過程的影響。仿真結(jié)果表明，選擇合適的Crowbar電路參數(shù)和故障后該電路的切除時(shí)間，能有效地減小暫態(tài)過程的直流分量，提高網(wǎng)側(cè)穩(wěn)定性和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)低電壓穿越能力。

風(fēng)力發(fā)電機(jī);Crowbar電路;電阻阻值;切除時(shí)間

我國陸地面積廣闊，海岸線長，探明的風(fēng)能資源非常豐富。最近幾年，風(fēng)電總裝機(jī)量迅速增加；2013年至今，總裝機(jī)容量穩(wěn)居世界第一位。普通風(fēng)電機(jī)組應(yīng)對電網(wǎng)故障的能力較弱，在電網(wǎng)電壓跌落或波動時(shí)會退出電網(wǎng)運(yùn)行，以保證機(jī)組自身安全。隨著風(fēng)電總裝機(jī)容量及并網(wǎng)容量的增長，由于其定子側(cè)與電網(wǎng)直接相連，當(dāng)電網(wǎng)故障引起電壓突降時(shí)，會導(dǎo)致DFIG定子側(cè)電壓驟降,并在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出較大的電流，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)出現(xiàn)過電流和過電壓，嚴(yán)重時(shí)可能損壞變流器和電機(jī)，風(fēng)電機(jī)組的上述運(yùn)行特性在電網(wǎng)故障時(shí)會喪失對電網(wǎng)電壓的支撐作用，并可能引起嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)，威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為保證電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，電網(wǎng)運(yùn)行單位要求并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組必須具有低電壓穿越能力，即電網(wǎng)故障發(fā)生后的一段時(shí)間內(nèi)，要保證風(fēng)電場繼續(xù)向電網(wǎng)送電，不脫離電網(wǎng)，甚至要向電網(wǎng)輸送一定的無功功率，來幫助快速恢復(fù)電網(wǎng)電壓[1]。眾多風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的學(xué)者認(rèn)為，風(fēng)電機(jī)組在設(shè)計(jì)、制造與控制技術(shù)上的最大挑戰(zhàn)就是低電壓穿越能力的提高，其決定了風(fēng)電資源能否被大規(guī)模利用。

本文中介紹的Crowbar電路能有效提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)在暫態(tài)過程中低電壓穿越能力，安裝在轉(zhuǎn)子側(cè)，可大幅減小轉(zhuǎn)子電流中的直流分量，保護(hù)發(fā)電機(jī)組免受大電流、大電壓的沖擊。文獻(xiàn)[2]-[4]中討論了Crowbar電路參數(shù)對系統(tǒng)的影響，但對整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析還不夠完善，沒有充分考慮其他相關(guān)參數(shù)的變化。

本文以雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG，Double-Fed Induction Generator）為研究對象，分析了電網(wǎng)正常運(yùn)行及故障期間Crowbar電路對發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)參數(shù)的影響。本文首先在MATLAB/Simulink中搭建包含Crowbar電路的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)模型，然后從Crowbar電路電阻阻值、切除時(shí)間兩個(gè)方面，分別討論電阻對轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響，以及切除時(shí)間對電磁轉(zhuǎn)矩、變流器轉(zhuǎn)子側(cè)電流、發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率及無功功率的影響，分析Crowbar電路對發(fā)電機(jī)暫態(tài)過程的影響。

1 MATLAB/Simulink中建立系統(tǒng)模型

1.1 Crowbar電路模型

Crowbar電路原理是利用可控元件（如IGBT）控制其保護(hù)電阻的投切。Crowbar電路分為被動式和主動式電路，被動式電路包括反并聯(lián)式、整流橋式；主動式電路包括反并聯(lián)式、整流橋式、混合式[5]。本文選取了主動式電路中的整流橋式（圖1），由二極管整流橋、IGBT、電阻構(gòu)成。

負(fù)載側(cè)故障時(shí)，電網(wǎng)電壓跌落，故障電流很大，當(dāng)Crowbar電路控制系統(tǒng)檢測到該過電流時(shí)，會開通Crowbar電路，并旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，DFIG運(yùn)行在異步機(jī)狀態(tài)。此時(shí)定轉(zhuǎn)子電阻以及放電電阻將使DFIG中的磁鏈暫態(tài)分量迅速衰減。由于轉(zhuǎn)子電流中含有一定的振蕩分量，不能在監(jiān)測到電流恢復(fù)正常時(shí)馬上切斷Crowbar回路，而是應(yīng)該在電流值恢復(fù)到限值后再經(jīng)過一段時(shí)間將Crowbar電路切除，使轉(zhuǎn)子側(cè)變流器恢復(fù)工作，此后發(fā)電機(jī)的輸出有功無功功率將根據(jù)故障下的電網(wǎng)實(shí)際電壓進(jìn)行調(diào)整[6]。

Crowbar電路的控制原理可見圖2的控制流程圖。從異步發(fā)電機(jī)參數(shù)中取轉(zhuǎn)子側(cè)電流信號，對其取絕對值，判斷電流幅值大小。當(dāng)其中一相相電流幅值大于1.2(p.u.)時(shí)，打開Crowbar電路，投入旁路電阻。之后對該電路閉鎖0.2 s，防止反復(fù)開關(guān)，引起振蕩。0.2 s后若電流幅值已經(jīng)降到0.8（p.u.）以下，關(guān)斷該電路，觸發(fā)電路的控制模型見圖3。

圖1 Crowbar電路示意圖Fig.1 The schematic Crowbar circuit

圖2 Crowbar電路控制流程圖Fig.2 Control process of Crowbar circuit

圖3 Crowbar電路觸發(fā)部分模型Fig.3 Trigger model of Crowbar circuit

1.2 風(fēng)電并網(wǎng)模型

為了研究 Crowbar電路在低電壓穿越時(shí)的作用，需建立風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。在MATLAB/Simulink中搭建如圖4所示的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型，該模型是由6臺1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，輸出額定電壓為575 V，發(fā)出的電能經(jīng)過變比為575V/35kV的升壓變壓器，通過長度為50 km的輸電線路并入無窮大電網(wǎng)。線路末端接有負(fù)載，負(fù)荷為10 MW。風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)見圖5，電力系統(tǒng)子模塊見圖6，其中B35為測量元件，用來獲取負(fù)載側(cè)電壓。電網(wǎng)故障起始時(shí)刻設(shè)為1.1 s，結(jié)束時(shí)刻設(shè)為1.3 s，短路點(diǎn)位置設(shè)在負(fù)載端，短路類型設(shè)為三相對稱接地短路，接地電阻為0.001 ?（以下電阻阻值不再標(biāo)明單位，默認(rèn)單位是?）。

參數(shù)設(shè)定完畢后，選擇離散算法，仿真起始時(shí)間設(shè)為0 s，仿真終止時(shí)間設(shè)為1.5 s，利用Powergui模塊設(shè)置采樣時(shí)間為0.05 ms。

圖4 實(shí)際風(fēng)電并網(wǎng)示意圖 Fig.4Actual wind power schematic

圖5 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)模型圖Fig.5 Wind power system model

圖6 電力系統(tǒng)模型圖Fig.6 The model of power system

2 Crowbar電路電阻阻值對故障后風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)的影響

Crowbar電路中電阻是一個(gè)核心元件，它的大小會影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行特性，現(xiàn)對轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參數(shù)進(jìn)行分析。

下面分別令r=0.001、0.01、0.03、0.05、0.1、0.5，得到轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的波形圖（圖7-圖12）。由圖7(a)、圖8(a)、圖9(a)、圖10(a)、圖11(a)、圖12(a)分析可以得出：

（1）故障后轉(zhuǎn)子電流陡升，但上升幅度不是隨電阻阻值線性變化。當(dāng)r≤0.03時(shí)，上升幅度隨電阻阻值的增加而減小，當(dāng)r＞0.03時(shí)，轉(zhuǎn)子電流躍升最大值穩(wěn)定在2(p.u.)左右。

（2）當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載側(cè)三相短路后，穩(wěn)態(tài)電流分量將會衰減，同時(shí)，由于勵磁不能突變，將會在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生很大的暫態(tài)感應(yīng)電流。穩(wěn)態(tài)電流衰減分量和暫態(tài)感應(yīng)電流分量疊加即為故障發(fā)生后轉(zhuǎn)子側(cè)的短路電流。當(dāng)電阻值較小時(shí)，轉(zhuǎn)子電流中的直流分量不能消耗掉，造成故障結(jié)束后轉(zhuǎn)子電流波形中還含有直流分量，不利于故障后系統(tǒng)的恢復(fù)[9]。

（3）電阻值的增大可以使轉(zhuǎn)子電流總體幅值下降，滿足線性關(guān)系。

綜上，取r=0.03，轉(zhuǎn)子電流最大幅值相對較小，利于優(yōu)化系統(tǒng)的暫態(tài)運(yùn)行特性和提高其故障后恢復(fù)能力。上述結(jié)論只局限在對轉(zhuǎn)子電流的分析，下面對電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析討論。

由圖7(b)、圖8(b)、圖9(b)、圖10(b)、圖11(b)、圖12(b)分析可知：

（1）故障發(fā)生后，電磁轉(zhuǎn)矩有一次較大的波動，但不同電阻值所對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩的波動情況又是不同的。在r≤0.03時(shí)，波動隨電阻阻值的增大而減小，當(dāng)r＞0.03后，波動幅度反而增大了。

（2）電磁轉(zhuǎn)矩的波動與轉(zhuǎn)子電流故障后的階躍幅度有一定的關(guān)系，當(dāng)電流的階躍幅值較大時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩的波動幅度也較大，當(dāng)階躍幅值減小后，波動幅度也跟著減小。

由圖7(c)、圖8(c)、圖9(c)、圖10(c)、圖11(c)、圖12(c)分析可知：

（1）隨電阻阻值的增大，轉(zhuǎn)速的變化沒有明顯的規(guī)律，且轉(zhuǎn)速變化也不是很明顯。

（2）轉(zhuǎn)速的變化與電磁轉(zhuǎn)矩的變化是相關(guān)的。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)值較小時(shí)，轉(zhuǎn)速升高的數(shù)值變大。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某個(gè)內(nèi)部限定值時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會脫網(wǎng)運(yùn)行，對低電壓穿越是不利的。

由圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12分析可知：

（1）Crowbar電路中電阻阻值的大小影響表征系統(tǒng)運(yùn)行特性的相關(guān)參數(shù)，本文選取了其中三個(gè)較為重要的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行分析。選擇合適的電阻阻值，能有效的減小負(fù)載側(cè)故障時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的波動。

（2）Crowbar電路安裝于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)，能影響發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流，同時(shí)也能影響定子電流，由電流可構(gòu)成發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁場，電流的變化必然要影響內(nèi)部磁場。

（3）磁場的變化會影響電磁轉(zhuǎn)矩的變化，在磁場發(fā)生較大變化的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩會發(fā)生振蕩，振蕩的幅度與電流的階躍幅值有關(guān)。

（4）電磁轉(zhuǎn)矩的變化會引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，轉(zhuǎn)子受到的力矩較小，在機(jī)械轉(zhuǎn)矩不變的情況下，必然會造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，嚴(yán)重時(shí)會造成風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。

總之，隨著Crowbar阻值的增大，最大轉(zhuǎn)子電流逐漸減小，其出現(xiàn)時(shí)間在半同步周期內(nèi)逐漸提前，但轉(zhuǎn)子側(cè)最大電壓逐漸升高；在保證網(wǎng)側(cè)變流器不過壓的情況下，若Crowbar阻值在合理范圍內(nèi)偏大且Crowbar在故障切除前退出運(yùn)行，則DFIG的低電壓穿越性能更好。

圖7 R=0.001Fig.7 R=0.001

圖8 R=0.01Fig.8 R=0.01

圖9 R=0.03Fig.9 R=0.03

圖10 R=0.05Fig.10 R=0.05

圖11 R=0.1Fig.11 R=0.1

圖12 R=0.5Fig.12 R=0.5

3 Crowbar電路的切除時(shí)間對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)的影響

在本文建立的系統(tǒng)模型下，取Crowbar電路電阻值為0.01，對Crowbar電路的不同切除時(shí)間進(jìn)行仿真，故障結(jié)束時(shí)間為1.3 s，利用階躍函數(shù)在1.28 s、1.30 s、1.32 s切除Crowbar電路[10,11]，得到系統(tǒng)參數(shù)波形（圖13，圖14，圖15）。

由圖13(a)、圖14(a)、圖15(a)分析可知：

（1）切除時(shí)間為1.28 s，在切除該電路后，電磁轉(zhuǎn)矩先下降，但到1.3 s故障結(jié)束后又出現(xiàn)了階躍，但因?yàn)榍谐龝r(shí)間的提前，使階躍幅值變小。

（2）切除時(shí)間為1.3 s，切除該電路時(shí)，即故障結(jié)束時(shí)，因電流的變化電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)階躍。

（3）切除時(shí)間為1.32 s，因電阻抑制了沖擊電流，所以電磁轉(zhuǎn)矩的階躍有效減小了。

圖13 t=1.28 sFig.13 t=1.28 s

圖14 t=1.30 sFig.14 t=1.30 s

圖15 t=1.32 sFig.15 t=1.32 s

由圖13(b)、圖14(b)、圖15(b)分析可知：

由圖13(b)可以明顯看出，因?yàn)樘崆扒谐鼵rowbar電路，造成轉(zhuǎn)子側(cè)出現(xiàn)電流的階躍，會對變流器造成沖擊。切除時(shí)間的延后可以減小切除電路后的電流變化，使變流器電流能夠穩(wěn)定恢復(fù)。

由圖13(c)、圖14(c)、圖15(c)分析可知：

切除時(shí)間的提前使有功功率的變化優(yōu)于另外兩種情況，波動幅度更小，輸出的有功功率恢復(fù)稍快，且沒有從電網(wǎng)吸收有功功率，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。在故障結(jié)束后，發(fā)電價(jià)從電網(wǎng)中吸收了有功功率，但因?yàn)榍谐龝r(shí)間的延后，吸收的有功功率有所減少，且波動幅度也較小。

由圖13(d)、圖14(d)、圖15(d)分析可知：

（1）Crowbar在故障切除前退出運(yùn)行與故障切除后退出運(yùn)行相比，前者的無功暫態(tài)擾動明顯小于后者，前者的機(jī)端電壓恢復(fù)速度明顯比后者快，因切除時(shí)間的不同，無功功率的波形變化較大。

（2）Crowbar在故障切除前退出運(yùn)行使得DFIG在故障切除后不僅從電網(wǎng)吸收的無功更少，而且隨后能向電網(wǎng)提供更多的無功支持，有利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。這是因?yàn)槿鬋rowbar過晚退出，則可能導(dǎo)致短路故障切除后Crowbar仍在運(yùn)行，此時(shí)，由于DFIG處于異步運(yùn)行狀態(tài)，DFIG將從電網(wǎng)吸收大量無功，不利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。

由圖13、圖14、圖15分析可知：

（1）切除時(shí)間的提前會造成電流的階躍，引起與電流相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)的變化，對系統(tǒng)穩(wěn)定性是不利的。但是從有功功率和無功功率來看，切除時(shí)間的提前使發(fā)電機(jī)輸出的功率較為穩(wěn)定。

（2）Crowbar在短路故障切除前退出運(yùn)行，DFIG的低電壓穿越效果更好，但也不能過早退出，因?yàn)檫^早退出將不能有效抑制轉(zhuǎn)子側(cè)的短路電流，同時(shí)也將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流暫態(tài)擾動過大。

4 總結(jié)

本文建立了包含Crowbar電路的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真模型，主要討論了Crowbar電路的電阻阻值和切除時(shí)間對系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。仿真結(jié)果表明，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，Crowbar阻值過小將不能有效抑制轉(zhuǎn)子側(cè)的短路電流，從而可能損壞轉(zhuǎn)子側(cè)變流器；Crowbar阻值過大，可能會導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)變流器的直流側(cè)出現(xiàn)過電壓，也會損壞網(wǎng)側(cè)變流器。通常，在合理取值范圍內(nèi)，Crowbar阻值越大對轉(zhuǎn)子側(cè)過電流的抑制效果就越明顯；同時(shí)，Crowbar電路中電阻的適當(dāng)選取同時(shí)可以減小電磁轉(zhuǎn)矩的波動；Crowbar電路在故障時(shí)切除時(shí)間提前會造成轉(zhuǎn)子電流的階躍，切除時(shí)間的延后可能會造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收系統(tǒng)中的有功和無功，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定和恢復(fù)，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體情況選擇合適的切除時(shí)間。

[1]秦原偉.變速恒頻雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究[D].上海:上海交通大學(xué),2012

[2]鄭建軍,廖 勇,楊艷蓉.Crowbar電阻取值對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)過渡過程影響的分析[J].大電機(jī)技術(shù),2013(6):27-33

[3]林冠吾,王貴鋒.基于Crowbar的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)LVRT仿真研究[J].電工電能新技術(shù),2013,32(3):46-50

[4]熊威,鄒旭東,黃清軍,等.基于Crowbar保護(hù)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)暫態(tài)特性與參數(shù)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(11):117-125

[5]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),2010

[6]王 倩,栗 然,申 雪,等.雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)Crowbar電路的投切控制策略優(yōu)化研究[J].華北電力技術(shù),2015(1):25-28,32

[7]陳 俊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)低壓穿越策略仿真研究[D].南昌:南昌大學(xué),2012

[8]楊 耕,鄭 重.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述[J].電力電子技術(shù),2011,45(8):32-36,59

[9]李增輝.DFIG低電壓穿越動態(tài)特性及穿越策略的研究[D].保定:華北電力大學(xué),2013

[10]蘇 平,張靠社.基于主動式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,2010,38(23):164-171

[11]栗 然,王 倩,盧 云,等.Crowbar阻值對雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)低電壓穿越特性的影響[J].電力自動化設(shè)備,2014,34(4):101-107

The Influence of Crowbar Circuit on Transient Process of Doubly Fed Wind Generator

SONG Cheng-bao,YANG Xiao-tian,LIU Xing-hua,ZHAO Fa-qi
College of Mechanical&Electrical Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China

This paper aimed to research the influence of Crowbar circuit to the transient process of power system when double fed induction generator(DFIG)unsuccessfully connected to the power system.Based on the software of MATLAB/ Simulink,a wind power grid model connected to the power system was established and the influence of Crowbar circuit resistance and removal time to the ability of low voltage ride through of wind grid was analyzed.The simulation results indicated that proper parameters and removal time of the Crowbar circuit could effectively reduce the DC component in the transient process and improve the stability of the wind grid and the ability of low voltage ride through of the wind grid.

DFIG;Crowbar circuit;resistance;clearing time

TM315

:A

:1000-2324(2017)03-0423-06

2015-09-07

:2015-09-15

山東省企校共建工科專業(yè)電氣工程與智能控制建設(shè)項(xiàng)目資助

宋成寶(1989-),女,講師.主要從事電力系統(tǒng)模擬仿真.E-mail:ziwei_s1@163.com