楊睿碗，何志琴，周進(jìn)，馬文輝

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025）

0 引 言

在大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋電機(jī)占了很大比重，而且隨著雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量和裝機(jī)容量的不斷增大，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的相互影響變得越來(lái)越重要［1-2］。為了保護(hù)勵(lì)磁變頻器，通常采用在轉(zhuǎn)子側(cè)加裝主動(dòng)式Crowbar保護(hù)電路。而該保護(hù)電路中卸能電阻最優(yōu)值的選取一直是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

卸能電阻過(guò)大，會(huì)在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器上產(chǎn)生過(guò)電壓，不能保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，過(guò)小又不能限制轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流［3-4］。

本文建立了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)T型等效電路模型，討論了IGBT型 Crowbar保護(hù)電路中電阻阻值的選取范圍。并對(duì)電壓跌落情況下DFIG相應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析。

1 建模過(guò)程

1.1 IGBT型Crowbar保護(hù)電路

轉(zhuǎn)子側(cè)active IGBT型Crowbar保護(hù)電路拓?fù)洌ㄒ?jiàn)圖1）。每個(gè)橋臂由2個(gè)二極管串聯(lián)而成，直流側(cè)串入1個(gè)IGBT器件和一個(gè)吸收電阻。當(dāng)轉(zhuǎn)子過(guò)流時(shí)，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)給予IGBT的導(dǎo)通信號(hào)，從而通過(guò)直流端的電阻釋放能量，起到泄流保護(hù)作用［5］

圖1 IGBT型Crowbar保護(hù)電路Fig.1 Crowbar protection circuit based on IGBT

2 建模以及保護(hù)電路實(shí)驗(yàn)

在ABC坐標(biāo)系下，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)T型等效電路［6-7］（見(jiàn)圖2）。

圖2 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)T型等效電路Fig.2 DFIG T-type equivalent circuit

其電壓方程為：

磁鏈方程為：

其中：

將式（2）變換成用定轉(zhuǎn)子磁鏈表示定轉(zhuǎn)子電流形式如下：

通常情況下，DFIG的勵(lì)磁電感Lm遠(yuǎn)大于定、轉(zhuǎn)子漏電感Lδσ和Lδr，將此條件代入可得：

從而得出等效回路進(jìn)一步簡(jiǎn)化（轉(zhuǎn)子側(cè)接入Crowbar，不考慮瞬間運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)）如圖3所示。

圖3 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)等效電路圖簡(jiǎn)化模型Fig.3 Simplified model of equivalent circuit diagram of doubly fed wind generator

得出暫態(tài)的定轉(zhuǎn)子電流幅值表達(dá)式如下：

由于定轉(zhuǎn)子電阻相比Crowbar電阻小的多，可忽略得出定轉(zhuǎn)子電流的幅值為：

從而得出定、轉(zhuǎn)子電流的近似表達(dá)式

2.1 卻能電阻最優(yōu)值選擇

電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，接入Crowbar保護(hù)電路。定子、轉(zhuǎn)子此時(shí)電流的峰值與Crowbar中卸能電阻的阻值相關(guān)，若卸能電阻過(guò)大，故障電流的峰值就相應(yīng)越小。轉(zhuǎn)子側(cè)增加保護(hù)電路后的最大電流值小于轉(zhuǎn)子側(cè)正常運(yùn)行時(shí)電流的最大值［8］，即：

為防止直流母線(xiàn)電壓超過(guò)額定值而危害變換器的正常運(yùn)行。因此，Crwobar保護(hù)電路電阻上的電壓應(yīng)該小于直流母線(xiàn)可以承受的最大電壓［9-10］，即：

可得：

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得出Crowbar保護(hù)電路電阻的取值范圍，由公式可以看出其取值和諸多參數(shù)均相關(guān)包括發(fā)電機(jī)定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)電感電阻的大小。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)不同的電壓跌落深度轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)流值也不相同，正常電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)電流小于定子側(cè)電流，因此采取在轉(zhuǎn)子側(cè)增加保護(hù)電路方法更可行。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

本文通過(guò)建立雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）的數(shù)學(xué)模型來(lái)驗(yàn)證Crowbar保護(hù)電路。該模型主要包括直流電機(jī)、繞線(xiàn)式異步電機(jī)、鼠籠式異步電機(jī)、自耦變壓器、Crowbar保護(hù)電路、萬(wàn)用表、測(cè)速儀、控制柜、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字示波器、低電壓穿越發(fā)生電路，其他控制電路和實(shí)驗(yàn)用具若干。本文主要介紹了Crowbar保護(hù)電路。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬系統(tǒng)，由直流電機(jī)拖動(dòng)繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī)模擬雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)模擬風(fēng)速的變化，當(dāng)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)異步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，雙饋式異步電機(jī)處于超同步運(yùn)行狀態(tài)此時(shí).轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)輸出功率。當(dāng)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速低于繞線(xiàn)式異步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，DFIG處于亞同步運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)電網(wǎng)向轉(zhuǎn)子輸入功率。當(dāng)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速等于繞線(xiàn)式異步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，此時(shí)工作狀態(tài)與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)一樣。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Crowbar控制保護(hù)電路原理主要是當(dāng)電流霍爾傳感器檢測(cè)到電流有較大變化時(shí)，輸出一個(gè)高電平給電路控制器，控制器檢測(cè)到高電平信號(hào)輸出PWM

信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片，觸發(fā)Crowbar控制電路導(dǎo)通，實(shí)驗(yàn)中為了更明顯的效果在Crowbar保護(hù)電路接了一個(gè)紅色LED燈，在Crowbar控制電路導(dǎo)通時(shí)紅色LED燈亮，（見(jiàn)圖4）。

圖5中為驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸入PWM信號(hào)時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片變輸出+15 V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，紅色LED燈亮。

經(jīng)過(guò)測(cè)試IGBT電路可以正常運(yùn)行，當(dāng)IGBT導(dǎo)通以后轉(zhuǎn)子側(cè)所帶負(fù)載鼠籠式異步電機(jī)轉(zhuǎn)速明顯下降，證明一部分能量通過(guò)Crowbar保護(hù)電路中卸能電阻釋放掉了。

圖4 Crowbar實(shí)驗(yàn)電路Fig.4 Crowbar experimental circuit

圖5 驅(qū)動(dòng)信號(hào)Fig.5 Driver signal

3 LVRT仿真驗(yàn)證

為了深入研究active IGBT Crowbar保護(hù)電路在電壓跌落時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)。本文在MATLAB/Simulink中搭建一臺(tái)增加了IGBT型Crowbar保護(hù)電路的變速恒頻DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，仿真參數(shù)設(shè)置如下：

雙饋發(fā)電機(jī)（DFIG）：額定功率為參數(shù)：6×1.5/0.9 MW；線(xiàn)電壓為575 V；頻率50 Hz；定子電阻為0.007 06 p.u.；定子電抗為0.171 p.u.；轉(zhuǎn)子電阻為0.005 p.u.；轉(zhuǎn)子電抗為0.156 p.u.；發(fā)電機(jī)的慣性參數(shù)5.04 s；阻尼系數(shù)為0.013 p.u.（p.u.為標(biāo)么值）。

風(fēng)機(jī)參數(shù)為：額定功率為6×1.5 MW；跟蹤點(diǎn)風(fēng)速8 m/s；最大槳矩角45°；槳矩角最大變化率2°/s。仿真算法選擇Ode23tb，其他風(fēng)機(jī)參數(shù)默認(rèn)。

仿真中選擇Crowbar保護(hù)電路卸能電阻阻值為1.13Ω。

電網(wǎng)電壓發(fā)生三相對(duì)稱(chēng)故障，故障使得系統(tǒng)電壓跌落50%。1.2 s時(shí)故障發(fā)生，1.825 s時(shí)故障清除，持續(xù)0.625 s。Crowbar保護(hù)電路方案設(shè)定為：

方案1：電網(wǎng)電壓跌落50%未接入Crowbar；

方案2：電網(wǎng)電壓跌落時(shí)加裝 active IGBT型Crowbar保護(hù)電路。

3.1 方案1動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況

偶數(shù)圖6～圖14給出電網(wǎng)電壓跌落50%未接入Crowbar保護(hù)電路時(shí)的直流母線(xiàn)電壓、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電流、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓、風(fēng)機(jī)輸出有功功率、風(fēng)機(jī)輸出無(wú)功功率等參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)。由這些圖可以看出，故障發(fā)生前直流母線(xiàn)電壓有一定范圍波動(dòng)。在電壓跌落發(fā)生時(shí)和故障清除后一瞬間，直流母線(xiàn)電壓、轉(zhuǎn)子側(cè)電流、電壓等量都出現(xiàn)了很大的尖峰和明顯的振蕩。而且電壓故障恢復(fù)時(shí)各參數(shù)的振蕩更嚴(yán)重，在正常工作中，可能會(huì)觸發(fā)風(fēng)力發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)而自動(dòng)停車(chē)。以未接入Crowbar保護(hù)電路作為對(duì)比論述加裝Crowbar電路的必要性。

圖6 直流母線(xiàn)電壓Fig.6 DC bus voltage

圖7 加Crowbar電路直流母線(xiàn)電壓Fig.7 Plus Crowbar circuit DC bus voltage

圖8 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電流Fig.8 Fan rotor side current

圖9 加Crowbar電路轉(zhuǎn)子側(cè)電流Fig.9 Plus Crowbar circuit rotor side current

圖10 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓Fig.10 Fan rotor side voltage

圖11 加Crowbar電路轉(zhuǎn)子側(cè)電壓Fig.11 Plus Crowbar circuit rotor side voltage

圖12 風(fēng)機(jī)輸出有功功率Fig.12 Active power output of wind turbine

圖13 加Crowbar電路有功功率Fig.13 Plus Crowbar circuit active power

圖14 風(fēng)機(jī)輸出無(wú)功功率Fig.14 Output reactive power of wind turbine

3.2 方案2動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況

圖7、圖9、圖11、圖13、圖15為電網(wǎng)電壓跌落時(shí)加裝active IGBT型Crowbar保護(hù)電路的直流母線(xiàn)電壓、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電流、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓、風(fēng)機(jī)輸出有功功率、風(fēng)機(jī)輸出無(wú)功功率等參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)。在未發(fā)生故障前直流母線(xiàn)電壓在較小范圍內(nèi)波動(dòng)。仿真結(jié)果證明，Crowbar保護(hù)電路與電網(wǎng)電壓跌落同時(shí)投入，能量經(jīng)過(guò)三相整流橋流入卸能電阻，通過(guò)卸能電阻釋放掉。卸能電阻電壓與電流曲線(xiàn)分別如圖16和圖17所示。增加保護(hù)電路后的轉(zhuǎn)子側(cè)電流有明顯的減小，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓也較未增加保護(hù)電路有明顯的降低。

圖15 加Crowbar電路無(wú)功功率Fig.15 Plus Crowbar circuit reactive power

圖16 Crowbar電路卻能電阻電壓Fig.16 Crowbar circuit discharge resistance voltage

圖17 Crowbar電路卻能電阻電流Fig.17 Crowbar circuit discharge resistance current

4 結(jié)束語(yǔ)

Crowbar保護(hù)卸能路電阻R的阻值是影響Crowbar保護(hù)效果的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，給出其最優(yōu)取值范圍的推導(dǎo)，本文通過(guò)MATLAB/Simulink仿真搭建了變速恒頻DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型。仿真結(jié)果表明：

（1）使用Crowbar保護(hù)電路可以分擔(dān)一大部分能量，并通過(guò)卸能電阻釋放掉，繼而保護(hù)勵(lì)磁變換器；

（2）電壓跌落結(jié)束，電壓恢復(fù)正常以后，變換器可以立刻恢復(fù)正常工作狀態(tài)，恢復(fù)對(duì)電機(jī)有功、無(wú)功的控制作用；

（3）在電壓瞬間跌落時(shí)電機(jī)相應(yīng)的特性參數(shù)都有很大的尖峰和振蕩，程度和跌落深度成正比。