文 | 桑晨亮

（作者單位：天津龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司）

電網(wǎng)友好型風(fēng)電機(jī)組要求在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，如電網(wǎng)電壓跌落或驟升，風(fēng)電機(jī)組在規(guī)定時(shí)間內(nèi)具備不脫網(wǎng)運(yùn)行能力，并對(duì)電網(wǎng)提供無(wú)功支撐。根據(jù)電網(wǎng)電壓故障的類型，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)要求的故障穿越包括低電壓穿越及高電壓穿越，標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。

為滿足風(fēng)電機(jī)組故障穿越的要求，風(fēng)電變流器均安裝有撬棒電路，并配合軟件策略升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)故障穿越。

撬棒電路如圖2和圖3所示。一般情況下，直驅(qū)機(jī)組采用全功率變流器，僅需要如圖2所示的直流側(cè)撬棒電路即可滿足故障穿越要求。雙饋機(jī)組采用雙饋?zhàn)兞髌鳎ǔＴ陔姍C(jī)側(cè)變流器添加如圖3所示的撬棒電路，或稱為Crowbar電路，在直流側(cè)增加如圖2所示的撬棒電路，二者配合實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)電壓故障穿越功能。

撬棒電路一般包括電力電子控制單元和撬棒電阻。其中，撬棒電阻起到吸收暫態(tài)能量，抑制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器過(guò)流（雙饋機(jī)組）和直流側(cè)過(guò)壓（雙饋機(jī)組及全功率機(jī)組）。根據(jù)機(jī)組功率的不同，電阻短時(shí)吸收的能量可達(dá)幾兆焦，短時(shí)大能量沖擊使得電阻溫升急劇增大。撬棒電阻一般由硅鋼片構(gòu)成，允許溫升可達(dá)數(shù)百攝氏度（圖4）。

由于我國(guó)風(fēng)電機(jī)組多處于電網(wǎng)末梢，電能質(zhì)量較差，風(fēng)電機(jī)組可能存在連續(xù)多次故障穿越，使得撬棒電路連續(xù)多次投入。由于熱量得不到釋放，電阻溫升會(huì)進(jìn)一步增大，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)800℃。高溫可導(dǎo)致電阻片變形，電阻片熔斷后可引起附近電氣部件燒毀，極端情況下可能引發(fā)火災(zāi)。因此，在滿足風(fēng)電機(jī)組故障穿越的同時(shí)，需要對(duì)撬棒電阻進(jìn)行能量保護(hù)，確保電阻吸收能量不超過(guò)設(shè)計(jì)值。

本文在不增加硬件電路的情況下，通過(guò)軟件策略優(yōu)化，對(duì)撬棒電路電阻吸收能量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和累計(jì)，可做到限制保護(hù)，避免撬棒電路失效，降低變流器及機(jī)組的安全風(fēng)險(xiǎn)。

優(yōu)化方案

如圖5所示，以變流器直流側(cè)撬棒電路為例（雙饋?zhàn)兞髌鬓D(zhuǎn)子側(cè)撬棒電路可理解為交流整流電路加直流側(cè)撬棒電路），在變流器直流側(cè)撬棒電路控制上一般采用滯環(huán)控制，當(dāng)直流側(cè)電壓高于設(shè)定值時(shí)投入，當(dāng)直流側(cè)電壓低于設(shè)定值時(shí)切出。當(dāng)撬棒電路投入時(shí)，圖5中能量累計(jì)計(jì)算器實(shí)現(xiàn)能量累加；當(dāng)撬棒切出時(shí)，撬棒電阻通過(guò)輻射、傳導(dǎo)方式進(jìn)行散熱，能量減少。能量累計(jì)計(jì)算器輸出當(dāng)前時(shí)刻撬棒電阻所吸收的能量值，并將其與能量滯環(huán)比較器設(shè)定的值進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)滯環(huán)限制時(shí)，輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)禁止撬棒電阻再投入；當(dāng)?shù)陀跍h(huán)限制時(shí)，允許撬棒電阻投入，從而確保撬棒電阻所吸收能量在允許的范圍內(nèi)，避免損壞。滯環(huán)上限受卸荷電阻能量極限限制，最小值根據(jù)實(shí)際需要保證可穿越最惡劣情況下的電網(wǎng)跌落故障即可。

算法實(shí)現(xiàn)

控制器算法框圖如圖6所示。其中，Vdc為直流側(cè)電壓，Qin代表撬棒電阻吸收能量，Qout代表撬棒電阻釋放能量，Qsum代表該時(shí)刻制動(dòng)電阻能量和，Qmax代表允許的最大能量，Qmin代表為滿足故障穿越所需要的最小能量，SS代表開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

首先，要計(jì)算一個(gè)控制周期T內(nèi)卸荷電阻累加或者減少的能量值。當(dāng)卸荷處于投入狀態(tài)時(shí)，母線電壓Vdc通過(guò)卸荷開(kāi)關(guān)加在卸荷電阻R兩端，因?yàn)樾逗呻娏骱艽?，卸荷電流在電阻上產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)大于卸荷電阻自然散熱釋放的能量，故卸荷單周期累加能量值近似為：

當(dāng)卸荷處于切出狀態(tài)時(shí)，卸荷電阻通過(guò)輻射、傳導(dǎo)及強(qiáng)制冷卻方式進(jìn)行散熱。已知卸荷電阻最大能量沖擊值Qmax和兩次最大能量沖擊必須的最小時(shí)間間隔Tinterval，計(jì)算卸荷單周期減少能量近似值為：

將經(jīng)硬件濾波器濾波后的直流母線電壓 ，分別輸入電壓滯環(huán)比較器和能量累計(jì)計(jì)算器。電壓滯環(huán)比較器邏輯為：

其中，SSv（n－1）表示前一控制周期輸出值。電壓滯環(huán)比較器輸出值作為邏輯與的第一個(gè)輸入值。同時(shí)，控制器從邏輯與的輸出端讀取當(dāng)前卸荷開(kāi)關(guān)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)延遲環(huán)節(jié)得到前一個(gè)控制周期的卸荷開(kāi)關(guān)狀態(tài)。能量累計(jì)計(jì)算器分別對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)0（導(dǎo)通）和狀態(tài)1（截止）計(jì)數(shù)，當(dāng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)為1時(shí)，則使Qsum累加一次Qin值；當(dāng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)為0時(shí)，則使Qsum累加一次Qout值。Qsum經(jīng)過(guò)0≤Qsum≤Qmax的限幅輸入至能量滯環(huán)比較器，其邏輯為：

其中，SSq（n－1）表示前一控制周期輸出值。能量滯環(huán)比較器輸出值作為邏輯與的第二個(gè)輸入值。由最終輸出值驅(qū)動(dòng)卸荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作，1為導(dǎo)通，0為截止。

通過(guò)軟件策略優(yōu)化，可實(shí)時(shí)計(jì)算撬棒電阻當(dāng)前累計(jì)的能量值，通過(guò)與設(shè)定值相比，可計(jì)算出仍能吸收的能量。在不超過(guò)能量限制的情況下，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的多次故障穿越。在風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際故障穿越中，特別是高電壓穿越，往往伴隨著先低穿、后高穿的情況，撬棒電路需要多次工作，本文的控制策略可實(shí)現(xiàn)對(duì)多次工作的安全監(jiān)控。變流器依據(jù)撬棒電阻的當(dāng)前時(shí)刻能量值，使能或禁止撬棒電路工作，并可將狀態(tài)值反饋至變流器控制器中，實(shí)現(xiàn)變流器整體的安全保護(hù)。

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)風(fēng)電變流器撬棒電路提出了一種基于電阻能量的軟件保護(hù)策略。該策略不增加硬件成本，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)撬棒電阻的吸收能量，確保電阻能量在允許的范圍內(nèi)，降低了電阻過(guò)熱損壞和變流器發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。