基于Crowbar的双馈异步风力发电系统低压穿越的仿真与分析

王 佳， 章跃进

(上海大学，上海 200072)

0 引言

作为节能环保的新能源，风力发电前景看好。随着风电装机容量在电力系统中所占比例的不断提高，其可靠性已不容忽视［1］。许多国家制定了接入电网风电系统运行的各项标准，其中就包括低压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)［2］，即当电网故障或扰动引起风电场并网点电压跌落时，在一定电压跌落范围内，风电机组能够不间断的并网运行。

在所有风电系统中。双馈风力发电机(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)应用最为广泛［3］，其优点为只有部分功率流过励磁变频器，有功、无功可单独调节。但是，正是由于变频器容量较小，使得它对电网故障非常敏感［4］。

在各种电网故障中，三相对地短路最为严重，电网故障会导致转子侧过流、过压，电机转矩、转速发生突变等一系列问题。

当电网故障不严重时，可以通过改变定、转子控制策略来实现LVRT。文献［5-6］通过控制转子电流抵消定子磁链直流分量的影响，来提高LVRT的能力。文献［7］在原有控制系统中加入了静止同步无功补偿(Static Synchronous Compensator，STATCOM)动态调节并网风电场的无功功率，实现双馈电机的LVRT。

当出现严重的电网故障，仅改进控制策略已难以控制过压、过流［8］。本文在转子侧加入Crowbar电路，在过流时触发开关，将转子侧变频器旁路从而保护电力电子器件。在此基础上，讨论了不同切除时刻对系统的影响。同时，在双馈电机逐渐向兆瓦级及更高功率发展时，本文运用仿真比较Crowbar电路在不同功率等级系统中的性能。

1 变速恒频双馈发电系统

DFIG在结构上类似绕线式异步电机，具有定、转子双套绕组，可以从定、转子两侧回馈能量，兼有同步发电机和异步发电机的特点，控制灵活性好，具有较强的调节能力［9］。

DFIG系统运行原理如图1所示，主要由风力机、齿轮箱、双馈异步发电机、双脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)以及变压器组成。DFIG定子绕组并入工频电网，转子绕组通过双PWM变频器与电网相连，成为一个频率、幅值、相位均可调的三相变频电源。

图1 变速恒频双馈发电机运行系统

式中:f1——定子频率;

f2——转子频率;

n2——跟随风机不断变化的转子转速;

p——极对数。

根据式(1)所示，可以通过控制转子侧励磁频率，在风速不断变化的过程中，保持定、转子磁链在空间位置上的相对静止，达到定子侧电压幅值、频率与电网始终保持一致的目的。

2 DFIG电网故障时的瞬态分析

变速恒频风力发电机实际上可认为是一个三端口能量转换系统，轴端输入机械能，定子向电网输出电能，转子的能量流向则由发电机的运行状况决定。当s＞0时，转子侧通过变频器电源向定子侧供电，当s＜0时，转子侧向电网反馈能量，功率流动关系如图2所示。

式中:Pwind——风机输入的机械功率;

Pr——转子输入或输出的功率;

Ps——定子向电网输出的功率;

P损耗——功率损耗。

图2 功率流动关系

根据双馈电机数学模型及定子磁链定向的矢量控制策略，忽略涡流损耗及铁耗，设定在dq轴坐标系下的Uds和ids为0则可以得到dq轴坐标系下的电压电流基本方程:

式中:Rs、Rr——定、转子绕组电阻;

Ls、Lr、Lm——定、转子等效自感及等效互感;

Uds、Uqs、Udr﹑Uqr——分别为定、转子电压dq轴分量;

ids、iqs、idr、iqr——分别为定、转子电流dq轴分量。

将式(3)、式(4)代入式(2)并整理，可得到风机输入功率与定子电流的关系:

当电网三相短路故障时，电压跌落严重，Uqs迅速减小，但转速及轴上风机输入的机械功率依然保持不变，则在电网故障的瞬间造成能量过剩，必将导致定子侧电流变化。此时根据磁链与电压的关系可知，定子磁链将减小。根据磁链守恒原理，定子侧将产生感生电流来阻碍由于电压跌落导致的磁链变化，定子磁链将产生呈指数衰减的暂态直流分量，如式(2)所示。由于电机定、转子绕组磁链间的强耦合作用，定子磁链暂态直流分量将会由于电机转子自身的高速旋转，切割转子产生感生旋转电势，导致转子侧过流、直流母线过压，从而破坏电力电子器件。

式中:φ's——发生故障时的定子磁链;

φs——故障前电子磁链;

φsdc——产生的磁链直流分量。

电网电压恢复时，定、转子绕组又将经历一个与之相反的逆过程，因此在电网电压跌落恢复时，转子侧同样会产生过压、过流。如图3、图4所示，电机进入稳态后0.5 s时刻，电网电压跌落并持续0.2 s后清除，其仿真结果与理论分析完全一致。

究其本质是由于风能过剩，导致磁链变化，而在电压跌落瞬间，磁场不能突变。这一电磁振荡过程剧烈程度和持续时间由电机参数、跌落深度、跌落前的转速等因素共同决定［10］。

图3 电网故障定子电压波形

3 变速恒频双馈发电系统的建模仿真

3．1 变速恒频双馈异步发电系统

图4 电网故障转子电流波形

本文采用定子磁场定向的空间矢量控制技术，在实现了最大风能追踪控制的同时，采取功率解耦控制，以便获得任意功率因数的电能来满足电网要求，使变速恒频双馈异步风力发电机系统能够灵活、高效地运行于各种不同的风速场合。变速恒频风力发电机并网控制系统如图5所示。

图5 变速恒频双馈风力发电控制系统

3．2 运用Crowbar电路的LVRT仿真模型

本文将在上述控制系统中模拟LVRT。Crowbar电路如图6所示。当电网发生故障，则上述控制系统的稳态平衡将被打破。当电网发生大值跌落时，风力机由于惯性较大，变桨矩系统不能快速调节，导致捕获的风能过剩，这部分多余能量如不及时消耗，则必将对整个系统乃至整个电网的稳定安全运行造成影响。

图6 Crowbar电路

本文采用可以在任意时刻切断转子回路的主动式Crowbar保护电路，为电网电压跌落期间，风机所捕获的多余能量提供释放通道。Crowbar保护电路由三相二极管整流桥、可关断器件IGBT及旁路电阻组成，通过检测转子侧过电流，来控制Crowbar电路的开通与关断，以此在电网大值跌落时，保护电力电子器件。

为验证Crowbar保护电路的有效性，选择额定功率为15 kW双馈电机:定子电阻0.379 Ω、定子漏感0.001 1 H、转子电阻0.314 Ω、转子漏感0.002 2 H、励磁电感 0.042 7 H、转动惯量0.39 kg·m2;以及额定功率为1.25 MW双馈电机:定子电阻0.003 09 Ω、定子漏感0.020 16 H、转子电阻0.020 16 Ω、转子漏感0.040 462 H、励磁电感0.901 5 H、转动惯量87 kg·m2的2台双馈电机来进行对比仿真。

在电机发生三相对称故障时，投入转子Crowbar保护电路，讨论三种不同切除时刻方案对系统LVRT性能的影响。随着电机容量不断增加，本文就Crowbar电路在两种功率等级系统中的性能进行比较，其中旁路电阻的选择参考文献［11］，按照相同规律选取。

3．3 不同切除时刻的Crowbar电路LVRT性能

在电机发生三相对称故障时，电网电压跌落80%，并且持续0.2 s故障时间。当检测到电网系统故障，转子侧过流1.2倍时投入转子Crowbar保护电路，并且比较三种不同切除时刻对LVRT性能的影响:切除时刻为故障后10 ms、15 ms、20 ms。

根据图7仿真结果可知:无论是哪个切除时刻，Crowbar电路都能有效抑制LVRT期间，由于捕获多余风能而造成的转子侧过压、过流，仿真验证了Crowbar电路的有效性。在电压跌落80%时，Crowbar电路将转子短接，为多余能量提供了释放回路，很好地保护了电力电子器件，保证了电网故障期间，双馈电机依然可以并网运行。

其次，根据图7和表1比较不同切除时刻Crowbar电路对LVRT性能的影响。对于转子d轴电流而言，越早切除Crowbar保护电路，即投入Crowbar保护电路的时间越短，可以避免在切除时刻电路由于要吸收更多的无功功率，而再一次的导致转子侧过电流。对于转子q轴电流而言，不同切除时刻，对其影响不大。从中也看到直流母线电压在切除时刻的波形，随切除时刻越晚则过冲越小，这是由于Crowbar投入时间越多，则消耗掉的多余能量也越多，切除时对变频器的影响就会越小。因此，其切除时刻要综合考虑各方面的因素，鉴于大多数电力电子器件具有一定的耐压能力，因此Crowbar的切除时刻应将过流因素放在首位，尽早切除。

图7 不同切除时刻DFIG各项波形

表1 不同切除时刻电流电压比较

3．4 不同功率等级系统中Crowbar电路LVRT性能的比较

分别选取额定功率为15 kW及1.25 MW的2台双馈电机，Crowbar电路形式相同，旁路电阻按照相同规则选取。电网电压跌落至20%，并且持续0.2 s。根据以上分析，切除时刻定为故障后10 ms。1.25 MW双馈电机系统中各项LVRT特性如图8所示。

图8 1.25 MW双馈电机系统中各项LVRT特性

从上述仿真结果可看出，随着电机功率的上升，Crowbar电路对低压穿越时的过流过压抑制作用逐步降低。一方面由于电机功率上升，风力机功率也随之增大。当电压跌落时，需要依靠Crowbar旁路电阻消耗的功率增大，在短时间内难以快速消耗，并且在机舱有限空间内，电阻发热严重。另一方面，电机功率等级上升后，体积质量增大，导致转动惯量增大。在电压下降的瞬间，电机状态不宜改变，Crowbar电路的抑制作用比起转动惯量较小的电机，抑制效果下降，实际应用应与控制策略结合来更好地实现LVRT。

4 结语

通过以上分析，证明了Crowbar电路的有效性。在电网电压瞬间骤降后，将双馈发电机转子短路，防止发电机转子回路的浪涌电流流入变频器，实现了对变频器的保护。同时，阻止了能量从发电机转子传递到直流母线中，有效抑制直流母线电压的升高。对于其切除时刻，应该将过流放在首位，尽早切除Crowbar电路。随着双馈电机不断的向更大功率发展，Crowbar电路可能需要与定、转子控制策略共同作用，来更好地实现LVRT。

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