一种新型的能量回馈型DFIG低电压穿越Crowbar拓扑

杨恩星

（上海电气输配电集团，上海200042）

风力发电在我国装机容量不断增加，大规模的风电机组入网会对电力系统的电网电压稳定、电能质量、继电保护以及电网一系列的稳定性带来不可忽略的影响，尤其是陆上风电基本处于电力网末端，属于典型的弱电网，风电机组占比越高，电网的稳定性问题尤为突出。

电网电压对地或者相间短路造成的电网电压跌落是电网的一种常见故障，早期的解决方案是风电机组检测到电网电压跌落会自动脱网和电网解列以保护风电机组。当电网较弱时，大面积的风电机组脱网，会从电网吸收无功，从而加剧电网的故障。因此，电网运营商提出了更加严格的风电机组并网规范，要求在外部电网故障下风电机组不间断运行和具有一定的频率、无功和电压控制能力。在电网电压出现连续的对称和不对称短路故障时保持与电网连接，并向电网提供无功支撑，协助电网电压快速恢复［1］。

国家电网当前即将出台的低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）新标准中，除了要求在规定时间内不脱网运行，还规定了有功恢复和无功支撑技术指标。

（1）标准LVRT曲线如图1所示。图1中，轮廓线以上的区域，风电机组需要保证不间断并网运行，并网点在轮廓线以外时允许机组脱网。

图1 低电压穿越曲线

（2）无功支撑能力。当电网电压发生20%～90%三相电压对称跌落时，要求风电机组输出无功电流，以支撑电网电压恢复，无功电流要在75ms内达到1.5（0.9－Vt）In的输出（其中，Vt为跌落深度，In为额定电流），并在曲线上方规定的时间内不脱网。

（3）有功功率的恢复。电网电压恢复后以每秒10%的速度恢复有功功率。

风力双馈发电机组（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）由于只需要控制转差功率，变流器容量较小，成本低，可以连续快速地向电网提供无功支撑。但是因为双馈电机定子和电网直接连接，在电网电压扰动时电磁过程比较剧烈，瞬时电流会达到额定电流的300%以上［2］。同时，由于变流器容量低，限制了机组在严重故障时的控制能力，因此，DFIG需要辅助电路实现不间断运行和变流器自我保护功能［3－4］。

本文对DFIG低电压穿越保护电路Crowbar电路的结构进行分析，并提出了一种新型的电路拓扑，可以有效降低Crowbar电路的容量和成本，并对电路特性进行了设计和分析，通过仿真和实验对这一新型拓扑的可行性和有效性进行了工程验证。

1 双馈机组LVRT技术

1.1 低电压穿越辅助电路

为了满足上述LVRT要求，早期的不可控Crowbar电路是由半控型晶闸管组成的旁路电路，如图2所示。无源Crowbar工作机理是，当发生LVRT跌落，定子励磁释放感应出很高的转子电流，传感器检测到电流阈值，导通Crowbar电路，以保护转子变流器。Crowbar电路的关断是依靠转子电流过零点，这是由晶闸管的特性决定的。因此，相关研究人员［6］提出了两种有源Crowbar方案。图3中，在转子侧并联一个三相不控整流桥，整流桥的直流侧通过一个能耗制动Chopper电路将转子短接。在机组正常运行时，转子电压在Crowbar整流，使Chopper电路两端维持一个固定的直流电平。当电网电压跌落时，转子电流迅速增大，当达到阈值时，Chopper斩波电路的门极绝缘双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）导通，通过电阻阻尼快速释放定子磁场。当转子电流衰减到阈值以下时，可以快速关断Chopper器件，恢复转子变流器的控制。图4中，在转子侧变流器每个桥臂的IGBT旁并联一个大容量二极管，当发生低电压跌落时，转子电流上升，当达到转子变流器保护阈值时，关闭IGBT脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）导通信号，使高倍的励磁释放电流流过IGBT并联二极管，对直流母线充电。当直流母线电压超过保护阈值时，直流母线通过一个能耗制动Chopper电路将其释放［6］。

图2 无源Crowbar电路

图3 有源Crowbar电路

图4 Chopper型Crowbar电路

从本质上讲，图2和图3有相同的工作特性。有源可控型Crowbar可以有效实施对电机转子电流的实时控制，能够更好地满足75ms内快速输出无功，对电网电压形成有效支撑的能力。

1.2 传统Crowbar电路存在的问题

由于当前兆瓦级风电机组的变流器通常放在塔底，变流器到电机转子的距离达到上百米，变流器输出的高频转子PWM电压dv／dt变化率会超过500V／μs，在变流器和电机之间产生传输线效应。图5为经变流器dv／dt滤波器电感后的转子电压波形。从波形可见，叠加的反射电压峰值达到了150%额定峰值，反射电压经过转子整流桥，会在Crowbar的直流侧产生相对应的直流高压，从而导致转子Crowbar电路IGBT两端承受较高的电压，减小了IGBT的耐压余量，较易超出安全工作区。Crowbar直流侧和直流母线电压对比如图6所示，两者有效值相差近200V。

图5 转子电压波形

图6 直流母线和转子直流侧电压

对此问题有两种传统解决方案：① 在转子变流器输出侧设置LCR型dv／dt滤波器，降低dv／dt上升率，以降低反射电压［5］；② 提高Crowbar功率器件等相关部件的耐压。无疑两种方案都会大幅增加系统硬件成本。本文在深入研究Crowbar电路特性的基础上，提出了一种新的解决方案。

2 电路结构分析

2.1 主电路结构

图7方框内红色部分为提出的Crowbar电路图。从转子侧变流器dv／dt输出滤波器电感引出三相转子电压，通过一个三相不控整流桥整成直流，由IGBT功率器件T1串联一个电阻器组成类似Chopper电路。当达到导通阈值时，导通T1从而实现转子短接。在正常运行时，Crowbar直流侧正极通过一个二极管串联一个RC并联电路，接转子变流器的正母线，Crowbar直流侧负极接转子变流器负母线，从而将Crowbar电路的直流电压嵌位到变流器直流母线电压。使转子电压幅值接近直流母线电压幅值，从而Crowbar使用的功率器件的电压等级取得了较大幅度的降低，耐压余量增大。

图7 回馈型Crowbar电路原理图

2.2 回馈电路设计

图8为能量回馈电路的结构。反相截止二极管D2是为防止启动时直流母线给Crowbar倒充电。电容C2流通高频的纹波电压，嵌位转子电压峰值到直流母线电压，R2则流通低频电流，从而使Crowbar直流侧和变流器直流母线电压幅值接近。

图8 回馈电路

回馈电路的传递函数为

式中S＝σ＋jw拉普拉斯算子。

图9 回馈电路幅频特性

其幅频特性如图9所示，根据转子反射电压的频率和峰值选择C2，既保证有足够的纹波电流余量，又保证了纹波频率低阻通过。这样，反射电压被钳位到直流母线幅值，电阻R2取值以进一步保证Crowbar直流侧和变流器直流母线等电位，R2功率以两侧直流母线静态压差来确定。

3 实验分析

本文以2MWDFIG为例，通过实验验证电路的可行性，实验参数如表1所示。

表1 实验参数

图10为采用表1参数的Crowbar回馈电路后转子线电压波形，可以看出转子线电压的反射电压峰值明显降低。图11是回馈电路的电流波形，最大峰值电流有200A，有效值为3.9A。图12是引入回馈电路的Crowbar直流侧和转子变流器直流母线电压波形，两者相差30V左右。

图10 转子电压波形

图11 回馈电路电流

图12 直流母线和Crowbar直流侧电压

由实验波形可见，本文所提出的回馈型Crowbar电路具有明显的嵌位效果，降低了Crowbar电路的电压等级，电路拓扑是有效且可行的。

4 结 语

本文提出了一种新型Crowbar拓扑，通过理论计算、仿真和实验分析，可以看出此电路能有效地将Crowbar直流侧电压嵌位到变流器直流母线电压值，降低了Crowbar电压等级，可以使用耐压较低的功率开关器件组成Crowbar电路，有效降低了系统成本和开关器件安全余量，同时对转子长电缆造成的高反射电压起到了一定的嵌位作用。

［1］胡家兵，贺益康.双馈风力发电系统的低压穿越运行与控制［J］.电力系统自动化，2008，32（2）：1－4.

［2］朱晓东，石 磊，陈 宁.考虑Crowbar阻值和退出时间的双馈风电机组低电压穿越［J］.电力系统自动化，2010，34（18）：85－89.

［3］贺益康，周 鹏.变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述［J］.电工技术学报，2010，24（9）：140－146.

［4］Von Jouanne A，Enjeti P N.Design considerations for an inverter output filter to mitigate the effects of long motor leads in ASD applications［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1997，33（5）：1138－1144.