Crowbar在双馈风力发电机组低电压穿越中的应用

摘 要：根据国家电网的风电场接入技术的规定，风电场应具备外部电压故障下不间断运行能力，即电网故障时风电机组应能保持与电网连接并向系统不间断供电。为保护转子励磁电源和发电机组，常采用Crowbar保护电路来限制电压跌落时转子回路的最大电流。本文研究了电网电压跌落时，双馈发电机组的运行行为，通过实验验证了Crowbar保护电路的有效性。

关键词：风力发电机组；Crowbar；低电压穿越；

1 引言

近年来，风力发电在各国发展迅速。随着风电在电网比例的增加，并网发电系统稳定运行越来越受到国家的重视。对于变频恒速双馈风力发电机，在电网电压跌落的情况下，由于与其配套的电力电子变流设备属于AC/DC/AC型，容易在其转子侧产生峰值涌流，损坏变流设备，导致风力发电机组脱网。如果大量的风电机组因电网跌落故障同时脱网，就会造成电网的不稳定，甚至崩溃。为了维护电网的安全稳定，世界各国电网运营商都推出了各自风电并网低电压穿越（LVRT）导则。在我国，风电机组有无低电压穿越能力已成为风机的准入门槛。对于目前尚不具备低电压穿越能力且已投运的风电场，需要进行机组改造工作，以具备低电压穿越能力。因此，在电网故障情况下的风电机组低电压穿越能力现在已成为研究的热点。

目前，双馈型风力发电机（DFIG）占据着风力发电装机容量的主导地位，国内外对DFIG的低电压穿越能力研究较多。针对电压跌落瞬间的过电流和过电压，虽然可以通过控制算法从软件上来抑制，但是其控制效果依靠变流器容量及电机参数等因素，且控制效果有限。

2 风电机组低电压穿越能力要求

当电网发生故障时，风电场需维持一段时间与电网连接不脱网，甚至要求风电场在这一过程中能过提供无功以支持电网电压的恢复，即低电压穿越。由中国电科院为主要起草单位编写的国家标准GB/T 19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》已于2011年正式发布，其内容对风电场低电压穿越能力进行了明确规定：

a） 风电场内并网电压跌至20%标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625ms。

b） 风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到标称电压的90%时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行。

图1 风电场低电压穿越要求的规定

如图1所示为对风电场的低電压穿越要求，风电场并网点电压在图中电压轮廓线及以上的区域时，场内风电机组必须保证不间断并网运行；并网点电压在图中电压轮廓线以下时，场内风电机组允许从电网切除。

对故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在故障切除后快速恢复，需要以至少10%额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。

3 Crowbar保护电路的应用

在转子侧增加Crowbar保护电路是双馈机型中常用的方法，目前采用的是主动保护的方式，即增加Active Crowbar部分。Crowbar保护电路一般安装在是风力发电机组变频柜内，是实现低电压穿越的必备装置。现今风力发电领域有两种主流机型：双馈风力发电机组和直驱型风力发电机组。由于系统结构的差别和工作方式的不同，Crowbar保护电路的设计有较大差别。

双馈风力发电机组在电网电压跌落的情况下，定子磁链不能随定子端电压突变，从而产生直流分量，由于积分量的减小，定子磁链几乎不发生变化，而转子继续旋转，会产生较大的滑差，进而引起转子绕组的过电压和过电流。如果电网出现不对称故障，在定子电压中会含有负序分量，负序分量可以产生很高的滑差，使得转子过电压和过电流的现象更加严重。迅速增加的转子侧电流会导致转子励磁变流器直流侧电压升高，发电机励磁变流器的电流、有功功率和无功功率都会产生振荡。

4 低电压穿越实验

国家标准要求低电压穿越测试需要分别在大风速和小风速两种风况下进行测试，并且电网电压跌落需要分由两相短路和三相短路两种故障情况引起，测试点为电网电压跌落20%、35%、50%、75%、90%几种情况。本实验选用大风速下由电网三相短路引起电压跌落90%的情况，低电压穿越实验地点是为内蒙古某风场，实验风机为1.5MW双馈风机。

在风机转子侧加装Crowbar装置后，为保证机组稳定运行，不发生功率振荡，需要同时降低机械转矩，即低电压穿越开始时要改变桨叶角度。电网电压跌落前，风速21m/s，风机转速在1800rpm，风机处于满发状态；电网电压跌落时，低电压穿越开始，主控发出指令，命令桨叶适当收桨。

在低电压穿越过程中，从变频器监控软件中读取的曲线，如图2所示，监控的曲线依次为1发电机转速（rpm）、2定子电流（A）、3定子电压（V）、4转子电流（A）、5转子电压（V）、6有功功率（kW）。

图2 电网电压跌落90%时变频器主要参数监控曲线

在此低电压穿越过程中，风电机组不脱网连续运行；自电压恢复时刻开始，有功功率以至少10%额定功率/秒的功率变化率恢复至实际风况对应出力。因此，大风速下由电网三相短路引起电压跌落90%时，该风机可成功实现低电压穿越。

5 结论

本文讨论了对风电机组低电压穿越的标准及要求，分析了Crowbar保护电路的原理，在添加Crowbar保护电路的同时，还对风电机组控制策略进行了调整，使其功率避免有大波动。通过现场实验研究了电网电压跌落时采用Crowbar保护电路的双馈发电机组的运行行为，实验结果满足国家标准，验证了Crowbar保护电路的有效性。

[1]耿华.新能源并网发电系统的低电压穿越[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2]朱永强.风电场无功补偿与电压控制[M].北京：电子工业出版社，2012.

[3]周鹏.双馈异步风力发电系统低电压穿越技术研究[D].杭州：浙江大学，2011.

作者简介：周四平（1978.9-），男，工程师。