基于Crowbar的DFIG低电压穿越控制方法研究

史春飞， 刘世林

(安徽工程大学 检测技术与节能装置安徽省重点实验室， 安徽 芜湖 241000)

随着风力发电对电网系统的影响不断涌现，使得电网对风电场的并网提出了更多的要求[1-2]。风电机组能具有较强的低电压穿越能力，就是其中最基本的要求之一[3-5]。在风电机型选择中，由于双馈风力发电机(doubly-fed induction generators，DFIG)的优良特性，逐渐成为风电场的主流机型。因此，其低电压穿越也成为热门研究对象[6-8]。

文献[9-10]通过改进控制策略的方法提高DFIG的低电压穿越能力。当电网电压跌落幅值比较小时，取得了较好的效果。但是，在电网电压跌落幅值较大时，其控制性能将受到很大限制。这时，通常需要外接硬件电路，最常用的方法是投入Crowbar电路[11-12]。杨涛等[13]经过详细的理论分析与实验论证，设计了可行的控制策略。但是，所面临的问题是在Crowbar电路投切时，对变频器安全有较大影响。徐殿国等[14]从原理上分析了若Crowbar阻值取值不同，以及在风电系统的投切时间不同，会对DFIG低电压穿越能力有很大影响。因此，文章中运用控制变量法的方法，对提出的这两个变量进行仿真分析，验证了所提出的假设与推理的正确性。然而，在仿真验证时并没有给出相应的控制方法实现的Crowbar电路实时投切。欧阳金鑫等[15]在基于理论推导的情况下，详细分析了DFIG在低压故障下的瞬态响应特性，推导出转子侧电流表达式，虽然对研究DFIG的低电压穿越能力有一定的帮助，但没有考虑Crowbar电路接入DFIG后对转子侧电流的影响。

因此，本文在以上研究的基础上，推导出Crowbar阻值的最优取值范围。另外，针对DFIG在电网低电压故障期间的暂态响应特性，提出Crowbar的投切控制策略，实现DFIG在电网低电压故障期间并网运行的要求。

1 含Crowbar电路的双馈风电系统

在含Crowbar电路的双馈风电系统中，DFIG的定子侧绕组通过变压器连接到电网系统。转子侧绕组与电网通过转子侧变流器、电网侧变流器相连。Crowbar电路接入在转子侧绕组与转子侧变流器之间。在Crowbar电路选择中，本文使用的是反并联Crowbar电路。在Crowbar电路构造中，每一个桥臂都有一对反并联式连接的可关断元器件与旁路电阻进行串联。当电网电压发生跌落时，通过设计的控制方法，使可关断元器件导通将旁路电阻接入与转子侧构成回路，释放DFIG产生的多余能量，从而起到保护DFIG转子侧变流器的作用。当电网恢复运行时，通过控制信号封锁可关断元器件，切除Crowbar电路。本文使用的反并联式Crowbar电路有许多优于其他类型Crowbar电路的优点。例如，电路结构相对简单，因此易于构建仿真模型。电路所需元器件比较简单，可以减少实际运行中的成本。

2 Crowbar电路的阻值整定

2.1 电网电压跌落时DFIG暂态分析

两相任意静止αβ坐标系下DFIG的转子、定子磁链方程如下：

式中ψαs、ψβs、ψαr、ψβr是定子、转子磁链的α轴和β轴分量，Lm是αβ坐标系下同轴定子绕组、转子绕组间的等效互感，Ls和Lr分别是αβ坐标系下两相定子绕组间的自感与两相转子绕组间的自感。由上式推导出定子侧电流和转子侧电流为

(1)

不考虑定子侧绕组阻值的前提下，得到DFIG在稳态运行时的定子和转子磁链表达式：

(2)

假设电网在t0时刻发生三相对称低电压故障，则定子电压Us的表达式为

Us=(1-A)usej(ωst)，t≥t0，

(3)

其中A为电网电压跌落系数。此时定子、转子磁链的暂态表达式为

(4)

将转子侧电流两侧均乘以e-j(ωrt)，可得两相任意旋转dq坐标系转子侧电流Ir1：

(5)

2.2 Crowbar接入DFIG的暂态分析

当A=1时，电网发生严重故障，电压跌落至0，即式(5)中第二部分为0，可得转子侧电流为

(6)

当Crowbar接入DFIG后，式(6)中定子、转子衰减系数为

(7)

其中Rr为转子侧等效电阻，Rs为定子侧等效电阻，Rc为Crowbar电阻。

电网发生严重故障后，得到转子侧最大相电压Urmax为

Urmax=Ir1maxRc，

(8)

为避免使直流母线电压出现过电压的风险，Urmax与直流母线电压上限值Udclim应满足

(9)

将式(8)代入式(9)得

(10)

当电流衰减常数确定时，由式(7)可得

(11)

由式(10)和式(11)得Crowbar电路阻值取值范围为

3 Crowbar电路控制策略

图1 检测电路流程图

图2 控制策略时序图

首先，信号2和信号1两者在电网电压稳态期间的高电平相位相差一个延时时间t。对信号1和信号2进行逻辑“与”运算，输出并网点电压检测信号3。因此，输出信号3在电网稳态运行期间的输出幅值为0，而故障期间输出幅值为1。将检测信号3输送到D触发器的D端与CLR端。如果只有一路故障检测模块，可能会使Crowbar保护电路的投切存在误判，对DFIG系统的稳态运行存在不利影响，不能实现DFIG在电网故障期间的低电压穿越的要求。因此Crowbar电路的投入与否，还应该考虑故障期间能否使DFIG面临脱网的可能，以及是否不利于DFIG的安全运行等方面的因素。因此，在考虑电网低电压故障期间的DFIG暂态响应的基础上，设置另一路故障检测模块检测信号为转子侧电流。先对输入的转子侧电流检测信号取绝对值运算，接着与设置的电流故障阈值Isafe进行比较运算。当检测到转子侧电流输入信号超出阈值Isafe时，产生上升沿触发脉冲。将得到的转子侧电流检测信号4输送到D触发器CLK端。

经过D触发器运算后，Q端输出信号5输送到Crowbar电路，!Q端输出信号6输送到转子侧变流器，得到Crowbar电路控制策略时序图(图2)。

由Q端与!Q端输出信号可知，t0时刻转子侧电流检测模块检测到转子侧出现过电流。因此，产生一个上升沿触发脉冲信号4输送到CLK端，与D端输入信号3经过D触发器运算，使Q端输出信号5幅值由0变为1，将Crowbar电路投入到DFIG系统中；另外，!Q端输出信号6幅值由1变为0，进而封锁转子侧变流器。在t1时刻电网低电压故障消除的瞬间，此时经过检测运算模块后的D端和CLR端输入信号幅值刚好由1降为0。两者输入信号经过D触发器运算，使Q端输出信号5幅值由1变为0，将Crowbar电路从DFIG系统中切除；另外，!Q端输出信号6幅值由0变为1，解除对转子侧变流器的封锁，使DFIG系统恢复到稳态运行。采用这种低电压故障检测控制策略，可以满足Crowbar电路在DFIG系统能及时投入和切除的要求，同时，既可以检测电网电压三相对称低电压故障，也可以检测电网电压三相不对称低电压故障，使控制方法的实用性更强，适用性更广。

4 仿真分析

为验证本文提出的控制策略的控制性能，在MATLAB/Simulink中搭建DFIG系统仿真模型，其仿真参数如表1所示。

表1 双馈风电机组仿真参数

当电网发生对称低电压故障时，对DFIG系统分别进行有保护措施和无保护措施的仿真分析。当仿真时间进行到1 s时，电网电压发生三相对称跌落，幅值跌落到0.24 p.u.，故障持续625 ms。在1.625 s时故障切除，系统仿真持续时间为3 s。

由图3可知，当电网发生低电压故障时，引起DFIG转子侧产生过电流，对DFIG的稳态运行有很大的影响，变流器面临被击穿的可能。同时，电网侧变流器与转子侧变流器之间的功率平衡被打破，使直流母线电压出现过电压。此时，转子侧电流检测电路检测到电流超过设置的电流故障阈值，即转子侧出现过电流。输出的转子侧过电流故障信号与并网点电压检测电路检测到的低电压故障信号共同作用，使Crowbar及时投入到DFIG系统中。

(a) 转子侧电流波形 (b) 直流母线电压波形图3 未投入保护措施时的转子侧电流波形和直流母线电压波形

由图4(a)知，投入保护措施后，Crowbar卸荷了DFIG转子侧电流多余能量。消弱了在电压跌落时刻与恢复时刻转子侧电流产生的尖峰，同时在电压跌落期间使转子侧电流振荡随着时间发生衰减，使变流器的器件受到的冲击明显减少，从而起到保护变流器的作用。由图4(b)可知，投入保护措施后，由于转子侧过电流产生的波动减少，使得变流器的直流母线电压不会大幅上升，大大消除了直流母线电压在电网电压跌落时刻产生的剧烈波动与产生的尖峰。同时，在电网电压跌落期间直流母线振动幅度也明显减小，进而保护了变流器的安全。

(a) 转子侧电流波形 (b) 直流母线电压波形图4 投入保护措施后的转子侧电流波形和直流母线电压波形

由图5所示未投入保护措施的DFIG输出有功功率波形可知，当电网电压发生跌落时，使DFIG的机端电压降低，从而导致DFIG有功功率输出减小，可以得出DFIG的有功功率输出与机端电压跌落深度成反比例关系；通过投入Crowbar后的有功功率波形可以看出，此时DFIG在电网故障期间输出有功功率进一步减小，输出有功功率接近0，提高了DFIG的低电压穿越能力。由图6可知，未投入保护措施时，在电网电压跌落与恢复时刻，DFIG输出的无功功率产生很大的尖峰，且有很大的波动；投入Crowbar后使输出的无功功率尖峰有了很大的消除，同时减小了在电网电压恢复时刻输出无功功率的波动，使输出的无功功率曲线更加平滑，有效降低了DFIG在电网低电压故障期间受到的冲击。

图5 有功波形 图6 无功波形

5 结 语

本文通过理论推导得出DFIG在电网电压跌落期间的转子侧电流表达式，从而比较直观地得出在电网电压跌落期间，过电流对DFIG转子侧的冲击与产生转子侧过电流的原因。因此，为实现DFIG的低电压穿越提供了理论依据与实现方法。进而以转子侧电流表达式为切入点推导出了Crowbar电路的最佳阻值范围。根据DFIG在电网低电压故障期间的暂态响应特性与选择的反并联Crowbar电路元器件的工作特性，提出实现Crowbar电路投切的控制方法。仿真结果表明，所提出的控制方法实现了Crowbar电路在电网电压故障时刻与恢复时刻能及时投切，避免了电网发生低电压故障期间，Crowbar电路不能及时投入或者延时切除对DFIG系统稳定运行的不利影响；证明了该控制方法具有良好的控制性能，有效地保护了DFIG的安全，实现了DFIG在电网低电压故障期间不脱网的要求。