基于可调整电阻Crowbar电路的双馈风电机组低电压穿越方法

高 昕，孙圣凯

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

随着风力发电技术的进步，双馈感应发电机(DFIG)为电网供电的比重逐年升高。但DFIG在电网故障状态下容易发生脱网，影响整个电力系统的运行。因此，采取有效的双馈风电机组低电压穿越(LVRT)对维护电网的稳定运行具有重要意义[1-2]。

在转子侧增设Crowbar保护电路是DFIG在故障下实现LVRT最常见的方案。文献[3—4]分析了在投入Crowbar保护电路前后，DFIG暂态电流的组成和其变化过程。文献[5]提出了在不同的电网故障严重程度下标定Crowbar电阻的条件。文献[6]分析了实现DFIG机组LVRT的Crowbar保护电路的原理及方法。文献[7]指出选取适当的Crowbar阻值决定了机组实现LVRT的效果。文献[8]提出在电网侧增加补偿装置，当电网发生故障期间，对电网补偿无功功率避免电压跌落，但要求较高的监测精度，并且实现准确的无功补偿有一定难度。DFIG在电网发生故障时刻的不同、电压跌落深度的不同和受其自身的运行等因素的影响也会改变其自身的暂态特性。文献[9—10]通过利用改变转子Crowbar电阻投切的时间来优化LVRT性能，但为避免故障下直流母线的过电压，Crowbar的阻值标定偏小，转子电流抑制效果不理想。

传统固定阻值Crowbar保护电路无法得到良好的LVRT效果。根据解转子侧电压方程得出Crowbar电阻投入前后DFIG暂态转子电流的时域方程，提出调整Crowbar阻值的双馈风力发电机组的低压穿越方案，制定可调整Crowbar阻值的控制策略。基于PSCAD/EMTDC平台上搭建的DFIG在并网处三相对称故障动态仿真模型，仿真分析可调整Crowbar电阻的方案中在电压深度跌落下的LVRT特性，并比较传统固定阻值Crowbar方案，验证了所提方案在转子电流的抑制和稳定直流母线电压方面具有更理想的效果。

1 可调整电阻的Crowbar电路

1.1 可调整阻值的Crowbar电路

由图1所示，可调整电阻RAD的Crowbar电路的电路结构图，调整电阻RAD与Crowbar电阻RCB串联，RCB与RAD的投切均由全控型器件IGBT控制。

图1 可调整电阻的Crowbar 电路

1.2 可调整Crowbar电阻的转子等效电路

故障期间转子电压[11]为

(1)

(2)

则故障期间的转子电流为[12]

(3)

其中，τs表示定子时间常数；s表示转差率；U1、U2表示故障时刻前后的机侧线电压；ω表示转子角速度。

因此，Crowbar电阻RCB和调整电阻RAD的转子等效电路如图2所示。

图2 转子侧等效电路

2 电网故障下Crowbar投入前后的转子电流

2.1 Crowbar投入前

当电网发生故障时，DFIG电机进入暂态过程，形成暂态电压和电流。由式(1)—式(3)得到转子暂态电压方程：

(4)

转子侧的暂态开路电压方程为

(5)

(6)

2.2 Crowbar投入后

在电网发生故障后，DFIG机侧电压下降，转子电流迅速升高，当其超过设置的条件值后，闭锁转子侧RSC变流器，并投入Crowbar电路，转子电流流经投入的Crowbar电路：

(7)

解转子侧电压方程所示的一阶线性微分方程得Crowbar投入后的DFIG转子电流时域方程为[12]

(8)

由式(8)可以看出，在投入Crowbar电路后，转子电流由以时间常数衰减的暂态交流分量、以时间常数τs衰减的暂态直流分量及稳态交流分量三者叠加[14]。因此，转子电流的初值根据机侧线电压跌落的深度、DFIG的转差率以及等效定、转子时间常数而决定的。故障期间投入Crowbar电阻阻值的大小与直流分量衰减速度的快慢成正比，与暂态、稳态交流分量幅值的大小成反比，可以有效地抑制暂态转子电流的骤升。

传统Crowbar阻值方案标定阻值时，一方面通常保持直流母线电容电压在安全范围内。然而在不同故障类型下机组暂态特性会发生改变，Crowbar电阻值的标定不具备广泛适用性，直流母线电压仍可能会超过安全值，危及设备安全。另一方面，由于标定的Crowbar电阻值偏小，在电压深度跌落时，抑制转子电流冲击的效果并不理想。

2.3 Crowbar阻值调整后的暂态转子电流

在故障期间，转子电流暂态过程随着调整Crowbar阻值而改变。但调整Crowbar阻值不会引起DFIG电气结构的变化，因此转子侧电压方程同式(7)。

假设在t2时刻切除调整电阻RAD，Crowbar电阻减小为RCB，调整后DFIG暂态转子电流时域方程，如下：

(9)

3 可调整阻值Crowbar电路控制策略与阻值标定

3.1 可调整阻值Crowbar电阻的原理

传统固定阻值的Crowbar保护电路有很难实现理想的LVRT效果的缺陷。为此，采用可调整阻值的Crowbar电路，并提出可调整Crowbar阻值的控制策略：实时监测转子电流和直流母线电压，在电网发生故障后，监测到其超过设定的条件值时，投入Crowbar电路并根据转子电流和直流母线电压的变化投切调整电阻RAD以调整电阻调整Crowbar阻值，在保证转子电流抑制效果的前提下，降低Crowbar阻值，抑制直流母线电压迅速上升，以保证DFIG有效地LVRT，维护电网稳定运行。

3.2 可调整阻值Crowbar电阻控制策略

调整策略步骤如下：

(1)当转子电流|ir|幅值越过条件值ir·con时，给予闭锁转子侧RSC变流器的PWM信号，并投入阻值为Rsum的Crowbar电阻，此时Rsum阻值足够大，足以对转子过电流的峰值形成有效的抑制。

(2)当直流母线电容电压Udc超过条件值Udc·con时，切除RAD，Crowbar阻值减小为RCD，抑制直流母线电容电压Udc的快速上升。

(3)当直流母线电容电压Udc低于条件值Udc·con，但减小了Crowbar的阻值使转子暂态电流衰减速度下降，转子电流可能形成二次尖峰。转子电流|ir|幅值仍超过条件值ir.con时[13]，再次投入RAD，继续抑制转子过电流。

(4)当直流母线电容电压Udc回落到条件值Udc·con以下且转子电流ir回落到安全值ir·sf以下时，切除Crowbar电路。

3.3 Crowbar阻值的标定

(10)

所以转子侧的电压最大值为

(11)

(12)

图3 与Rsum函数关系曲线

在Rsum确定后，根据Rsum=RCB+RAD，标定RCB和RAD的值：

(1)设置在并网点发生最严重故障，即三相对称短路故障且跌落深度为100%时，在仅投入RCB的情况下，作直流母线电压的Udc-t曲线，再作直线Udc·con，取交点(1.01,1.175)，如图4所示。

图4 投入Rsum时直流母线电压变化曲线

得到交点横坐标的值为t1(故障在1.00 s时出现)，可得到t1≈0.01 s。t1时刻的转子电流为

(13)

(14)

将t1=0.01s带入式(14)中，得到RCB≤0.131 7 Ω，取RCB=0.131 7Ω。由Rsum=RCB+RAD，得RAD=0.451 7 Ω。

4 仿真分析

在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建DFIG风电机组以及电网系统仿真模型。设置在1.00 s时，DFIG并网点处出现三相短路故障，电压跌落程度为80%，故障共持续0.20 s。为了验证基于可调整电阻Crowbar电路的DFIG低电压穿越的效果，分别对采用传统固定阻值Crowbar 电路方案和采用可调整阻值Crowbar电阻的方案进行仿真，并将上述方案的结果进行比对。电网发生故障期间的机侧线电压波形，如图5所示。再用传统固定阻值Crowbar保护电路方案和采用可调整阻值Crowbar保护电路的方案之间的转子A相电流值、转子电流的有效值以及直流母线电压值对比，如图6—图8所示。

图5 电网电压跌落80%的波形

(a)传统Crowbar方案

(b)调整阻值Crowbar方案

(a)传统Crowbar方案

(b)调整阻值Crowbar方案

(a)传统Crowbar方案

(b)调整阻值Crowbar方案

由图6—图8可以看出，在电压跌落80%的工况下，可调整阻值的Crowbar方案中转子电流峰值为1.24 kA，明显优于传统固定值Crowbar方案中的转子电流峰值1.49 kA，电流有效值的波动也明显减小。在故障期间，Crowbar电阻经过调整，阻值减小为RCB，抑制直流母线电压的抬升，减小其波动，使直流母线的电压值稳定在安全范围内。因此，与传统固定值Crowbar方案相比，可调整电阻Crowbar方案实现低电压穿越的效果较好。

5 结束语

在投入Crowbar电路期间，转子暂态电流受DFIG机侧线电压的跌落深度和故障期间不同的机组运行状态的影响较大，以至于传统固定阻值的转子Crowbar无法获得良好的LVRT效果，并且无法有效地抑制直流母线电压的提升。分析了产生转子过电流和导致直流母线侧升高电压的原理，针对传统固定阻值Crowbar不能既抑制转子电流又抑制直流母线电压的缺陷，提出基于可调整Crowbar电阻的方案，根据给出的Crowbar阻值调整策略计算和标定阻值。从仿真结果看出，达到了理想的抑制转子过电流的效果，并且防止直流母线电压迅速升高超过安全值，减小其波动，达到了稳定直流母线电压的目的，相较于传统固定Crowbar阻值方案实现了良好的双馈风力发电机LVRT效果。

但是，在Crowbar投入阶段，转子侧RSC变流器的失控，带来了DFIG机组开始从电网吸收无功功率的负面影响，导致电网的无功缺额进一步加大，增加了电网恢复的负担。因此，在电网故障发生期间及其恢复的过程中，需要必要的无功补偿装置或改进控制策略持续向系统提供无功功率。为恢复电网电压提供有效的无功补偿，将作为下一个阶段工作的目标。