风电变流器撬棒电路软件保护策略研究

文 | 桑晨亮

（作者单位：天津龙源风力发电有限公司）

电网友好型风电机组要求在电网发生故障时，如电网电压跌落或骤升，风电机组在规定时间内具备不脱网运行能力，并对电网提供无功支撑。根据电网电压故障的类型，目前国内已经形成标准要求的故障穿越包括低电压穿越及高电压穿越，标准曲线如图1所示。

为满足风电机组故障穿越的要求，风电变流器均安装有撬棒电路，并配合软件策略升级，以实现故障穿越。

撬棒电路如图2和图3所示。一般情况下，直驱机组采用全功率变流器，仅需要如图2所示的直流侧撬棒电路即可满足故障穿越要求。双馈机组采用双馈变流器，通常在电机侧变流器添加如图3所示的撬棒电路，或称为Crowbar电路，在直流侧增加如图2所示的撬棒电路，二者配合实现风电机组电网电压故障穿越功能。

撬棒电路一般包括电力电子控制单元和撬棒电阻。其中，撬棒电阻起到吸收暂态能量，抑制转子侧变流器过流（双馈机组）和直流侧过压（双馈机组及全功率机组）。根据机组功率的不同，电阻短时吸收的能量可达几兆焦，短时大能量冲击使得电阻温升急剧增大。撬棒电阻一般由硅钢片构成，允许温升可达数百摄氏度（图4）。

由于我国风电机组多处于电网末梢，电能质量较差，风电机组可能存在连续多次故障穿越，使得撬棒电路连续多次投入。由于热量得不到释放，电阻温升会进一步增大，严重时可达800℃。高温可导致电阻片变形，电阻片熔断后可引起附近电气部件烧毁，极端情况下可能引发火灾。因此，在满足风电机组故障穿越的同时，需要对撬棒电阻进行能量保护，确保电阻吸收能量不超过设计值。

本文在不增加硬件电路的情况下，通过软件策略优化，对撬棒电路电阻吸收能量进行实时监测和累计，可做到限制保护，避免撬棒电路失效，降低变流器及机组的安全风险。

优化方案

如图5所示，以变流器直流侧撬棒电路为例（双馈变流器转子侧撬棒电路可理解为交流整流电路加直流侧撬棒电路），在变流器直流侧撬棒电路控制上一般采用滞环控制，当直流侧电压高于设定值时投入，当直流侧电压低于设定值时切出。当撬棒电路投入时，图5中能量累计计算器实现能量累加；当撬棒切出时，撬棒电阻通过辐射、传导方式进行散热，能量减少。能量累计计算器输出当前时刻撬棒电阻所吸收的能量值，并将其与能量滞环比较器设定的值进行比较，当超过滞环限制时，输出开关信号禁止撬棒电阻再投入；当低于滞环限制时，允许撬棒电阻投入，从而确保撬棒电阻所吸收能量在允许的范围内，避免损坏。滞环上限受卸荷电阻能量极限限制，最小值根据实际需要保证可穿越最恶劣情况下的电网跌落故障即可。

算法实现

控制器算法框图如图6所示。其中，Vdc为直流侧电压，Qin代表撬棒电阻吸收能量，Qout代表撬棒电阻释放能量，Qsum代表该时刻制动电阻能量和，Qmax代表允许的最大能量，Qmin代表为满足故障穿越所需要的最小能量，SS代表开关状态。

首先，要计算一个控制周期T内卸荷电阻累加或者减少的能量值。当卸荷处于投入状态时，母线电压Vdc通过卸荷开关加在卸荷电阻R两端，因为卸荷电流很大，卸荷电流在电阻上产生的能量远大于卸荷电阻自然散热释放的能量，故卸荷单周期累加能量值近似为：

当卸荷处于切出状态时，卸荷电阻通过辐射、传导及强制冷却方式进行散热。已知卸荷电阻最大能量冲击值Qmax和两次最大能量冲击必须的最小时间间隔Tinterval，计算卸荷单周期减少能量近似值为：

将经硬件滤波器滤波后的直流母线电压 ，分别输入电压滞环比较器和能量累计计算器。电压滞环比较器逻辑为：

其中，SSv（n－1）表示前一控制周期输出值。电压滞环比较器输出值作为逻辑与的第一个输入值。同时，控制器从逻辑与的输出端读取当前卸荷开关状态，经过延迟环节得到前一个控制周期的卸荷开关状态。能量累计计算器分别对开关状态0（导通）和状态1（截止）计数，当开关状态为1时，则使Qsum累加一次Qin值；当开关状态为0时，则使Qsum累加一次Qout值。Qsum经过0≤Qsum≤Qmax的限幅输入至能量滞环比较器，其逻辑为：

其中，SSq（n－1）表示前一控制周期输出值。能量滞环比较器输出值作为逻辑与的第二个输入值。由最终输出值驱动卸荷开关动作，1为导通，0为截止。

通过软件策略优化，可实时计算撬棒电阻当前累计的能量值，通过与设定值相比，可计算出仍能吸收的能量。在不超过能量限制的情况下，实现风电机组的多次故障穿越。在风电场实际故障穿越中，特别是高电压穿越，往往伴随着先低穿、后高穿的情况，撬棒电路需要多次工作，本文的控制策略可实现对多次工作的安全监控。变流器依据撬棒电阻的当前时刻能量值，使能或禁止撬棒电路工作，并可将状态值反馈至变流器控制器中，实现变流器整体的安全保护。

结语

本文针对风电变流器撬棒电路提出了一种基于电阻能量的软件保护策略。该策略不增加硬件成本，能够实时监测撬棒电阻的吸收能量，确保电阻能量在允许的范围内，降低了电阻过热损坏和变流器发生火灾的风险，提高了系统的可靠性。