基于DBR的交直流复用Crowbar低电压穿越

邓友汉，肖志怀，程远楚，张新龙

（1.武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072；2.中国电力科学研究院新能源所，江苏 南京 210003）

0 引言

随着风力发电规模的扩大与单机容量的提高，风力发电所产生电能在我国电网中所占的比重也逐渐增加。基于双馈感应发电机（DFIG）的风电系统具有变流器容量小、有功功率与无功功率可以单独调节、调速范围广等特点，因此在风电场中被广泛应用[1-2]。当电网电压降低时，DFIG风力机机端电压下降、定子电流上升，磁通下降，感应的转子电流升高，若不能抑制此电流，会导致机侧变频器（GSC）过流或过压保护而退出运行，将造成电磁转矩不可控，引起风力机加速，势必引起过速停车。当电网出现电压故障时，大规模的风力机组与电网解列，将降低电网电压的支撑能力，影响电网运行的稳定性。所以，很多国家都要求并网发电的风力机必须能实现低电压穿越（LVRT）[3]，我国也于 2009 年提出了《风电场接入电网技术规定（修订版）》[4]。

目前，对电网电压跌落故障下DFIG机组的行为特性及提高其低电压穿越能力的研究，已成为国内外风电技术研究的热点问题[5]。已提出的方案有：定子侧法[6]，在电网电压故障期间，定子侧并网开关断开，将定子与电网暂时切除，直至系统电压恢复再重新并网，此方法严格意义上并非不脱网运行；直流母线电容保护法[7-8]，采用直流Crowbar吸收转子侧多余能量，控制直流母线不过压，而对故障期间的直流母线电压下降的处理方法是增加超级电容UPS，但此方法的成本过高，工程大量应用受到了限制；转子侧并联交流 Crowbar方法[9-12]，在电网电压跌落期间利用Crowbar泄放转子能量，实现风力机的低电压穿越。

我国风力发电行业起步较晚，但发展迅速，大量已运行的风力发电机组不具备低电压穿越能力。为使风力发电机组实现低电压穿越，一般常采用增加硬件的方法来实现DFIG在电网低电压故障下低电压穿越运行。鉴于我国电网导则对低电压穿越的要求为严格意义上不脱网，直流母线电容保护法的成本较高，因此，我国现行实施低电压穿越的方案中，发电机转子侧并联交流主动式Crowbar方案应用相对较多。

本文通过对电网电压骤降故障下DFIG的瞬态特性的研究，分析了电压跌落故障对无穿越能力的DFIG机组的危害，提出了DFIG低电压穿越运行的具体控制目标，并对现阶段我国应用较多的转子侧并联Crowbar低电压穿越方案进行分析；在此基础上，提出了基于动态刹车电阻（DBR）的交直流复用Crowbar低电压穿越方案，并对该方案在故障过程中的风力机低电压穿越可行性及正确性进行了验证，对故障期间的无功支撑能力、运行安全性、故障过程持续可控性方面等进行了分析。

1 DFIG的瞬态特性分析数学模型及风电场低电压穿越目标

为了研究DFIG风力机在电网电压跌落故障下的瞬态特性，首先需要建立相应的系统数学模型。按电动机在同步速旋转坐标系下，DFIG的电压和磁链方程分别为：

其中，Us、Ur分别为定子、转子电压；Is、Ir分别为定子、转子电流；ψs、ψr分别为定子、转子磁链；ω1、ωs分别为同步角转速和转差角转速。

根据式（3）、（4）得出定子电流与转子电流的表达式为：

对DFIG机组而言，定子、转子漏抗相对于励磁电抗很小。由于故障瞬间磁通不能突变，电网电压跌落，定子磁通中将产生一个直流分量，此直流分量大小与电网跌落程度保持一致性，即跌落越深此直流分量越大。系统电源跌落瞬间，转子转速维持跌落前的转速。因转子旋转速度较大且跌落瞬间转速不会突变，会在转子中感应出很大的短路电流，当电网电压三相同时跌落至0时，短路电流约为5～10倍的额定电流，此电流将对定子、转子及变频器产生危害，同时，将引起风力机齿轮箱机械扭矩突变，严重影响风力机的安全。根据电网电压跌落对DFIG风力机的影响分析，结合《风电场接入电网技术规定（修订版）》的要求，将风力机组实现低电压穿越的主要目标归结为：

a.电网故障期间，维持规定时间内风力发电机组不脱网；

b.在电网故障期间，保护风力发电机组的安全；

c.在满足安全和不脱网的要求下，提供连续、稳定、最大能力的无功功率，以协助电网电压恢复，减小电网电压崩溃的可能性。

2 基于DBR的交直流复用Crowbar低电压穿越方案

2.1 并联交流主动式Crowbar低电压穿越方案

我国现行实施低电压穿越的方案中，发电机转子侧并联交流主动式Crowbar技术应用相对较多，其系统拓扑结构图如图1所示。此方案的可行性在大量文献及现实应用中已经得到验证，但需将硬件触发晶闸管型被动式Crowbar单元，更换为软件触发IGBT型主动式Crowbar，改变了风力机原有的安全逻辑。

2.2 直流Crowbar低电压穿越方案

图1 并联交流主动式Crowbar LVRT拓扑图Fig.1 Topology of parallel active AC Crowbar LVRT system

直流Crowbar的工作原理为当电网电压跌落时，转子侧电压升高，转子能量通过GSC整流输送至直流母线，直流母线电压升高，通过控制DBR单元泄放直流母线能量，维持母线电压稳定，实现转子故障能量泄放。根据DFIG的磁链方程式（6），当电网电压深度跌落时，发电机转子电压、电流升高，考虑到风力机GSC过流能力的限制，可能达到GSC的过电流保护值，当检测到过电流，GSC封锁脉冲，GSC关断，将导致低电压穿越失败，且可能引起发电机转子过电压，引发安全事故。为实现深度跌落低电压穿越，文献[7]提出增加并联一组GSC，增大GSC的过流能力，此方法能实现电网电压深度跌落的低电压穿越，故障期间全可控，但对已运行风力机硬件更换带来很大难度，且成本很高。

2.3 交直流复用Crowbar低电压穿越方案

针对以上2种低电压穿越方案的优点和不足，结合DFIG低电压穿越的主要目标的要求，本文提出了一种基于DBR的交直流复用Crowbar低电压穿越方案，系统拓扑图如图2所示。

图2 基于DBR的交直流复用Crowbar LVRT系统拓扑图Fig.2 Topology of AC-DC multiplexing Crowbar LVRT system based on DBR

DBR由风力机IGBT控制通断，其工作原理为：当直流母线电压大于启动电压时，控制DBR回路的IGBT导通，耗散直流母线的能量，防止直流母线过压，直至直流母线电压低于关断电压时控制关断IGBT，在现有风力机中，大多已配置DBR装置。本方案采用风力机已配置的DBR装置，添加一组整流桥单元连接于发电机转子与直流母线之间，替代并联GSC（直流母线保护法）或者替代主动式Crowbar（转子侧Crowbar法）。此整流桥单元与GSC并联结合DBR装置，实现风力机低电压穿越；当电网电压轻度跌落时，整流桥截止，DBR与GSC组合形成直流Crowbar，耗散转子故障能量，实现风力机低电压穿越；当电网电压深度跌落时，GSC封锁脉冲关断，转子电压上升，整流桥导通，DBR与整流桥单元组合形成转子交流Crowbar，耗散转子故障能量，至GSC成功重启，整流桥截止，切换为直流Crowbar，实现风力机的低电压穿越。

当电网电压发生轻度跌落时，对应跌落过程中GSC未触发故障保护的低电压跌落（u/ur≥50%）：并网接触器不动作，风力发电机组保持GSC不封锁脉冲仍正常运行，并联整流桥无电流，网侧变频器（LSC）正常工作，风力发电机组处于持续全可控状态，GSC可控制发电机励磁，与电网电压跌落前运行方式保持一致，通过控制并联在直流母线上的DBR来吸收耗散风力机组的故障能量，从而实现风力机组的轻度跌落低电压穿越。此时DBR与GSC组合形成“直流Crowbar单元”，此工作方式定义为“直流Crowbar工作方式”。

当电网电压深度跌落时，对应GSC故障保护封锁脉冲的低电压跌落（u/ur＜50%）：并网接触器不动作，根据DFIG的磁链方程式（6），发电机转子电压、电流升高，可达到GSC的过电流保护值，当检测到过电流，GSC封锁脉冲，GSC关断，转子能量通过整流桥单元输送至直流母线，此时IGBT旁路二极管同样有整流电流通过。相当于整流桥单元与机侧IGBT旁路二极管并联，将发电机转子能量输送到直流母线，给直流母线充电，直流母线电压升高，通过控制并联在直流母线上的DBR通断，释放直流母线电容的能量，从而泄放转子故障能量，维持直流母线电压在设计范围内，实现风力机组的深度跌落低电压穿越。此时，并联整流桥与DBR组合形成一个“交流Crowbar单元”，此工作方式定义为“交流Crowbar工作方式”。当检测到整流电流小于GSC过流限值时，重启GSC，工作方式切回直流Crowbar方式。

此方案的Crowbar工作方式随电网跌落程度不同会发生切换，会工作于直流和交流Crowbar 2种工作方式，为交直流复用型Crowbar，因此DBR的阻值必须同时满足2种工作方式的要求。DBR阻值的合理化选择将是保证此方案可行性、提高方案优越性的必要措施[13-14]。 文献[15]推导出了交流 Crowbar阻值选取表达式：

其中，Isafe为GSC过流保护设定值；Udc为直流母线电压。

直流Crowbar工作方式运行时，DBR为变频器的制动电阻，考虑到DBR单元IGBT的过流能力限制，DBR的电流需要小于IGBT限制电流，且满足发电机制动的要求，电流为发电机额定电流的一半时可以达到与发电机额定扭矩相等的制动扭矩，得出：

其中，Imax为DBR控制单元IGBT的过流保护设定值。

根据式（7）—（9）可得出DBR阻值范围，同时结合电阻的温度特性曲线，选取合适的电阻值。

3 方案验证与效果分析

3.1 试验方案

选取一个2 MW风力发电机进行试验，系统参数如下：额定功率2 MW，定子电压690 V，定转子匝比0.36，转子电阻114 mΩ，互感抗2.41 mΩ，定子漏感46 mΩ，极对数为 2，DBR 阻值 0.8 Ω。

针对图2所示的基于DBR的交直流复用Crowbar低电压穿越方案，分别进行电网电压为35%和50%的电压跌落试验。试验中低电压穿越过程的工作方式控制逻辑如图3所示。

3.2 深度跌落试验结果

当电网电压深度跌落时，根据图3的控制逻辑，系统处于交流Crowbar工作方式。对于深度跌落，满功率运行时发生电压跌落对风力机低电压穿越能力的要求最高。选电网电压平衡跌落至35%，电网故障前风力机转速为1800 r/min，输出功率为额定功率2 MW，此工况下风力机组实现低电压穿越的结果如图4所示。图中，从上至下分别代表风力发电机组总功率（P 和 Q）、定子侧功率（Ps和 Qs）、LSC 功率（PLSC和 QLSC）、GSC 电流 IGSC、并联整流桥电流 ID、电网相电压有效值URMS、直流母线电压Udc、DBR控制电压UDBR、被动 Crowbar电流 Icrowbar。

如图4所示，当发生电网电压为35%对称电压跌落时，故障期间风力机未脱网。发生电网电压跌落，GSC检测到过电流，GSC脉冲封锁，GSC关断，转子能量通过整流桥与IGBT旁路二极管输送给直流母线。整流桥与DBR组合形成一个交流Crowbar单元，此期间工作于交流Crowbar方式。故障后45ms处，检测到整流电流小于GSC过电流限值，GSC重启，从GSC重启至故障切除，GSC正常运行，控制发电机励磁，此期间工作切回直流Crowbar方式。此次电压跌落过程，直流母线电压范围为980～1220 V，在设计电压范围内。发电机定子在[0，45]ms无功功率为0，（45，875]ms 无功功率为 559 kvar；[0，875]ms 网侧无功功率为188 kvar。

图3 基于DBR的交直流复用Crowbar LVRT流程图Fig.3 Flowchart of AC-DC multiplexing Crowbar LVRT based on DBR

图4 电压深度跌落LVRT试验结果Fig.4 Experimental results of LVRT during deep grid voltage drop

3.3 轻度跌落试验结果

当电网电压发生轻度跌落时，根据图3所述，系统处于直流Crowbar工作方式。在轻度跌落时，风力机转速在接近同步转速区运行时发生电压跌落故障，转子故障电流幅值最大，对风力机低电压穿越要求最高。选电网电压发生50%不平衡跌落，电网故障前风力机转速为1460 r/min，输出功率500kW。此工况下风力机组实现低电压穿越的结果如图5所示。

由图5可见，此次跌落为50%不对称电压跌落，整个跌落过程未脱网，GSC未封锁脉冲，GSC正常运行，并联整流桥无电流，DBR根据直流母线电压控制通断，跌落过程中，直流母线电压范围为990～1231V，在设计电压范围内，直流母线电压稳定。发电机定子在跌落期间持续发无功功率530 kvar，网侧无功功率316 kvar。

图5 电压轻度跌落LVRT试验结果Fig.5 Experimental results of LVRT during mild grid voltage drop

由以上试验结果可以得出，在电网电压跌落时，基于DBR的交直流复用Crowbar穿越方案，无论是深度跌落还是轻度跌落，均能实现风力机的低电压穿越，故障期间未与电网解列，且直流母线电压均在安全范围内运行，LSC均能向电网提供无功支撑，发电机定子均能于75 ms后提供无功支撑。

4 结语

采用基于DBR的交直流复用Crowbar低电压穿越方案，可防止当电网电压跌落过程中转子电压陡升，维持风力机不与电网解列，从而实现DFIG机组的低电压穿越；对电网轻度跌落故障，实现了风力机故障过程持续全可控，对发电机励磁的可控，跌落期间无功支撑满足电网导则要求；对深度跌落故障，通过增加并联整流桥，使风力机形成一个闭环系统，规避了GSC过流能力不足的缺陷，保证了风力机深度跌落低电压穿越的可行性，亦能实现跌落期间无功支撑满足电网导则要求，降低了改造成本。同时本文所述方案未改动风力机原有硬件触发被动Crowbar单元的结构，维持了风力机原有安全逻辑设计，保证了风力机组运行的安全性。