Crowbar电路在低电压穿越技术中的研究

许傲然，张 柳，刘 峰，张 翼

(沈阳工程学院电力学院，辽宁沈阳110136)

随着风电的发展，电网和风机之间的相互接纳能力成为风电技术研究的热点.低电压穿越(Low Voltage Ride Through LVRT)的定义为当电网电压发生波动时，风电机组通过并网变流器的控制策略，安全稳定地通过这个时间区域，同时可以向电网注入无功功率，帮助主电网恢复稳定.在风电并网低电压穿越技术研究中，主要分为并网变流器的控制和在并网拓扑主电路中加入crowbar保护电路［1-2］.其中变流器的控制技术主要是电网侧变流器的控制技术，其通过大功率开关器件的发展，目前已比较成熟.在我国西北地区风电发展过程中，电网电压波动时曾造成了风机被动离网事故，使得crowbar保护电路技术成为热点.引入crowbar保护电路可以及时保护风机和并网变流器［3］.在此，主要研究电网故障电压跌落对风机变流器的影响，然后提出了一种带有制动单元的crowbar保护电路，从而实现了风机低电压穿越并向电网回馈电能帮助电网恢复电压.

1 电网电压波动对风机并网的影响

我国风力发电系统采用的风机主要为双馈风机和永磁直驱风机，2种风机在电网电压波动时所产生的动态响应因为其本身结构而不同.双馈风力发电机，当电网电压波动时定子直接和电网相连其磁链不能突变，因此产生直流分量［4］.双馈风机的转子通过变流器与电网相连，电网电压波动时会产生较大的转差，因此带来的大电压和电流会损毁转子回路和与转子相连的变流器［5］.对比双馈风机，永磁直驱风机的低电压穿越能力较好.由于永磁直驱风机与电网直接通过变流器相连，因此电压波动时并不影响风机侧变流器，当波动消除后，风机可以快速恢复正常运行状态.但当永磁直驱风机在电网电压波动，尤其是电压下降时，必须限制风机侧的功率输出，以保证电网侧和风机侧功率平衡、能量平衡，保证系统直流部分电压稳定.在此通过深入研究和仿真验证，提出在风机并网系统中，在直流部分设置带有制动单元的Crowbar电路，通过这部分电路吸收风机在电网电压波动时输出的多余能量，同时辅助电网侧变流器的控制策略，以保证并网系统直流部分不会因为电网电压波动而升高，保持电压稳定，增强风机并网系统的低电压穿越能力.

当电网电压波动时，首先在变流器中产生过电流，由于对功率器件的保护，限流电路将致使直流母线上产生过电压，直流母线上带有多余的能量，必须采取合适的手段使多余的能量有释放的通道，才能达到保护风机和并网系统的稳定运行，提高低电压穿越能力［6］.Crowbar电路是目前风机并网系统中最常采用的电网电压波动时对并网系统的保护电路，含有Crowbar电路的低电压穿越技术一般分为以下3种形式:

1)储能Crowbar电路.主要方法为直流母线带有储能设备，当电网电压波动引起直流母线电压过高时，储能设备投入运行使系统能量平衡，系统恢复正常后，储能设备可以通过逆变器将能量传递到电网.该方法虽然可以使能量最大利用，但却增加了储能设备，系统成本和体积都有所增大，并且回馈能量需要合适的控制策略.

2)增加辅助网侧变流器.其方法为在电网网侧并联额外的变流器系统，当电网电压波动系统能量不平衡时，通过变流器转移多余的能量.该方法成本较高，只在实验室中普遍采用.

3)能量消耗型Crowbar电路.其方法为在直流母线上带有以电阻作为耗能原件的电路，直流母线的多余能量将由耗能元件消耗掉.由于能量平衡的损失非常小，虽然被消耗并不会对系统能量效率有很大影响，同时因为控制策略简单，故采取此方法作为研究重点.

2 风电并网系统低电压穿越电路的设计与控制

所设计的可消耗能量的crowbar电路结构为电阻和IGBT串联，设置在直流母线上，一般称为风电机组并网制动单元.并网系统变流器一般为三电平电路，接线方式为接在正母线与中点O之间和中点O与负母线之间，该接线方式的优点是电路的IGBT和变流器相同，故可方便控制策略的编程.如图1所示，制动单元Crowbar电路在电网波动直流母线电压升高时启动，开关管导通，中间电容通过电阻放电，此时直流母线上的多余能量释放，电压降低，当电压恢复到正常状态时，开关管关断.控制系统通过控制开关管的状态就可以维持直流母线电压稳定，保证风机不离网运行，达到低电压穿越的目的.

图1 风电并网系统制动单元原理

在风电并网系统中，消耗能量的crowbar电路结构比较简单，控制方便.但由于电网电压的不确定性，能否选取合适的电路原件参数十分关键，其中应考虑的因素有以下几点.首先当开关管关断时，电路中的二极管为电阻中含有的杂散电感提供续流通路，消耗能量的crowbar电路此时接在正负母线两端，风电机组还处于满发状态，而电网侧的能量吸收系统只能接受电压波动后的额定功率，此时的功率差完全依靠耗能电路消耗掉.因此电阻的选择至关重要，过大的阻值不能释放多余的能量，而电阻阻值太小，RC电路的放电时间过短，会造成开关管的开关频率过大，同时也增大了器件损耗.这里设计的原则为按电网电压下降到额定电压的20%，消耗能量的crowbar电路的瞬时吸收最大功率为Pmax=0.4×P，电路中的电流应大于中间直流电流的纹波峰值.

4 试验及结论

利用1.5 MW的直驱风电机组及并网变流器构成并网系统，模拟电网电压波动情况，设定电网并网点电压跌落为额定电压的20%，持续时间为3 s.具体电路如图2所示，系统参数及设定参数如表1所示.

图2 系统制动单元电路

表1 制动单元电路参数表

系统的控制流程为模拟电网电压因故障跌落，电网侧的变流器输出电流按正比跌落.系统控制策略采用滞环控制为开关管提供开通关断指令.具体过程为:电路中间电容端电压大于750 V时，IGBT导通，使得开关管开始斩波，电容放电，电路电阻散热耗能;当电容端电压小于650 V时，IGBT关断，中间电容开始充电.电网电压波动时中间电容将会反复充放电，直到电网电压恢复正常.

假设在0.3～0.4 s时，把电网侧并网变流器关断，造成系统中功率不平衡，直流部分母线电压升高，达到crowbar电路设定的滞环控制值时导通IGBT，通过耗能电阻释放风机此时的输入功率，得出的波形如图3所示.

图3 电网电压波动时中间直流电压波形

从实验波形的显示，直流母线电压在电网电压波动的时间内为频率不均的三角波.其原因就是此时段crowbar电路的中间电容和耗能电阻在循环持续释放电机的输入功率，而且此时的电压波动因为crowbar电路的存在一直维持在安全设定值范围内，故直流母线电压没有过高.在电网电压波动结束后，电网侧变流器恢复并网状态，此时风机的能量将正常输入电网，实现风机低电压穿越.仿真结果验证了所设计的耗能型crowbar电路可以有效地实现风机低电压穿越能力，以该研究作为基础，针对电网电压波动时电网侧变流器采用合理的控制策略和流程，并网系统将实现同时无功注入，帮助电网恢复电压.

［1］张学广，徐殿国.电网对称故障下基于 active crowbar双馈发电机控制［J］.电机与控制学报，2009，13(1):99-103.

［2］李建林，许宏华.风力发电低电压运行技术［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［3］ Nian Heng，Liu Jiao，Zhou Peng，He Yikang，et al.Improved Control Strategy of an Active Crowbar for Directly-driven PM Wind Generation System under Grid Voltage Dips［J］.International Conference on Electrical Machines and Systems，2008，1(1):2294-2298.

［4］关宏亮，风电机组低电压穿越功能及其应用［J］.电工技术学报，2007，22(10):173-176.

［5］孙 强，苗继春，风力发电机组低电压穿越能力分析［J］.东北电力技术，2009(6):43-47.

［6］谢宝昌.兆瓦级风力发电机综述［J］.电机与控制应用.2007，34(2);1-4，15.