Crowbar电路对双馈风力发电机暂态过程的影响分析

宋成宝,杨啸天,刘兴华,赵法起

山东农业大学 机械与电子工程学院,山东 泰安 271018

Crowbar电路对双馈风力发电机暂态过程的影响分析

宋成宝,杨啸天,刘兴华,赵法起

山东农业大学 机械与电子工程学院,山东 泰安 271018

本文以Crowbar电路在双馈异步感应发电机组并网故障时对系统暂态的影响为研究对象，利用MATLAB/Simulink仿真平台建立了风电并网系统模型，分析了Crowbar电路参数和切除时间对双馈风力发电机低电压穿越暂态过程的影响。仿真结果表明，选择合适的Crowbar电路参数和故障后该电路的切除时间，能有效地减小暂态过程的直流分量，提高网侧稳定性和风机系统低电压穿越能力。

风力发电机;Crowbar电路;电阻阻值;切除时间

我国陆地面积广阔，海岸线长，探明的风能资源非常丰富。最近几年，风电总装机量迅速增加；2013年至今，总装机容量稳居世界第一位。普通风电机组应对电网故障的能力较弱，在电网电压跌落或波动时会退出电网运行，以保证机组自身安全。随着风电总装机容量及并网容量的增长，由于其定子侧与电网直接相连，当电网故障引起电压突降时，会导致DFIG定子侧电压骤降,并在转子侧感应出较大的电流，导致转子侧出现过电流和过电压，严重时可能损坏变流器和电机，风电机组的上述运行特性在电网故障时会丧失对电网电压的支撑作用，并可能引起严重的连锁反应，威胁电网的稳定运行。为保证电网的可靠运行，电网运行单位要求并网风电机组必须具有低电压穿越能力，即电网故障发生后的一段时间内，要保证风电场继续向电网送电，不脱离电网，甚至要向电网输送一定的无功功率，来帮助快速恢复电网电压[1]。众多风力发电领域的学者认为，风电机组在设计、制造与控制技术上的最大挑战就是低电压穿越能力的提高，其决定了风电资源能否被大规模利用。

本文中介绍的Crowbar电路能有效提高风力发电机在暂态过程中低电压穿越能力，安装在转子侧，可大幅减小转子电流中的直流分量，保护发电机组免受大电流、大电压的冲击。文献[2]-[4]中讨论了Crowbar电路参数对系统的影响，但对整个风力发电系统的数据分析还不够完善，没有充分考虑其他相关参数的变化。

本文以双馈感应风力发电机（DFIG，Double-Fed Induction Generator）为研究对象，分析了电网正常运行及故障期间Crowbar电路对发电系统暂态参数的影响。本文首先在MATLAB/Simulink中搭建包含Crowbar电路的风电机组并网模型，然后从Crowbar电路电阻阻值、切除时间两个方面，分别讨论电阻对转子电流、电磁转矩、转子转速的影响，以及切除时间对电磁转矩、变流器转子侧电流、发电机发出的有功功率及无功功率的影响，分析Crowbar电路对发电机暂态过程的影响。

1 MATLAB/Simulink中建立系统模型

1.1 Crowbar电路模型

Crowbar电路原理是利用可控元件（如IGBT）控制其保护电阻的投切。Crowbar电路分为被动式和主动式电路，被动式电路包括反并联式、整流桥式；主动式电路包括反并联式、整流桥式、混合式[5]。本文选取了主动式电路中的整流桥式（图1），由二极管整流桥、IGBT、电阻构成。

负载侧故障时，电网电压跌落，故障电流很大，当Crowbar电路控制系统检测到该过电流时，会开通Crowbar电路，并旁路转子侧变流器，DFIG运行在异步机状态。此时定转子电阻以及放电电阻将使DFIG中的磁链暂态分量迅速衰减。由于转子电流中含有一定的振荡分量，不能在监测到电流恢复正常时马上切断Crowbar回路，而是应该在电流值恢复到限值后再经过一段时间将Crowbar电路切除，使转子侧变流器恢复工作，此后发电机的输出有功无功功率将根据故障下的电网实际电压进行调整[6]。

Crowbar电路的控制原理可见图2的控制流程图。从异步发电机参数中取转子侧电流信号，对其取绝对值，判断电流幅值大小。当其中一相相电流幅值大于1.2(p.u.)时，打开Crowbar电路，投入旁路电阻。之后对该电路闭锁0.2 s，防止反复开关，引起振荡。0.2 s后若电流幅值已经降到0.8（p.u.）以下，关断该电路，触发电路的控制模型见图3。

图1 Crowbar电路示意图Fig.1 The schematic Crowbar circuit

图2 Crowbar电路控制流程图Fig.2 Control process of Crowbar circuit

图3 Crowbar电路触发部分模型Fig.3 Trigger model of Crowbar circuit

1.2 风电并网模型

为了研究 Crowbar电路在低电压穿越时的作用，需建立风电并网系统仿真模型。在MATLAB/Simulink中搭建如图4所示的双馈风力发电机系统模型，该模型是由6台1.5 MW风力发电机组成，输出额定电压为575 V，发出的电能经过变比为575V/35kV的升压变压器，通过长度为50 km的输电线路并入无穷大电网。线路末端接有负载，负荷为10 MW。风电并网系统见图5，电力系统子模块见图6，其中B35为测量元件，用来获取负载侧电压。电网故障起始时刻设为1.1 s，结束时刻设为1.3 s，短路点位置设在负载端，短路类型设为三相对称接地短路，接地电阻为0.001 Ώ（以下电阻阻值不再标明单位，默认单位是Ώ）。

参数设定完毕后，选择离散算法，仿真起始时间设为0 s，仿真终止时间设为1.5 s，利用Powergui模块设置采样时间为0.05 ms。

图4 实际风电并网示意图 Fig.4Actual wind power schematic

图5 风电并网系统模型图Fig.5 Wind power system model

图6 电力系统模型图Fig.6 The model of power system

2 Crowbar电路电阻阻值对故障后风力发电系统参数的影响

Crowbar电路中电阻是一个核心元件，它的大小会影响整个系统的运行特性，现对转子电流、电磁转矩、转子转速参数进行分析。

下面分别令r=0.001、0.01、0.03、0.05、0.1、0.5，得到转子电流、电磁转矩、转子转速的波形图（图7-图12）。由图7(a)、图8(a)、图9(a)、图10(a)、图11(a)、图12(a)分析可以得出：

（1）故障后转子电流陡升，但上升幅度不是随电阻阻值线性变化。当r≤0.03时，上升幅度随电阻阻值的增加而减小，当r＞0.03时，转子电流跃升最大值稳定在2(p.u.)左右。

（2）当电网负载侧三相短路后，稳态电流分量将会衰减，同时，由于励磁不能突变，将会在转子侧产生很大的暂态感应电流。稳态电流衰减分量和暂态感应电流分量叠加即为故障发生后转子侧的短路电流。当电阻值较小时，转子电流中的直流分量不能消耗掉，造成故障结束后转子电流波形中还含有直流分量，不利于故障后系统的恢复[9]。

（3）电阻值的增大可以使转子电流总体幅值下降，满足线性关系。

综上，取r=0.03，转子电流最大幅值相对较小，利于优化系统的暂态运行特性和提高其故障后恢复能力。上述结论只局限在对转子电流的分析，下面对电磁转矩进行分析讨论。

由图7(b)、图8(b)、图9(b)、图10(b)、图11(b)、图12(b)分析可知：

（1）故障发生后，电磁转矩有一次较大的波动，但不同电阻值所对应的电磁转矩的波动情况又是不同的。在r≤0.03时，波动随电阻阻值的增大而减小，当r＞0.03后，波动幅度反而增大了。

（2）电磁转矩的波动与转子电流故障后的阶跃幅度有一定的关系，当电流的阶跃幅值较大时，电磁转矩的波动幅度也较大，当阶跃幅值减小后，波动幅度也跟着减小。

由图7(c)、图8(c)、图9(c)、图10(c)、图11(c)、图12(c)分析可知：

（1）随电阻阻值的增大，转速的变化没有明显的规律，且转速变化也不是很明显。

（2）转速的变化与电磁转矩的变化是相关的。当电磁转矩的数值较小时，转速升高的数值变大。当转速达到某个内部限定值时，风力发电机会脱网运行，对低电压穿越是不利的。

由图7、图8、图9、图10、图11、图12分析可知：

（1）Crowbar电路中电阻阻值的大小影响表征系统运行特性的相关参数，本文选取了其中三个较为重要的系统参数进行分析。选择合适的电阻阻值，能有效的减小负载侧故障时发电机转子电流和电磁转矩的波动。

（2）Crowbar电路安装于发电机转子侧，能影响发电机转子电流，同时也能影响定子电流，由电流可构成发电机内部的磁场，电流的变化必然要影响内部磁场。

（3）磁场的变化会影响电磁转矩的变化，在磁场发生较大变化的情况下，电磁转矩会发生振荡，振荡的幅度与电流的阶跃幅值有关。

（4）电磁转矩的变化会引起转子转速的变化，当电磁转矩较小时，转子受到的力矩较小，在机械转矩不变的情况下，必然会造成转子转速的增加，严重时会造成风电机组脱网。

总之，随着Crowbar阻值的增大，最大转子电流逐渐减小，其出现时间在半同步周期内逐渐提前，但转子侧最大电压逐渐升高；在保证网侧变流器不过压的情况下，若Crowbar阻值在合理范围内偏大且Crowbar在故障切除前退出运行，则DFIG的低电压穿越性能更好。

图7 R=0.001Fig.7 R=0.001

图8 R=0.01Fig.8 R=0.01

图9 R=0.03Fig.9 R=0.03

图10 R=0.05Fig.10 R=0.05

图11 R=0.1Fig.11 R=0.1

图12 R=0.5Fig.12 R=0.5

3 Crowbar电路的切除时间对风力发电系统参数的影响

在本文建立的系统模型下，取Crowbar电路电阻值为0.01，对Crowbar电路的不同切除时间进行仿真，故障结束时间为1.3 s，利用阶跃函数在1.28 s、1.30 s、1.32 s切除Crowbar电路[10,11]，得到系统参数波形（图13，图14，图15）。

由图13(a)、图14(a)、图15(a)分析可知：

（1）切除时间为1.28 s，在切除该电路后，电磁转矩先下降，但到1.3 s故障结束后又出现了阶跃，但因为切除时间的提前，使阶跃幅值变小。

（2）切除时间为1.3 s，切除该电路时，即故障结束时，因电流的变化电磁转矩出现阶跃。

（3）切除时间为1.32 s，因电阻抑制了冲击电流，所以电磁转矩的阶跃有效减小了。

图13 t=1.28 sFig.13 t=1.28 s

图14 t=1.30 sFig.14 t=1.30 s

图15 t=1.32 sFig.15 t=1.32 s

由图13(b)、图14(b)、图15(b)分析可知：

由图13(b)可以明显看出，因为提前切除Crowbar电路，造成转子侧出现电流的阶跃，会对变流器造成冲击。切除时间的延后可以减小切除电路后的电流变化，使变流器电流能够稳定恢复。

由图13(c)、图14(c)、图15(c)分析可知：

切除时间的提前使有功功率的变化优于另外两种情况，波动幅度更小，输出的有功功率恢复稍快，且没有从电网吸收有功功率，有利于系统的稳定。在故障结束后，发电价从电网中吸收了有功功率，但因为切除时间的延后，吸收的有功功率有所减少，且波动幅度也较小。

由图13(d)、图14(d)、图15(d)分析可知：

（1）Crowbar在故障切除前退出运行与故障切除后退出运行相比，前者的无功暂态扰动明显小于后者，前者的机端电压恢复速度明显比后者快，因切除时间的不同，无功功率的波形变化较大。

（2）Crowbar在故障切除前退出运行使得DFIG在故障切除后不仅从电网吸收的无功更少，而且随后能向电网提供更多的无功支持，有利于电网电压的恢复。这是因为若Crowbar过晚退出，则可能导致短路故障切除后Crowbar仍在运行，此时，由于DFIG处于异步运行状态，DFIG将从电网吸收大量无功，不利于电网电压的恢复。

由图13、图14、图15分析可知：

（1）切除时间的提前会造成电流的阶跃，引起与电流相关的系统参数的变化，对系统稳定性是不利的。但是从有功功率和无功功率来看，切除时间的提前使发电机输出的功率较为稳定。

（2）Crowbar在短路故障切除前退出运行，DFIG的低电压穿越效果更好，但也不能过早退出，因为过早退出将不能有效抑制转子侧的短路电流，同时也将导致转子电流暂态扰动过大。

4 总结

本文建立了包含Crowbar电路的风力发电并网系统MATLAB/Simulink仿真模型，主要讨论了Crowbar电路的电阻阻值和切除时间对系统运行特性的影响。仿真结果表明，当电网发生短路故障时，Crowbar阻值过小将不能有效抑制转子侧的短路电流，从而可能损坏转子侧变流器；Crowbar阻值过大，可能会导致网侧变流器的直流侧出现过电压，也会损坏网侧变流器。通常，在合理取值范围内，Crowbar阻值越大对转子侧过电流的抑制效果就越明显；同时，Crowbar电路中电阻的适当选取同时可以减小电磁转矩的波动；Crowbar电路在故障时切除时间提前会造成转子电流的阶跃，切除时间的延后可能会造成风力发电机吸收系统中的有功和无功，不利于系统的稳定和恢复，在实际应用中可根据具体情况选择合适的切除时间。

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The Influence of Crowbar Circuit on Transient Process of Doubly Fed Wind Generator

SONG Cheng-bao,YANG Xiao-tian,LIU Xing-hua,ZHAO Fa-qi
College of Mechanical&Electrical Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China

This paper aimed to research the influence of Crowbar circuit to the transient process of power system when double fed induction generator(DFIG)unsuccessfully connected to the power system.Based on the software of MATLAB/ Simulink,a wind power grid model connected to the power system was established and the influence of Crowbar circuit resistance and removal time to the ability of low voltage ride through of wind grid was analyzed.The simulation results indicated that proper parameters and removal time of the Crowbar circuit could effectively reduce the DC component in the transient process and improve the stability of the wind grid and the ability of low voltage ride through of the wind grid.

DFIG;Crowbar circuit;resistance;clearing time

TM315

:A

:1000-2324(2017)03-0423-06

2015-09-07

:2015-09-15

山东省企校共建工科专业电气工程与智能控制建设项目资助

宋成宝(1989-),女,讲师.主要从事电力系统模拟仿真.E-mail:ziwei_s1@163.com