基于Crowbar保护电路的双馈风电系统高电压穿越

张 迪，王世玮，蔡浩然，潘一夫

（广东工业大学自动化学院，广东 广州，510006）

电网技术

基于Crowbar保护电路的双馈风电系统高电压穿越

张 迪，王世玮，蔡浩然，潘一夫

（广东工业大学自动化学院，广东 广州，510006）

针对电网电压发生骤升故障时造成的电网不稳定运行，在双馈机组转子侧加入Crowbar保护电路，增加双馈风电系统高电压穿越的能力。通过建立电网电压骤升时双馈风电机组投入Crowbar保护电路后的数学模型，并从磁链角度推导出转子侧暂态电流及其最大估算值，根据短路电流和直流侧母线耐受电压的大小，确定Crowbar电路串联的电阻值、切入和退出时间，加速系统暂态电流的衰减，实现双馈系统的高电压穿越。Matlab/Simulink仿真结果表明：控制方案增强了双馈发电系统稳定运行的可靠性，并提高了双馈风力发电系统的高电压穿越能力。

风力发电；双馈感应发电机；高电压穿越；Crowbar保护电路

目前，随着风力发电在电网中的影响越来越大［1］，尤其双馈风力发电在电力行业的广泛应用，使得双馈风力发电技术不断提高以满足电网的并网规范要求［2］。双馈风力发电机组在稳态运行时能够输出稳定的有功功率和无功功率，能够保持恒频、变速的运行状态；在电网电压发生故障时，能够通过双馈系统控制策略或在增加硬件设备的条件下，使双馈系统实现故障穿越［3］。在电网电压跌落时对双馈风力发电系统的控制策略已经相对成熟，但是对电网电压骤升时的研究则处于刚刚起步的阶段［4］。电网在实际运行过程中，风电负载的突然脱网、电网单相对地故障以及低电压穿越时无功功率过度补偿，都会造成电网电压的骤升［5］，不利于双馈系统的稳定运行，因此提高风电发电系统的高电压穿越（High voltage ride through，HVRT）能力具有重要意义［6］。通过改进转子侧/网侧变流器的控制策略和增加Crowbar保护电路，提升双馈电机的低电压穿越能力，是实现双馈发电系统低电压穿越常用的手段。考虑到发生电网电压骤升故障时，风力发电机的变桨系统不能快速调节自身的能量，造成能量的堆积，增加双馈系统固件的损害和无法正常向电网输送电能等情况［7］，针对双馈发电系统高电压穿越与低电压穿越的相似性，本文采用系统矢量控制和增加Crowbar保护电路相结合的方式实现双馈机组的高电压穿越。

1 研究现状及需要解决的问题

1.1 研究现状

目前，国内外针对双馈风力发电系统的高电压穿越技术已做了初步研究，其方法大致分为增加硬件电路与改进系统控制2类。

1.1.1 增加硬件电路策略

文献［8-9］分别提出了增加Crowbar保护电路和直流侧chopper电路的研究方案，主要为了释放在发生电网骤升时双馈电机风力机造成的能量堆积的问题，通过对电网电压故障期间，分析双馈风电系统的暂态过程，增加Crowbar电路和chopper电路对双馈系统的性能影响等问题，讨论双馈系统高电压穿越的可行性。文献［10］提出了通过增设动态电压恢复器或者静止无功补偿器的研究方案，主要是在电网发生电压骤升故障时，能够通过动态电压恢复器保持转子侧、网侧的电压稳定，同时通过静止无功补偿器吸收系统的富余无功功率。实现双馈系统的高电压穿越。上述方案都是通过增加硬件设施实现双馈系统的高电压穿越，稳定性较好，效果显著，但是无疑增加了发电系统的成套成本。

1.1.2 改进系统控制策略

文献［11-12］提出在转子d-q解耦控制中通过改变系统的阻尼系数和增加虚拟阻尼的控制方案，不仅加快了故障期间转子电压和电流的振荡时间同时降低了振荡幅值的大小。文献［13-14］针对传统PI调节器在动态响应上的不足，设计了动态性能较好的谐振控制器作为PI调节器的补充，有效减小了电网电压故障期间转子电流的冲击。改进系统控制策略都在一定程度上提高了双馈系统的高电压穿越能力。

上述文献所提控制方案都在一定程度上提高了双馈风力发电系统实现高电压穿越的能力，但在电网电压骤升时，对双馈发电系统发电机定子绕组绝缘材料使用寿命、系统的经济成本控制、系统电磁转矩的输出、输出有功/无功功率的波动均未提出有效的控制策略，因而目前双馈风力发电系统的高电压穿越运行控制仍旧存在诸多问题需要解决。

1.2 需要解决的问题

为了提出一种相比上述硬件和系统控制在经济成本和双馈风力发电系统HVRT性能上具有一定优势的一种新型控制策略。需要解决如下问题：

（1）为了使电网电压在骤升故障时采用的各种硬件经济成本有所下降，考虑现有双馈电机机组低电压穿越时增加的Crowbar电路的基础之上，实现双馈电机的HVRT控制。

（2）相较于传统PI调节器的矢量控制不能有效的抑制电磁转矩波动、故障电流衰减速度、系统有功功率和无功功率的影响等问题，考虑增加合适的Crowbar电路阻值。

（3）综合分析Crowbar电路的切入时间和退出时间，避免传统Crowbar电路频繁切入电路和直流侧电压超过额定值造成绝缘材料损耗严重。

2 基于Crowbarowbar保护电路的DFIGDFIG系统的HVRTHVRT控制

为了完成以上研究目标，本文从以下3方面进行研究。

（1）为实现双馈电机高电压穿越，在双馈发电系统转子加装Crowbar保护电路，并提出DFIG系统的机构图。

（2）从磁链角度推导出DFIG系统电网电压发生骤升时的故障电流表达式及最大故障电流估算式，依据转子侧变换器的最大承受电流和直流母线侧的最大承受电压，得出Crowbar串联电阻值的整定范围，确定Crowbar电路的串联电阻的取值。

（3）通过比较Crowbar电路在电网故障切除前后退出对电磁转矩波动、故障电流衰减速度、系统有功功率和无功功率的影响，确定增加DFIG系统HVRT能力的优化方案。

2.1 基于Crowbar保护电路的DFIG系统结构

图1为基于Crowbar保护电路的DFIG系统［15］的结构图。

图1 基于Crowbar保护电路的DFIG系统结构

2.2 Crowbar保护电路串联阻值的取值

在电网电压发生骤升故障，并且转子电流或者电压达到设定的触发条件时，电机转子侧接入Crowbar保护电路，转子电阻与Crowbar电阻串联，双馈电机作为异步电机在运行。在静止坐标系下建立增加Crowbar保护电路的数学模型［16］，将Crowbar保护电路的电阻与转子电阻串联后等效一个合成电阻，形成闭合电路，分析投入Crowbar保护电路后的双馈电机的暂态过程。图2为电压骤升故障后的定、转子侧等效电路。

图2 电压骤升故障后的定、转子侧等效电路

（1）由文献［16］转子电压方程可得双馈风电系统稳定运行时的转子电流表达式为

（2）由图2得电网电压骤升故障后的定子、转子电感分别为

式中：p—电网故障电压骤升程度；

ωslip—发电机转差。

（4）电网电压骤升故障后，由定子磁链和转子磁链引起的转子侧感应电流表达式分别如下

（5）电网电压骤升故障后，由文献［17］知转子侧电阻值由于Crowbar串联电阻的接入而改变，定、转子磁链的衰减时间常数改变为如下表达式：

（6）电网电压骤升故障后，在静止坐标系下的转子侧冲击电流表达式为

当p=1时，双馈电机转子侧受到的冲击电流最大。

（7）电网电压骤升故障后，由式（1）、式（6）可得转子绕组电流为

（8）假定电网电压骤升后，经时间Δt电流达到最大值，当转差率比较小时，可近似认为Δt=T/2，电流达到最大值：

（9）转子侧Crowbar电阻Rcw的大小，受到转子侧变换器的最大承受电流和直流母线侧最大承受电压的限制。当Rcw的取值过小时，不能有效抑制转子绕组上的冲击电流[18]；Rcw的取值过大，容易导致转子侧变换器过电流和直流母线过电压，造成元器件的损害。电网电压骤升故障期间，转子侧的最大相电压为

（10）为了避免直流母线过电压，Crowbar保护电路串联阻值的最大取值范围

式中：Rcw—直流母线侧最大承受电压。

（11）当转子磁链的衰减常数确定时，由式（5）可得串联电阻的最小取值范围：

（12）联立式（10）和（11）可知Rcw的取值范围为

在Rcw的取值范围内，选取越大的Rcw，转子故障电流越小，暂态电流和定、转子磁链的衰减时间常数也越小，有功/无功功率和转矩振荡也会相应减弱，有利于双馈发电系统故障后快速恢复［19］，但过大的Rcw会导致转子侧变换器和转子绕组上的电压过高，造成直流母线电压过大。

2.3 Crowbar电路的控制方法

Crowbar保护电路的控制主要分为2个阶段：

第一阶段，当电网电压发生骤升故障时，Crowbar控制器检测到转子侧电流增大到预定值时，立即导通Crowbar电路中的开关器件，接入串联电阻，此时DFIG系统作为笼型异步发电机继续运行［20］。

第二阶段，运行一段时间以后，当转子侧电流减小至低于预定的转子侧电流时，切除Crowbar电路，同时接入转子侧变换器，使DFIG系统恢复双馈异步发电机运行状态。

图3所示为Crowbar电路控制框图，图3中：ir.lim为转子侧预设电流值，udc.lim为直流母线预设电压值，NTlim为限制Crowbar动作的次数和时间，TDelay为延迟动作时间，Enable为脉冲信号，当Enable=1时表示Crowbar投入，Enable=1时表示Crowbar切除［21］。

图3 Crowbar电路控制

2.4 仿真验证

2.4.1 仿真验证方案

为验证增加Crowbar保护电路的控制方案对提高DFIG系统高电压穿越能力的有效性，确定Crowbar电路在电网故障切除前后退出对DFIG系统HVRT能力的影响［22］。

对比两种运行方式：一种是在电网电压恢复前的0.1 s时刻切除增加的转子侧Crowbar保护电路。另外一种在电网电压恢复后的0.1 s时刻切除增加的转子侧Crowbar保护电路。在Matlab/Simulink仿真平台上建立一台1.5 MW的DFIG风力发电系统仿真模型。设定电网电压在t=4 s时发生电网电压骤升故障，电压骤升幅值为30%，当转子侧变换器电流峰值超过1.1 p.u.时，投入Crowbar保护电路。骤升故障在t=4.2 s时刻被清除。

电机参数如下：额定功率PN=1.5 MW额定电压UN=575 V，额定频率 f=50 Hz，惯性时间常数0.685，极对数p=3，摩擦因数0.01。

标幺值参数：定、转子电阻分别为Rs=0.023和Rr=0.016，定转子互感Lm=2.9，定、转子漏感Lls=0.18和Llr=0.16，Crowbar电路串联电阻Rcw=1。

2.4.2 仿真结果

图4和图5分别为双馈系统高电压穿越的方案1和方案2运行结果。

（1）定子电压有效值对比

图4（a）中，定子电压在Crowbar电路切除后一小段时间内定子电压再次发生升高［23］。而图5（a）中定子电压在故障切除后没有升高的现象，但由于故障切除Crowbar电路继续投入，导致电压会继续降低，直到保护电路撤出；

（2）转子侧变换器电流对比

图4（b），Crowbar电路动作期间，此时通过转子侧变换器电流为零，DFIG以笼型异步发电机状态继续运行［24］，需吸收大量无功功率，从而使DFIG定子电压有所跌落。而图5（b）中转子变换器的电流则较快的收敛到正常值。

（3）直流侧电压对比

图4（c）中，当发生电网电压骤升时，系统产生较高的冲击过电压［25］，投入Crowbar电路以后，直流侧母线电压维持在一个安全的范围。而图5（c）中的直流侧电压波动幅度相对于图4（c）有很大的改善。

（4）电磁转矩对比

图4（d）中，当发生电网电压骤升时，电磁转矩会产生很大的波动。而图5（d）中电磁转矩振荡幅值较小，有效减小电网电压骤升故障下，风力机的动能对双馈机组转轴的机械冲击，延长了双馈机组转轴传动系统的使用寿命。

（5）输出有功功率对比

图4(e)中，当发生电网电压骤升时，系统有功功率最多吸收量达到1.6 p.u.，投入Crowbar电路以后，有效的降低了有功功率的吸收。而图5（e）中有功功率吸收和振荡频率有所减小。

（6）输出无功功率对比

图4（f）中，当发生电网电压骤升时，系统有功功率最多吸收量达到1.4 p.u.，投入Crowbar电路以后，有效的降低了无功功率的吸收。而图5（f）中无功功率的吸收和振荡频率都有所减小。

图4 方案1电网电压骤升幅值为30%的运行结果

图5 方案2电网电压骤升幅值30%的运行结果

3 效果评价

（1）本文控制方案是依据现有增加Crowbar电路实现双馈电机低电压穿越的硬件基础之上，实现双馈电机的高电压穿越，避免投入新的硬件保护电路，节约了经济成本。

（2）当电网发生电压骤升故障时，投入Crowbar保护电路对电磁转矩波动、故障电流衰减速度、系统有功功率和无功功率的影响都有显著的改善。

（3）当Crowbar保护电路阻值确定时，在电网电压骤升故障切除以后，再退出Crowbar保护电路，避免了Crowbar电路频繁切入，造成绝缘材料损耗，对双馈风电系统的稳定运行更加有利。

4 结论

（1）目前通过增加Crowbar硬件保护电路实现双馈风力发电系统低电压穿越的技术已经成熟，但是实现高电压穿越的控制方案研究很少。本文确定了电网电压骤升时实现双馈风电系统高穿越的可行性，给实际工程实施过程增加了系统的可靠性，减小了电网事故的危害，同时实现双馈风电系统的高/低电压穿越功能。

（2）与传统矢量控制相比，本文从磁链角度推导出DFIG系统发生电压骤升故障后的转子电流表达式及最大暂态电流估算式，依据转子侧变换器和直流母线侧的最大承受电压，限定Crowbar串联电阻值的取值范围，提高了双馈发电系统稳定运行的可靠性，保证双馈风力发电系统高电压穿越功能的实现。

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High voltage ride through for doubly fed wind power system based on Crowbar protection circuit

ZHANG Di,WANG Shiwei，CAI Haoran，PAN Yifu
(School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou Guangdong 510006,China）

Aiming at the power grid voltage occurring swell faults causing the power grid unstable operation,the Crowbar protection circuit is added to the rotor side of the doubly fed unit to increase the high voltage ride through capability of the doubly fed wind power system.By the establishment of the mathematical model after the doubly fed wind power units put into Crowbar protection circuit during power grid voltage swell,from the angle of flux derived rotor transient current and maximum estimated value.According to the short-circuit current and DC bus voltage tolerance size,determines the Crowbar series circuit resistance value,entry and exit time,accelerates the attenuation of transient current,achieves high voltage ride through of the doubly fed wind power system.Matlab/Simulink simulation results show that the control scheme can improve the reliability of the doubly fed generator system and improve the high voltage ride through capability.

wind power generation;doubly fed induction generator;high voltage ride through;Crowbar protection circuit

TM 74

A

1672-3643（2017）03-0001-06

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.03.001

国家自然科学基金资助项目（513770265）。

2017-03-05

张迪（1991），男，工学硕士，研究方向为双馈风力发电系统。

有效访问地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.03.001