IGBT型Crowbar保护电路仿真研究*

2017-12-21杨睿碗何志琴周进马文辉

电测与仪表 2017年15期

杨睿碗，何志琴，周进，马文辉

（贵州大学电气工程学院，贵阳 550025）

0 引言

在大型变速恒频风力发电系统中，双馈电机占了很大比重，而且随着双馈感应风力发电机组单机容量和装机容量的不断增大，发电机与电网的相互影响变得越来越重要［1-2］。为了保护励磁变频器，通常采用在转子侧加装主动式Crowbar保护电路。而该保护电路中卸能电阻最优值的选取一直是研究的重点和难点。

卸能电阻过大，会在转子侧变流器上产生过电压，不能保护转子侧变流器，过小又不能限制转子暂态电流［3-4］。

本文建立了双馈感应发电机T型等效电路模型，讨论了IGBT型 Crowbar保护电路中电阻阻值的选取范围。并对电压跌落情况下DFIG相应特性进行仿真分析。

1 建模过程

1.1 IGBT型Crowbar保护电路

转子侧active IGBT型Crowbar保护电路拓扑（见图1）。每个桥臂由2个二极管串联而成，直流侧串入1个IGBT器件和一个吸收电阻。当转子过流时，通过检测信号给予IGBT的导通信号，从而通过直流端的电阻释放能量，起到泄流保护作用［5］

图1 IGBT型Crowbar保护电路Fig.1 Crowbar protection circuit based on IGBT

2 建模以及保护电路实验

在ABC坐标系下，双馈风力发电机T型等效电路［6-7］（见图2）。

图2 双馈感应发电机T型等效电路Fig.2 DFIG T-type equivalent circuit

其电压方程为：

磁链方程为：

其中：

将式（2）变换成用定转子磁链表示定转子电流形式如下：

通常情况下，DFIG的励磁电感Lm远大于定、转子漏电感Lδσ和Lδr，将此条件代入可得：

从而得出等效回路进一步简化（转子侧接入Crowbar，不考虑瞬间运动电动势）如图3所示。

图3 双馈式风力发电机等效电路图简化模型Fig.3 Simplified model of equivalent circuit diagram of doubly fed wind generator

得出暂态的定转子电流幅值表达式如下：

由于定转子电阻相比Crowbar电阻小的多，可忽略得出定转子电流的幅值为：

从而得出定、转子电流的近似表达式

2.1 却能电阻最优值选择

电网发生电压跌落时，接入Crowbar保护电路。定子、转子此时电流的峰值与Crowbar中卸能电阻的阻值相关，若卸能电阻过大，故障电流的峰值就相应越小。转子侧增加保护电路后的最大电流值小于转子侧正常运行时电流的最大值［8］，即：

为防止直流母线电压超过额定值而危害变换器的正常运行。因此，Crwobar保护电路电阻上的电压应该小于直流母线可以承受的最大电压［9-10］，即：

可得：

经过推导得出Crowbar保护电路电阻的取值范围，由公式可以看出其取值和诸多参数均相关包括发电机定子侧和转子侧电感电阻的大小。当电网发生故障时不同的电压跌落深度转子侧过流值也不相同，正常电机工作时转子侧电流小于定子侧电流，因此采取在转子侧增加保护电路方法更可行。

2.2 实验条件

本文通过建立双馈风力发电机（DFIG）的数学模型来验证Crowbar保护电路。该模型主要包括直流电机、绕线式异步电机、鼠笼式异步电机、自耦变压器、Crowbar保护电路、万用表、测速仪、控制柜、直流稳压电源、数字示波器、低电压穿越发生电路，其他控制电路和实验用具若干。本文主要介绍了Crowbar保护电路。

风力发电机模拟系统，由直流电机拖动绕线式异步电动机模拟双馈式风力发电系统。通过调节直流电机转速来模拟风速的变化，当控制直流电机转速超过异步电机额定转速时，双馈式异步电机处于超同步运行状态此时.转子向电网输出功率。当控制直流电机转速低于绕线式异步电机额定转速时，DFIG处于亚同步运行状态，此时电网向转子输入功率。当控制直流电机转速等于绕线式异步电机额定转速时，此时工作状态与常规同步发电机一样。

2.3 实验结果

Crowbar控制保护电路原理主要是当电流霍尔传感器检测到电流有较大变化时，输出一个高电平给电路控制器，控制器检测到高电平信号输出PWM

信号给驱动芯片，触发Crowbar控制电路导通，实验中为了更明显的效果在Crowbar保护电路接了一个红色LED灯，在Crowbar控制电路导通时红色LED灯亮，（见图4）。

图5中为驱动芯片的驱动信号，输入PWM信号时驱动芯片变输出+15 V的驱动信号，从而驱动IGBT导通，红色LED灯亮。

经过测试IGBT电路可以正常运行，当IGBT导通以后转子侧所带负载鼠笼式异步电机转速明显下降，证明一部分能量通过Crowbar保护电路中卸能电阻释放掉了。

图4 Crowbar实验电路Fig.4 Crowbar experimental circuit

图5 驱动信号Fig.5 Driver signal

3 LVRT仿真验证

为了深入研究active IGBT Crowbar保护电路在电压跌落时的动态响应参数。本文在MATLAB/Simulink中搭建一台增加了IGBT型Crowbar保护电路的变速恒频DFIG风力发电系统模型，仿真参数设置如下：

双馈发电机（DFIG）：额定功率为参数：6×1.5/0.9 MW；线电压为575 V；频率50 Hz；定子电阻为0.007 06 p.u.；定子电抗为0.171 p.u.；转子电阻为0.005 p.u.；转子电抗为0.156 p.u.；发电机的惯性参数5.04 s；阻尼系数为0.013 p.u.（p.u.为标么值）。

风机参数为：额定功率为6×1.5 MW；跟踪点风速8 m/s；最大桨矩角45°；桨矩角最大变化率2°/s。仿真算法选择Ode23tb，其他风机参数默认。

仿真中选择Crowbar保护电路卸能电阻阻值为1.13Ω。

电网电压发生三相对称故障，故障使得系统电压跌落50%。1.2 s时故障发生，1.825 s时故障清除，持续0.625 s。Crowbar保护电路方案设定为：

方案1：电网电压跌落50%未接入Crowbar；

方案2：电网电压跌落时加装 active IGBT型Crowbar保护电路。

3.1 方案1动态响应情况

偶数图6～图14给出电网电压跌落50%未接入Crowbar保护电路时的直流母线电压、风机转子侧电流、风机转子侧电压、风机输出有功功率、风机输出无功功率等参数的动态响应曲线。由这些图可以看出，故障发生前直流母线电压有一定范围波动。在电压跌落发生时和故障清除后一瞬间，直流母线电压、转子侧电流、电压等量都出现了很大的尖峰和明显的振荡。而且电压故障恢复时各参数的振荡更严重，在正常工作中，可能会触发风力发电机保护系统而自动停车。以未接入Crowbar保护电路作为对比论述加装Crowbar电路的必要性。

图6 直流母线电压Fig.6 DC bus voltage

图7 加Crowbar电路直流母线电压Fig.7 Plus Crowbar circuit DC bus voltage

图8 风机转子侧电流Fig.8 Fan rotor side current

图9 加Crowbar电路转子侧电流Fig.9 Plus Crowbar circuit rotor side current

图10 风机转子侧电压Fig.10 Fan rotor side voltage

图11 加Crowbar电路转子侧电压Fig.11 Plus Crowbar circuit rotor side voltage

图12 风机输出有功功率Fig.12 Active power output of wind turbine

图13 加Crowbar电路有功功率Fig.13 Plus Crowbar circuit active power

图14 风机输出无功功率Fig.14 Output reactive power of wind turbine

3.2 方案2动态响应情况

图7、图9、图11、图13、图15为电网电压跌落时加装active IGBT型Crowbar保护电路的直流母线电压、风机转子侧电流、风机转子侧电压、风机输出有功功率、风机输出无功功率等参数的动态响应曲线。在未发生故障前直流母线电压在较小范围内波动。仿真结果证明，Crowbar保护电路与电网电压跌落同时投入，能量经过三相整流桥流入卸能电阻，通过卸能电阻释放掉。卸能电阻电压与电流曲线分别如图16和图17所示。增加保护电路后的转子侧电流有明显的减小，转子侧电压也较未增加保护电路有明显的降低。