无crowbar电路的双馈风电变流系统故障穿越设计

黄 中



无crowbar电路的双馈风电变流系统故障穿越设计

黄 中

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

随着电网技术的发展，对风力发电系统的故障穿越能力提出更高的要求。本文提出了一种基于无crowbar电路的双馈风电变流器系统实现故障电压穿越的方法和策略，并通过仿真验证了其合理性和可行性，对项目设计和工程化应用有较大的借鉴意义。

故障电压穿越 双馈风电变流器 crowbar电路

0 引言

近年来电力系统对风力发电行业提出了高/低电压穿越能力的考核指标，作为风力发电系统的核心部件的风电变流器产品必须在电路上和控制策略上做出相应的配置和设计[2]。对于双馈风力发电系统，为满足故障穿越能力的常规设计方法是同时配置斩波电路和crowbar电路；虽然功能可以满足，但是增加了电路的复杂程度和系统的应用成本。本文提出了一种取消crowbar电路后的故障穿越策略，既可以优化系统，也可以降低成本。

1 故障电压穿越原理及现状

双馈发电机组的转子通过双馈变流器与电网相连，定子绕组侧与电网直接相连，所以双馈风力发电系统电网电压故障较敏感[3]。故障电压穿越主要包括低电压穿越和高电压穿越，是指当电网故障或扰动引起电压跌落/升高时，在一定的电压跌落/升高范围和时间间隔内，风电机组保证不脱网连续运行。其故障电压穿越曲线如图1所示。

双馈风力发电系统如图2所示。现在风电机组要求必须具备故障电压穿越能力，而作为风电机组的控制核心——变流器必须采用相应的设计来适应各种故障电压工况。高电压故障主要是由于电网电压升高导致变流器直流电压升高，半导体器件会失效；针对高电压故障穿越主要是通过变流器直流母线配置斩波模块的方式来实现，能量泄放路径如图1所示。低电压故障主要是电网电压突变（跌落）而发电机定子磁链不能突变，这样就会引起转子侧过压或者过流；低电压故障穿越是在发电机转子侧配置crowbar电路来应对，能量泄放路径如图2所示。

图1 故障电压穿越曲线

图2 双馈风力发电系统

2 无Crowbar电路的故障穿越设计

由于电网的高电压故障和低电压故障不会同时发生，所以本文提出一种取消Crowbar电路和电阻，而采用直流斩波电路来实现。取消Crowbar电路后，高电压故障穿越策略与图2一样，低电压故障穿越策略如图3所示。

图3 无Crowbar双馈变流器系统拓扑

无Crowbar电路的高电压故障穿越还是采用斩波电路抑制直流电压不超过安全值；但是电网发生电压跌落故障时，由于双馈电机的定子侧是与电网直接相连，这样会造成比较大的电磁暂态响应。发电机定子磁链是不能突变的，所以在电网电压突然跌落时为保障瞬间发电机定子磁链保持不变，磁链中会有暂态直流分量[1][5]。

变流器以及风力发电机的建模分析在相关文献中有详细分析，本文不再赘述。双馈电机的电压和定子磁链的关系方程为:

电机的理想磁链方程为：

由上可知磁链和定转子的电流关系为：

风力发电机的定子和转子之间时刻存在相互耦合关系，在电网电压跌落时，双馈电机的定子磁链会发生振荡，使定转子电流中包含有直流和交流成分，致使转子电路中电压和电流急剧升高[4]。为了保证风电机组正常运行必须采用合理的策略来抑制转子电流/电压，利用机侧变流器IGBT反相二极管组成的三相整流桥提供能量通道把转子能量向直流侧输送，当直流电压超过保护值时，开通斩波电路抑制直流电压升高；同时配置合理的斩波电阻来抑制转子电流。无Crowbar电路低电压穿越原理如图4所示。

当发生低电压跌落时，定子电流的动态响应可以用如下方程表示：

图4 无Crowbar电路的低电压穿越等效电路图

一般电阻要比定转子电阻大得多，从图4的等效电路分析定转子侧的等效阻抗可以表示为:

其中，通过这两式可以计算出定转子的时间常数：

所以低电压电压过程中，定转子侧电流瞬时值为：

根据上式，可以近似认为定转子故障电流的最大值为：

在变流器模块和斩波电路设计中需要承受上述电流值而不损坏。斩波电阻选择要考虑系统可承受的最大电流，因为斩波电阻越小越有利于发电机能量快速泄放，但是电流不能大于系统可承受的最大电流（Isafe）：

可以计算出斩波电阻最小值：

同时如果电阻取的越大,故障时电阻上面会出现很大的电压。这个过电压会对直流母线上的电容进行充电,过高的电压会损坏电容甚至变频器[3]。所以需要电路电阻上的电压小于直流母线上可以接受的最大电压：

由此可以计算出斩波电阻的最大值：

3 仿真分析

通过上述计算设计过程，结合工程化应用项目（3.6 MW双馈变流器）搭建MATLAB仿真模型，对无Crowbar电路的故障电压穿越工况进行仿真，验证设计的正确性。仿真模型如图5所示。

图5 无Crowbar电路的仿真模型

仿真结果如图6所示。在t1=4 s时刻电网电压三相对称跌落到0%，此时变流器进入低电压穿越工作状态。发电机的定子磁链感应到转子侧导致转子电压升高，此时网侧和机侧变流器已经停止逆变工作状态，转子电压通过三相整流桥向变流器测流侧充电导致直流电压升高（见图中直流电压波形），当直流电压超过变流器整定值时，开通直流斩波电路将能量消耗在斩波电阻上。在t1=4.2 s时刻电网恢复正常，变流器也恢复正常运行，已经成功实现0电压故障穿越（低电压穿越最严酷工况）。

图6 低电压故障穿越仿真波形

在低电压故障穿越过程中，转子电流瞬时升高但是在可控范围以内，直流电压控制在安全范围内。

4 结论

采用本文提出无Crowbar电路的双馈变流器设计不仅可满足电网的故障电压穿越要求，而且对其他故障态的应对更直接有效；由于省略了Crowbar电路电路上更简单，成本也更有优势。

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Fault Traversal Design of Doubly-Fed Wind Power Converter System Without Crowbar Circuit

Huang Zhong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM614

A

1003-4862（2019）05-0010-04

2018-12-03

黄中（1978-），男，高工。研究方向：电机电器及其控制。E-mail: huangzh124@163.com