改进Crowbar低电压穿越研究

李辰浩

（国网湖北省电力公司监利县供电公司，湖北 荆州 433300）

0 引 言

随着能源互联网脚步的不断加快，风力已成为能源互联的重要组成部分。随着风力发电在电力系统的占比逐渐增加，风力发电对电网的冲击和电网故障后对风机出力的影响不断扩大。电网故障后，风力机组的重启需要耗费大量的电能重启风机叶片转动。因此，在电网故障后如何控制风电机组在与电网连接点处的电压降低时仍能保持一定的叶片转动惯性持续出力，从而保障机组安全和电网的稳定运行成为亟待解决的问题。

1 改进Crowbar保护电路下的双馈风力发电机组

1.1 双馈风力发电机组模型

双馈风力发电机调速范围较大，能够独立自主调节有功和无功功率，且所占机身比例较小。双馈风电机组的定子连接于电网中，因此转子与定子都能参与励磁。三相静止坐标系在风机运动过程中并不能完整有效地分解电压、电流和磁链的变化过程，因此需要利用d-q动态两相坐标系进行DFIG数学模型简化，且旋转角速度与DFIG的同步转速相同，将三相ABC等效为两相动态下的分析物理量。此时，通过动态坐标的同步旋转，相对于DFIG来说，磁场和电压、电流相对静止，原来ABC旋转下不断变化的过程转化为相对静止的等效空间矢量，而时间相对静止，于是将旋转ABC随时间呈周期性变化的规律转换为两相d-q平面下的直流量，减少时间的计算，消除谐波电压和不平衡状态量的影响[1-2]。在旋转d-q空间中，发电机转子和定子相互垂直，利用三角函数计算得出两者之间的磁链为0，因此两者之间不存在互感。另外，转子和定子两者各自的坐标轴之间保持相对静止，如图1所示。

图1 DFIG在两相旋转坐标系下的等效模型

对图1中ABC-abc利用旋转变化矩阵通过解耦变换，将DFIG系统中的变量变为正交垂直的相对静止坐标，变化矩阵为：

可知q轴比d轴超前90°，规定其为转子的运动方向，旋转坐标系以角速度ws与DFIG转子同步运动。

由上述分析可知，DFIG的电压和磁链方程在d-q旋转坐标系下的等效模型只需通过式（1）相应的坐标变换便可求得定子电压方程：

式中，uds、uqs和udr、uqr分别是定子绕组和转子绕组电压的d-q分量；ids、iqs和idr、iqr分别是定子绕组和转子绕组相电流的d-q分量；ψds、ψqs和ψdr、ψqr分别是发电机定转子绕组磁链的d-q分量；ψs为同步角速度；ψr为转子旋转速度。DFIG等效变换后的数学模型为[3]：

通过对比易知，在等效后的模型中，非线性变量的数量减少，并且削弱了其相互间的影响，因此各变量之间的数学关系更加清晰。经过变换大大减少了计算量，为下面的仿真奠定了基础。

1.2 改进撬棒电路在DFIG中的数学模型

在双馈风力发电机组的发展过程中，分布式高速风力发电机组将会产生较大的摩擦，工作窗口期长，且风机运行环境大都比较恶劣。Crowbar能够在一定程度上提高风力发电机组的速度，将网侧故障大电流、谐波电流、高频电流以及失真电压等加速衰减，维持转子转速在可控范围之内。通过转子绕组和电路互感器滑环相连，使转子侧的过压和过流不大于额定值。双馈风力发电机组低电压穿越过程是[4]：电网侧故障诊断导致网络故障电压骤低，FTU实时更新风力机组中的电压、电流变化值；当检测到电压过低时，低电压通过配网与风力发电机组之间的变换器穿越到风机启动电路中；检测单元监测转子电压低于额定值时，通过自动指令切入短路保护电路和Crowbar保护电路；撬棒电路提供较大的无功功率提升转子电压，并增大转子滑差，控制转子转速，对风机叶片进行变桨距控制系统，降低风机能量输入保护机组，并切断与主网之前的电气联系。Crowbar电路作用使故障大电流控制在额定值之内，暂态电流会因电机过剩的能量被旁路电阻吸收而迅速衰减。

通过撬棒保护可以在故障发生时限制转子回路电流，而传统的研究基本只关注电阻阻值的选取，效果并不理想。本文提出一种基于在Crowbar保护回路中串联电感的DFIG低电压穿越技术，能够更好地实现对转子电流的限制。图2是串联大电感Lc后的DFIG系统等效电路。

故障时，双馈风电机组最大转子电流为：

其中=Lr+Lc，Lr为转子回路等效电感，Lc为串联电感。

图2 串联电感后的等效电路

通过上面的分析可知，调整转子回路的等效电感即在电阻上串联一个电感，同样可以起到改变转子电流的作用。因此，通过建立仿真模型分析在电路中加入电感后对在电网故障情况下转子电流和双馈风力发电机LVRT性能的影响。

2 仿真分析

由上述理论可知，串联大电感Lc后，双馈风电机组的电压穿越能力明显提高。为验证该保护电路的可行性，设定系统双馈风机总装机容量为4 MW。表1为系统仿真取值参数。

表1 DFIG运行参数

当系统电压跌落至80%（即V=400 V）时，此时旁路电阻、电感进行取值计算得到双馈风电机组瞬态特性。如图3所示，当t=3.523 s时电网故障，电网电压从0.93 p.u.跌落至0.18 p.u.；在t=3.63 s时投入继电保护后，电压恢复。

图3 电网电压跌落80%波形图

故障前后可明显看出，电网电压以及转子电流的波形出现大幅振荡。发生故障后，Crowbar电路立即启动运行，此时保护电阻值为0.8 Ω，电感为325 H，得到线电压与线电流波形图如图4和图5所示。

图4 线电压波形图

图5 线电流波形图

将两图形的直流母线电压波形进行比较，当t=3.0 s时，电网因短路故障母线电压波动，此时最大的电压幅值接近1.1 p.u.，而串联电阻可取值为0.8 Ω；当t=3.58 s时，在回路上串联一个328 H的电感后，电压的最大幅值维持0.76 p.u.，之后的波形比较平稳，定子电流故障初期在-0.5～0.5 p.u.附近持续波动，加入电感后电流波动较小，频率较稳定。可见，相较于传统的Crowbar回路，串联电感技术可以有效维持直流母线电压的稳定。

3 结 论

本文提出了一种基于改进Crowbar电路的风机低电压穿越系统。首先对风电机组的数学模型进行约束条件转换，以电压和电流稳定为控制目标，贴合实际采用大电感进行机组状态优化，通过控制调节电感与电阻取值，改善了传统撬棒电路中只有电阻吸收电流能量的情况，利用串接电感增大了分压效果，增加了转子滑差。考虑实际情况采用仿真验证，结果说明改进后的撬棒电路能较好地维持机组电压，控制故障电流，为配网故障后风机低电压穿越提供了较大的无功补偿。最后，通过仿真验证了改进系统在提高风机直流电压上的有效性。