Crowbar保护对风电场LVRT的影响分析与仿真

杨伟伟， 王硕禾， 陈 金

(1.石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，河北 石家庄 050043；2.河北鲲能电力工程咨询有限公司，河北 石家庄 050000)

0 引言

随着风电场的大规模并网，风电场普遍具备了LVRT能力[1]。近年来，由于DFIG具备有功和无功功率独立控制、调速范围广及励磁变流器容量小等特点，被风电场作为首选兆瓦级机型。目前，DFIG的LVRT策略主要是：增加变流器容量、改进变流器控制策略或者增加硬件励磁涌流消纳电路等[2-3]，增加硬件电路多以在转子侧变流器侧安装Crowbar实现。当机端发生电压大幅度跌落时，转子侧投入Crowbar使转子侧变流器闭锁[4-6]，同时防止直流母线过电压和转子过电流对转子侧变流器造成损坏。切除Crowbar之前DFIG相当于异步发电机，不同于变流器工作时的短路电流特性。文献[7]分析了风电场大规模连锁脱网原因，并进一步讨论了DFIG转子侧变流器加装Crowbar保护电路的必要性，但没有从风电场的角度分析Crowbar保护对其自身的影响。

由于电力电子器件的快速发展，其在DFIG中的广泛应用使得DFIG短路暂态特性相当复杂，目前Crowbar保护投切开关主要由电力电子器件控制，从而加快故障电流衰减并分担一部分短路电流。对于Crowbar阻值对短路电流的影响已经取得了一定的成果。文献[8]～文献[12]从DFIG的数学模型出发，根据 Crowbar投入后的短路特性推导了转子电流的暂态表达式。文献[13]、文献[14]给出了Crowbar阻值优化方案。文献[15]通过Matlab/Simulink搭建含Crowbar的风电场并网模型，仿真表明Crowbar能够提高风电场抵御电压跌落的性能。文献[15]提出自适应的Crowbar阻值调整策略，该方法能满足不同情况下的转子电流和直流电压。以上研究均从Crowbar阻值入手进行研究，但对Crowbar投切时间方面的深入研究较少，综合研究Crowbar阻值与投切时间的相互影响以及其对LVRT影响的文献较少。

基于以上情况，结合DFIG并网结构,分析Crowbar保护的工作原理，并从DFIG数学模型出发分析投入Crowbar保护后的特性变化机理。在此基础上，以实际风电场为依托搭建仿真模型，研究不同Crowbar阻值和投切时间以及Crowbar保护投入与否对风电场短路电流的影响，进而分析Crowbar保护对LVRT效果的影响。

1 DFIG并网结构及Crowbar保护工作原理

图1 Crowbar保护的DFIG并网结构图

图1所示为Crowbar保护的DFIG并网结构图，DFIG定子侧直接通过升压变压器连接到电网，转子侧则通过可以四象限工作的转子侧变流器连接到电网。为了避免机端电压跌落时造成的转子侧变流过电流或者直流链路过电压，在转子侧变流器处安装Crowbar保护电路，如图1虚线框内所示。其结构一般由可控二极管组成的开关部分和晶闸管串联电阻部分构成。

图2所示为Crowbar保护动作逻辑图，Crowbar保护电路工作原理为：触发转子过电流门限或者触发直流母线过电压门限，则Crowbar保护动作。图3所示为基于PSCAD/EMTDC软件采用IEEE14节点风电场模型在1.2 s时发生故障的Crowbar动作情况。当电网发生严重故障时，Crowbar保护约1.027 5 s延时后投入。

图2 Crowbar保护动作逻辑图

图3 Crowbar投切时序图

2 DFIG数学模型及含Crowbar的DFIG特性变化

采用空间矢量法，归算所有参数至定子侧，则DFIG的电磁暂态方程为[16-17]

(1)

(2)

ψs=Lsis+Lmir

(3)

ψr=Lrir+Lmis

(4)

Ls=Lsσ+Lm

(5)

Lr=Lrσ+Lm

(6)

图4 含Crowbar电阻后的DFIG暂态等值电路

式中，us、ur、is、ir、Rs、Rr、ψs、ψr分别为定、转子电压、电流、电阻和磁链；ωs、ωs-r分别为同步角速度和转差角速度；下标s和r分别代表定子绕组和转子绕组，字母斜体加粗表示变量为空间矢量;Lm、Lsσ、Lrσ分别为激磁电感、定子漏感和转子漏感。

含Crowbar电阻的定子侧等效阻抗如图4所示，利用戴维南定理可推导出定子侧阻抗表达式为

Zs=jωsLsσ+[(RCB+jωsLrσ)/jωLm]=RCB+jωsLs′

(7)

式中，RCB为Crowbar电阻。分析式(7)可知定子侧阻抗变大，将会使风机短路电流减少。

Crowbar保护启动后，转子侧电阻值将发生改变，同时定转子时间常数也相应发生变化，表达式为

(8)

3 仿真分析

图5所示为风电场仿真模型，单台DFIG参数见表1，其他设备参数见表2。使用PSCAD/EMTDC以实际风电场拓扑结构进行搭建，采用等容量等值聚合风电场模型等效11台DFIG并联连接。风机额定风速为11 m/s，发出电能由690 V经过箱式变压器升压至33 kV，再经过升压变压器升压至110 kV，最后并入大电网。设置时间t=1 s时110 kV PCC母线处发生三相短路,短路持续时间为0.6 s。

图5 风电场仿真图

表1 单台DFIG风机参数

表2 其他设备参数

3.1 Crowbar投入与否及阻值对风电场的影响分析

设置Crowbar投入时间为0.5 s，仿真分析Crowbar不同投入情况的定转子电流、Crowbar电流以及电压跌落，表3为仿真结果。分析可知：①相较于未投入Crowbar，投入Crowbar后电压跌落增加5%左右，不利于故障后电网恢复电压，但是定转子电流有所减小，达到了减小过流电流的目的，Crowbar能够分担一部分感应电流，有利于DFIG的安全运行，验证了前文分析的正确性。②随着Crowbar阻值的增大，定转子电流越来越小，而Crowbar电流承担能力越来越大，但是电压跌落先减后增，不利于风电场LVRT。说明并不是Crowbar阻值越大越好，而是在一定范围内存在最优值。

表3 Crowbar不同投入情况下的定转子电流和Crowbar电流及电压跌落对比

为了进一步研究Crowbar阻值对风电场LVRT效果的影响，通过观察机端电压、转子电流和风电场无功功率变化曲线了解更详细的暂态变化规律。设置Crowbar投入时间为0.1 s，分别取Crowbar阻值为0.21 Ω和0.11 Ω时的风电场进行仿真实验，图6为DFIG机端电压、转子电流和风电场无功功率仿真结果。

图6 不同Crowbar阻值下的DFIG机端电压、转子电流和风电场无功功率

对比图6发现除了符合由分析表3得出的结果外，Crowbar阻值变大后，转子电流衰减更快，与前文理论分析一致；Crowbar阻值为0.11 Ω时电压跌落程度较阻值为0.21 Ω严重，且从电网吸收最大无功也较多，加重了电网电压跌落以及风电场LVRT的压力。综上所述，建议在合理范围内选取较大的Crowbar阻值。

3.2 Crowbar投入时间对风电场的影响分析

设置Crowbar阻值为0.11 Ω，分别取Crowbar投入时间为0.2 s和0.05 s时的风电场进行仿真实验，图7为DFIG机端电压、转子电流和风电场无功功率仿真结果。

分析图7发现：Crowbar投入时间为0.2 s时，风机持续定子电压偏低运行时间较长，而Crowbar投入时间为0.05 s时，风机电子电压偏低，运行时间基本为0，随着投入时间变小，风机定子电压偏低，运行时间越短，同样电网无功的时间也越短。但是Crowbar投入时间为0.05 s时，转子电流变小与变大暂态过程重合，不仅没有有效地抑制转子过电流，而且还加大了转子电流的的暂态扰动。同时，由于Crowbar投入后DFIG相当于异步发电机，需要从电网吸收无功，且从图7无功仿真图中发现1.6 s故障结束时，风电场需要从电网再次吸收较多无功，而Crowbar切出时向电网发出较多无功。因此，建议Crowbar投入时间在合理范围内选取较小值，Crowbar保护切出时刻应该尽可能在故障切除前且接近切除时刻。

4 结论

从Crowbar控制电路出发，对其工作原理进行分析，建立DFIG数学模型，得到含Crowbar的DFIG等值电路，通过公式推导发现Crowbar阻值能使DFIG的定子短路电流减小，加快转子短路电流衰减。在此基础上搭建仿真模型，仿真结果不仅验证了理论分析的正确性，而且分析得到了Crowbar阻值和投入时间以及切出时刻的选取思路：在合理范围内选取较大Crowbar阻值，投入时间较小值，且Crowbar保护切出时刻应该尽可能在故障切除前且接近切除时刻，有利于提高风电场LVRT能力。