Crowbar保护电路参数选择对双馈风电系统低电压穿越的影响*

方泽钦，　杨俊华，　陈思哲，　吴　捷

(1. 广东工业大学 自动化学院，广东 广州　510006;2. 华南理工大学 电力学院，广东 广州　510641)



Crowbar保护电路参数选择对双馈风电系统低电压穿越的影响*

方泽钦1，杨俊华1，陈思哲1，吴捷2

(1. 广东工业大学 自动化学院，广东 广州510006;2. 华南理工大学 电力学院，广东 广州510641)

在电网电压严重跌落故障下,通常采用转子侧增设Crowbar保护电路实现双馈风电系统低电压穿越(LVRT)运行,而不同的Crowbar退出时间和阻值对LVRT性能影响较大。针对双馈感应发电机(DFIG)系统机端三相短路故障，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母线耐受电压，给出Crowbar串联电阻值的整定范围。在MATLAB/Simulink平台进行仿真研究，结果表明，为防止电网电压恢复时Crowbar电路再次动作，可采取故障消除后切除Crowbar电路方案；在约束范围内，Crowbar电路阻值有利于暂态电流加速衰减，提高DFIG系统LVRT能力。

风力发电； 双馈感应发电机； 低电压穿越； Crowbar保护电路

0　引　言

低电压穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)是目前风力发电技术研究的关键技术之一。交流励磁变速恒频双馈感应发电机(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)是目前主流的风力发电系统，具有调速范围宽、发电效率高、有功和无功功率可独立调节，以及所需励磁变频器容量较小等优点[1-3]，但由于DFIG风电机组的定子绕组直接并网，对电网电压波动非常敏感，且励磁变换器容量较小，对机组控制能力有限。因此，当电网电压发生严重故障跌落时，会导致DFIG定子侧电压骤降，并在转子侧感应出较大的冲击电流，导致转子绕组和变换器出现过电流[4]，严重时可能损坏变换器[5-6]。随着DFIG风电系统在电网中所占比例不断增加，电网电压跌落期间大规模的风电机组脱网将会危害电网的安全运行[7]。为此，世界各国规定当电网故障引起风电场并网点的电压跌落时，风电机组要能够不间断并网运行，即电网需具备LVRT能力[8]。

为解决DFIG风电机组的LVRT问题，目前主流方法有两种： 一是针对轻、中度电网电压跌落故障情况下，采用改进转子侧变换器控制策略，使DFIG、变换器电流和电压保持在其限额值内，而无需起动硬件保护设备；二是针对严重电网电压跌落故障情况下，加装硬件保护设备，通常是在转子侧增设Crowbar保护电路，为过剩的能量提供泄放通道[9-10]。Crowbar阻值和退出时间对LVRT效果有很大影响[11-16]。文献[11]推导了并网DFIG的定子和转子故障电流表达式，并根据转子电流表达式整定了Crowbar阻值，但并未分析不同Crowbar阻值对LVRT性能的影响。文献[12-13]推导了DFIG发生机端三相短路后的定子、转子电流，并分析了转差率、无功功率对短路后转子电流的影响，但其转子电流表达式过于复杂。文献[14]从故障期间有效抑制转子过电流讨论了不同Crowbar电阻值对LVRT的影响，但没有给出选取合适的Crowbar电阻值的理论依据。文献[15-16]提出合理的Crowbar保护电路切除时间应在故障清除前，且越靠近故障清除时间切除Crowbar，系统LVRT越理想，但切除过早则不能有效抑制转子侧的暂态电流，同时会导致转子电流暂态扰动过大。因此，Crowbar保护电路中的串联电阻阻值以及投入与切除时刻的正确选择是一项值得深入研究的关键技术。

本文从磁链角度推导出了DFIG系统机端三相短路故障后的转子短路电流表达式及最大短路电流估算式，通过短路电流和网侧变流器的耐受电压，得出Crowbar串联电阻值的整定范围。通过仿真平台MATLAB/Simulink，分析比较了不同Crowbar退出时间和阻值对DFIG系统LVRT的影响。

1　DFIG数学模型

DFIG的数学模型具有高阶次、多变量、非线性、强耦合等特点。为了便于分析和建模，通常做如下假定：

(1) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布。

(2) 忽略铁心损耗和磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的。

(3) 不考虑温度和频率变化对定转子绕组阻值的影响。

(4) 转子侧参数均折算到定子侧，折算后转子绕组匝数和定子绕组匝数相等。

根据以上假设，若采用电动机惯例，可列出d-q坐标系中DFIG的电压方程、磁链方程和转矩方程。

(1) 电压方程：

(1)

(2) 磁链方程：

(2)

(3) 转矩方程：

(3)

(4) 运动方程：

(4)

2　转子侧加装Crowbar保护电路的LVRT控制

2.1含Crowbar保护电路的DFIG系统拓扑结构

含Crowbar保护电路的DFIG系统拓扑结构如图1所示。机组的定子侧绕组直接接入电网，转子侧绕组经过双PWM变换器连接电网，定、转子都参与了馈电。DFIG系统通过控制转子侧变换器，调节励磁电流的幅值、频率和相位，从而实现对发电机转子转速、系统有功功率和无功功率的协调控制。电网电压严重跌落时，转子回路起动Crowbar保护电路短接，同时封锁转子侧变换器，避免变换器过电流损坏。

图1　基于Crowbar保护电路的DFIG系统拓扑结构

2.2Crowbar保护电路的工作状态和控制方法

Crowbar保护电路工作状态主要分为两个阶段。第一阶段，当电网发生电压跌落故障时，Crowbar控制器检测到转子侧电流或直流母线电压增大到预定阈值时，立即导通Crowbar保护电路中的开关器件，接入限流电阻，同时关断转子侧变换器中所有开关器件，使故障产生的暂态冲击电流经Crowbar保护电路流过，以此避免转子侧变换器遭受过电流损坏，同时抑制转子过电压，以防止对电机绝缘产生威胁。此时DFIG相当于笼型异步发电机运行，机组需要从电网吸收大量无功功率，不利于电网电压的恢复，甚至可能造成更严重的后果。一般可通过选取适当的电阻阻值来减小机组从电网吸收的无功功率。第二阶段，经过一段时间后，当转子侧电流衰减至低于晶闸管的维持电流时，Crowbar保护电路自动切除，转子侧变换器重新投入工作，DFIG恢复双馈异步发电机运行状态，直至电网恢复。

图2为Crowbar保护电路控制框图，通过检测转子电流和直流母线侧电压控制Crowbar的投切。图2中：ir.lim为转子侧预设电流；udc.lim为直流母线侧预设电压；TDelay为延迟动作时间；NTlim的作用为限制Crowbar电路动作的次数和持续时间；Enable为触发信号，Enable=1时Crowbar起动，Enable=0时Crowbar退出。

图2　Crowbar保护电路控制框图

3　转子侧Crowbar阻值的整定

当短路故障发生时，DFIG一般会通过投入Crowbar电路将转子侧变换器短路，图3为短路故障后的定、转子侧等效电路。

图3　短路后的定、转子侧等效电路

将磁链方程式(2)代入电压方程(1)可得转子绕组上稳态电流分量的表达式为

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：p——电压跌落深度；

ωslip——发电机转差。

定、转子磁链在转子侧感应产生的暂态电流分量分别为

(9)

(10)

Crowbar投入后将改变转子侧电阻值，同时定、转子磁链和稳态电流在短路后的衰减时间常数也相应发生变化，分别为

(11)

在d-q坐标系下，短路后的暂态电流表达式为

(12)

当电网电压全部跌落时即p=1时，电机暂态冲击电流最大。由式(5)和式(12)可得短路后的转子电流：

(13)

假定电网电压跌落经时间Δt后，电流达到最大值，转差率比较小，可近似认为Δt=T/2，即约经过半个周期后电流达到最大值：

(14)

转子侧Crowbar电阻Rcw整定，受直流母线耐受电压和转子侧变流器耐受电流的约束。Rcw取值过小，不能有效抑制转子绕组上的暂态电流；Rcw取值过大，又可能会导致直流母线侧出现过电压。

电网故障期间，转子侧最大相电压：

Ur.max=Ir.maxRcw

(15)

为避免直流母线侧过电压，Crowbar串联阻值需满足如下条件：

试样的检测面经研磨后，加以腐蚀，划一条既与熔合线底部相切，又平行于试板轧制面的直线，在此直线上，每隔0.5mm进行维氏硬度的测定，切点两侧各测七点（见图4）。焊接热影响区最高硬度试验结果如表5所示。

(16)

式中：Udc.lim——网侧变流器直流侧耐受电压。

当电流的衰减常数确定时，由式(11)可得

(17)

由式(16)和式(17)可得Rcw须满足：

(18)

在约束范围内，选取偏大的Rcw，有利于抑制转子暂态电流和故障电流，缩短暂态电流的衰减周期及Crowbar投入时间，有利于系统快速恢复正常工作；同时，转子侧串联不同电阻值时，对系统的转差率也有影响，在同等条件下，Crowbar保护电路串联阻值越大，故障下系统的转差率越小，可提高低电压故障下DFIG的功率因数，但是Rcw的大小直接影响Crowbar电路投切时刻的转矩波动，阻值越大波动越剧烈。因此，Rcw的选取应根据工程实际情况而定，结合转子故障电流、系统转差率及功率和转矩振荡三方面综合因素下的优化选取。

4　仿真分析

4.1Crowbar退出时间对DFIG系统LVRT性能的影响

为了验证加装Crowbar电路的控制方案对提高DFIG系统LVRT能力的有效性，在MATLAB/Simulink仿真平台上建立了一台1.5MW的DFIG风力发电系统的仿真模型。DFIG系统参数如下： 额定功率PN=1.5MW，额定电压UN=575V，额定频率f=50Hz，极对数p=3，定子电阻Rs=0.023p.u.，转子电阻Rr=0.016p.u.，定子漏感Lls=0.18p.u.，转子漏感Llr=0.16p.u.，定转子互感Lm=2.9p.u.，惯性时间常数0.685，摩擦因数0.01。采用图1所示的转子侧Crowbar保护电路。研究电网电压发生严重跌落故障的情况下，DFIG风电系统采用Crowbar保护电路对系统运行的影响，并进行仿真验证。

设定电网电压在t=4s时发生短路故障，电压跌落至额定电压的20%，故障在4.2s时刻被清除。设定当转子侧变换器峰值电流超过1.2p.u.时，Crowbar保护电路被激活投入，交流Crowbar电路电阻设定为Rcw=1p.u.，考虑两种不同切除控制方案。

方案一： 在电网电压恢复前的t=4.1s时刻切除转子侧Crowbar保护电路；

方案二： 在电网电压恢复后的t=4.3s时刻切除转子侧Crowbar保护电路。

两种方案的仿真结果分别如图4和图5所示。从图4(c)可知，电网故障出现后，立即产生很大的转子过电流，随之在 4.0024s 时刻Crowbar保护电路被激活投入，短路转子绕组并封锁转子侧变换器，保护变换器免遭过电流损害。从图4(b)可知，Crowbar保护电路动作期间，通过转子侧变换器电流为0，且DFIG以并网笼型异步发电机形式运行，需吸收较多的无功功率，从而导致DFIG定子电压进一步跌落。从图4(g)可知，系统最多吸收无功功率达到2p.u.。从图4(a)可知，电网电压在故障结束后一小段时间内再次发生了跌落。结果表明，电网故障清除前，如不切除转子Crowbar保护电路，将会使发电机从电网中持续吸收无功功率，导致电网电压难以恢复。方案一中，初始设置目的为Crowbar保护电路在故障清除前100ms的4.1s时刻被切除，这样在t=4.1～4.2s期间内因转子侧变换器已重新投入工作而可使转子电流控制在安全范围之内。但是从图4(c)可知，在4.2s时刻电网电压恢复时，又有约2.8p.u.的大瞬时电流流过转子侧变换器，此时直流环节电压也迅速增大至1050V，如图4(d)所示。从图4(b)可知，因转子绕组电流峰值再次超过Crowbar保护电路过电流设定值，Crowbar保护电路再次投入保护工作，转子侧变换器也再次被短接。

为了防止电网电压恢复时转子Crowbar保护电路的再次动作，可以采用转子侧Crowbar保护电路长时投入的工作方式，即直至电网故障消除后才切除交流Crowbar保护电路的方案二，其运行结果如图5所示。

在方案二的运行仿真中，Crowbar保护电路在电网恢复100ms后的t=4.3s时刻才切除，随即转子侧变换器投入工作。如图5(d)可知，切除转子Crowbar保护电路时，直流环节电压幅值仅为915V。另外，从图5(a)可知，电网电压在故障切除后没有再次发生跌落。从图5(e)可知，方案二

图4　电网电压跌落至20%、采用方案一的运行结果

图5　电网电压跌落至20%、采用方案二的运行结果

发电机的电磁转矩比图4(e)中方案一发电机的电磁转矩波动幅值小，能有效减小故障下风电机组转轴系统所受的机械应力的冲击，延长风电机组机械传动系统的使用寿命。

4.2Crowbar阻值对DFIG的LVRT性能的影响

为了进一步研究Crowbar电路串接电阻对DFIG的LVRT运行影响，在MATLAB/Simulink仿真平台上建立了DFIG系统的仿真模型，系统参数参考前文给定参数。图6为在方案二基础上，在Crowbar串联电阻合理取值范围内，取Rcw=0.1p.u.、0.5p.u.、1p.u.时的转子暂态电流有效值仿真结果。

图6　转子暂态电流有效值

从图6可知，Crowbar串接电阻值改变时，影响故障下转子侧暂态电流峰值及电流衰减速度。当Rcw=0.1p.u.时，转子侧最大峰值电流约为0.16p.u.，经过1.8s后电流衰减趋于稳定；当Rcw=0.5p.u.时，转子侧最大峰值电流约为0.12p.u.，经过1.3s后电流衰减趋于稳定；当Rcw=1p.u.时，转子侧最大峰值电流约为0.06p.u.，经过1s后电流衰减趋于稳定。由式(11)可知，Crowbar不同的外接电阻使电机的衰减常数改变，随着转子外接电阻Rcw阻值的增加，故障发生后，DFIG转子短路电流变小，暂态电流衰减周期缩短。因此，Crowbar阻值在式(18)的约束范围内取较大值时，可更有效抑制转子侧故障电流，并使之在故障切除后更快趋于稳定，有利于系统快速恢复到正常运行。

5　结　语

针对DFIG系统机端三相短路故障，从磁链角度导出其转子侧暂态电流及最大估算值；通过短路电流和直流母线耐受电压，得出Crowbar串联电阻值的整定范围。在仿真平台分析了Crowbar退出时间和串联电阻值对DFIG系统LVRT的影响。研究表明，为了防止电网电压恢复时转子Crowbar保护电路的再次动作，可以采取转子侧Crowbar长时投入的工作方式，即直至电网故障消除后才切除Crowbar保护电路的方案；在整定范围内，Crowbar保护电路大阻值有利于加速暂态电流衰减，提高DFIG系统的LVRT能力。

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The Influence on Low Voltage Ride Through Control of Doubly-Fed Wind Power System with Different Parameter Selection of Crowbar Protection Circuit*

FANGZeqin1,YANGJunhua1,CHENSizhe1,WUJie2

(1. College of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006， China;2. Institute of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

In the case of serious faults with the grid, the Crowbar protection circuit was generally adopted to be added into the rotor side to implement low voltage ride through(LVRT) of doubly fed induction generator(DFIG). The LVRT effect was greatly influenced by the quitting time and resistance of Crowbar. From the viewpoint of magnetic linkage in the case of a three-phase short-circuit fault occurring at the terminal of DFIG, the analytical expression of the short-circuit rotor current were deduced together with the estimated value. With the short current and DC bus withstand voltage, the series resistance range were deduced in crowbar circuit. A study on the LVRT effect of DFIG at different quitting time and resistance of Crowbar in MATLAB/Simulink simulation platform. Simulation results showed that： in order to avoid Crowbar circuit again operation when grid voltage recovery, the scheme could be taken until the grid fault was cleared off before removing the Crowbar circuit; Selecting the larger resistance in the setting range helped to accelerate transient current decay and enhance the LVRT ability of DFIG.

wind power generator; doubly-fed induction generator; low voltage ride through; Crowbar protection circuit

国家自然科学基金资助项目(51307025,513770265,5177050);广东省高等学校科技创新项目(2013KJCX0059);广东省自然科学基金资助项目(S2012040007895);广东高校优秀青年创新人才培养计划资助项目(2012LYM_0052);广东省教育厅专项重点实验室(IDSYS200701)

方泽钦(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为风力发电低电压穿越。

杨俊华(1965—)，男，博士，教授，研究方向为电机电器及其控制，风力发电机组的设计与控制。

TM 614；TP 273

A

1673-6540(2016)08- 0073- 07

2016-02-29

陈思哲(1981—)，男，博士，副教授，研究方向为风力发电机组控制、交流传动控制。

吴捷(1937—)，男，教授，研究方向为新能源发电中的控制与电力电子技术。