風電機組低電壓穿越控制回路設計優化

文 | 胡東平，黃波

風電機組低電壓穿越控制回路設計優化

文 | 胡東平，黃波

隨著風力發電得到大規模應用，低電壓穿越技術越來越受到重視。當電網電壓跌落時，雙饋風電機組發電機的定子電流會急劇上升，而由于電機定轉子間的強耦合，電機的轉子側也會過流，因為雙饋風電機組發電機轉子側的變流器容量較小，所以轉子側過流可能會損壞變流器。為了保護好發電機及變流器設備，同時在一定范圍內繼續保持掛網運行，向電網提供有功功率和無功功率支撐，低電壓穿越技術的研究也越來越深入。

當前雙饋風電機組發電機低電壓穿越的方法主要是對控制策略進行優化并結合使用硬件Crowbar電路來實現。在通過使用硬件電路實現低電壓穿越的回路設計方面，存在各種不同的硬件Crowbar控制回路，發生低電壓故障時作用也不盡相同，有必要對當前現有的幾種Crowbar電路及其IGBT吸收回路的優缺點進行分析比較，結合仿真分析，對低電壓穿越硬件Crowbar控制回路進行優化設計，以提升雙饋風電機組發電機低電壓穿越能力。

當前Crowbar硬件電路分析

電網發生電壓跌落時，發電機的機端電壓比正常運行時低，由于電壓跌落過程中定子磁鏈的突變將會在與其耦合的轉子側產生較大的過電壓和過電流，會對風電機組發電機以及其變流系統產生危害。針對這些可能發生的嚴重后果，需要增加硬件Crowbar電路來泄放系統中多余的能量。現在常用的硬件輔助電路主要有轉子側Crowbar電路和直流側Chopper電路。

一、轉子側Crowbar電路

轉子側Crowbar電路設計是在電網發生跌落故障時采用短接電阻方式來旁路轉子側變流器，為電流提供通路，有效泄放發電系統能量，從而保護風電機組以及網側變流器的安全，如圖1所示。

當前典型的轉子側Crowbar電路設計主要有以下三種：

（1）反并晶閘管型Crowbar電路，其拓撲如圖2所示。

圖1 轉子側Crowbar電路

圖2 反并晶閘管型Crowbar電路

圖3 二極管橋型Crowbar電路

當電網電壓跌落時，觸發晶閘管導通，反并二極管形成回路，保護發電機及變流器。這種電路的優點是結構和原理都很簡單，缺點在于使用的晶閘管數量較多，其吸收電路的設計比較困難。

（2）二極管橋型Crowbar電路，其拓撲如圖3所示。

當電網發生電壓跌落故障時導通晶閘管，轉子側電流經由整流橋流入晶閘管，過電流實現有效泄放。其優點是結構簡單，使用一只晶閘管來控制電路，吸收電路的設計易于實現，缺點是一旦導通便會直通，直至故障結束后將Crowbar電路整體切除。

（3）IGBT型Crowbar電路，其拓撲結構如圖4所示。

采用IGBT控制的Crowbar電路能夠實現對低電壓穿越的快速控制，而且其吸收電路設計也相對簡單，本文正是針對該種拓撲的Crowbar電路進行優化。

二、直流側Chopper電路

直流側Chopper電路的設計與轉子側Crowbar電路類似，通過接入短路電阻的方式對器件進行旁路保護，但直流側Chopper電路主要是對直流電容進行保護，其基本拓撲結構如圖5所示。

直流側Chopper和轉子側Crowbar控制電路均由電力電子器件控制旁路電阻的投退，設計的核心是泄能電阻阻值的選取以及IGBT吸收回路搭建，本文主要以轉子側Crowbar電路為基礎進行設計優化。

三、 IGBT 型Crowbar電路設計分析

泄能電阻阻值的整定受轉子側變流器電流和網側變流器電壓的約束，故障期間若阻值較大，則不能有效抑制轉子側的短路電流，從而對變流器產生危害；若阻值較小，會導致直流側出現過電壓，也對變流器不利，通常在合理的取值范圍內泄能電阻阻值越小，對轉子側過電流的抑制效果越顯著。

Crowbar硬件電路優化設計

圖4 IGBT型Crowbar電路

圖5 直流側Chopper電路的基本拓撲

一、Crowbar電路泄能電阻的選取

為實現Crowbar電路泄能電阻選取的優化設計，本文通過對IGBT 型Crowbar電路建立仿真模型，選取不同的Crowbar泄能電阻阻值，模擬電網故障，對電網故障期間的Crowbar電阻泄能效果以及電機的各項參數進行了仿真，仿真結果如下圖6所示。

通過對仿真波形進行分析可知，在電網發生故障期間，仿真所選取的幾種不同阻值（0.2Ω、0.4Ω、0.6Ω、0.8Ω）的電阻對定子電流的抑制效果是相似的，都能將定子電流控制在安全范圍內，但是當電阻較小時，投入Crowbar時定子上產生的電流尖峰較大，可能會對電機產生危害，并且Crowbar電阻阻值越小時故障期間消耗能量越多，對電阻本身的要求以及設備散熱要求也越高，這些都會對設備使用以及低電壓穿越效果產生不利影響。所以本文選擇0.8Ω電阻作為Crowbar電路的泄能電阻。

二、Crowbar系統電路設計

綜合以上分析，本文設計了Crowbar硬件電路，如下圖7所示。

采用改進型Crowbar硬件電路，模擬電壓故障跌落，在電網電壓跌落故障過程中，轉子側電流得到了有效抑制，并且IGBT的反向尖峰也控制在了合理范圍內。

該設計電路有以下幾個特點：

（1）選取了阻值較小、熱容較大的泄能電阻，在滿足泄能要求的同時保持低功耗，更適于工程應用。

（2）選取了阻值較小的充放電電阻（500Ω），加快了充放電速度，提高了預充電電壓，并在直流鏈加入了3只10kΩ的電阻，有利于對單個器件的保護。

（3）采用了RC吸收電路，試驗證明在切除時能夠保證IGBT器件安全，并且電路整體結構比較簡單，利于解決工程應用中散熱等方面的問題。

圖6 對不同阻值泄能電阻仿真的仿真波形

圖7 改進型Crowbar電路設計

結論

本文針對低電壓穿越不同的硬件輔助電路進行分析，指出了各自的特點及適用的范圍，并對電路設計中泄能電阻的選擇及吸收電路進行了仿真試驗，明確對泄能電阻宜采用較小阻值、較大熱容的設計選型，通過對仿真及試驗結果的分析優化設計了適用于工程應用的Crowbar電路，可以更好地滿足低電壓穿越的技術要求，可為低電壓穿越功能硬件回路設計提供借鑒參考。

(作者單位:胡東平:中國電力科學研究院；黃波:國網電力科學研究院)