改進Crowbar低電壓穿越研究

李辰浩

（國網湖北省電力公司監利縣供電公司，湖北 荊州 433300）

0 引 言

隨著能源互聯網腳步的不斷加快，風力已成為能源互聯的重要組成部分。隨著風力發電在電力系統的占比逐漸增加，風力發電對電網的沖擊和電網故障后對風機出力的影響不斷擴大。電網故障后，風力機組的重啟需要耗費大量的電能重啟風機葉片轉動。因此，在電網故障后如何控制風電機組在與電網連接點處的電壓降低時仍能保持一定的葉片轉動慣性持續出力，從而保障機組安全和電網的穩定運行成為亟待解決的問題。

1 改進Crowbar保護電路下的雙饋風力發電機組

1.1 雙饋風力發電機組模型

雙饋風力發電機調速范圍較大，能夠獨立自主調節有功和無功功率，且所占機身比例較小。雙饋風電機組的定子連接于電網中，因此轉子與定子都能參與勵磁。三相靜止坐標系在風機運動過程中并不能完整有效地分解電壓、電流和磁鏈的變化過程，因此需要利用d-q動態兩相坐標系進行DFIG數學模型簡化，且旋轉角速度與DFIG的同步轉速相同，將三相ABC等效為兩相動態下的分析物理量。此時，通過動態坐標的同步旋轉，相對于DFIG來說，磁場和電壓、電流相對靜止，原來ABC旋轉下不斷變化的過程轉化為相對靜止的等效空間矢量，而時間相對靜止，于是將旋轉ABC隨時間呈周期性變化的規律轉換為兩相d-q平面下的直流量，減少時間的計算，消除諧波電壓和不平衡狀態量的影響[1-2]。在旋轉d-q空間中，發電機轉子和定子相互垂直，利用三角函數計算得出兩者之間的磁鏈為0，因此兩者之間不存在互感。另外，轉子和定子兩者各自的坐標軸之間保持相對靜止，如圖1所示。

圖1 DFIG在兩相旋轉坐標系下的等效模型

對圖1中ABC-abc利用旋轉變化矩陣通過解耦變換，將DFIG系統中的變量變為正交垂直的相對靜止坐標，變化矩陣為：

可知q軸比d軸超前90°，規定其為轉子的運動方向，旋轉坐標系以角速度ws與DFIG轉子同步運動。

由上述分析可知，DFIG的電壓和磁鏈方程在d-q旋轉坐標系下的等效模型只需通過式（1）相應的坐標變換便可求得定子電壓方程：

式中，uds、uqs和udr、uqr分別是定子繞組和轉子繞組電壓的d-q分量；ids、iqs和idr、iqr分別是定子繞組和轉子繞組相電流的d-q分量；ψds、ψqs和ψdr、ψqr分別是發電機定轉子繞組磁鏈的d-q分量；ψs為同步角速度；ψr為轉子旋轉速度。DFIG等效變換后的數學模型為[3]：

通過對比易知，在等效后的模型中，非線性變量的數量減少，并且削弱了其相互間的影響，因此各變量之間的數學關系更加清晰。經過變換大大減少了計算量，為下面的仿真奠定了基礎。

1.2 改進撬棒電路在DFIG中的數學模型

在雙饋風力發電機組的發展過程中，分布式高速風力發電機組將會產生較大的摩擦，工作窗口期長，且風機運行環境大都比較惡劣。Crowbar能夠在一定程度上提高風力發電機組的速度，將網側故障大電流、諧波電流、高頻電流以及失真電壓等加速衰減，維持轉子轉速在可控范圍之內。通過轉子繞組和電路互感器滑環相連，使轉子側的過壓和過流不大于額定值。雙饋風力發電機組低電壓穿越過程是[4]：電網側故障診斷導致網絡故障電壓驟低，FTU實時更新風力機組中的電壓、電流變化值；當檢測到電壓過低時，低電壓通過配網與風力發電機組之間的變換器穿越到風機啟動電路中；檢測單元監測轉子電壓低于額定值時，通過自動指令切入短路保護電路和Crowbar保護電路；撬棒電路提供較大的無功功率提升轉子電壓，并增大轉子滑差，控制轉子轉速，對風機葉片進行變槳距控制系統，降低風機能量輸入保護機組，并切斷與主網之前的電氣聯系。Crowbar電路作用使故障大電流控制在額定值之內，暫態電流會因電機過剩的能量被旁路電阻吸收而迅速衰減。

通過撬棒保護可以在故障發生時限制轉子回路電流，而傳統的研究基本只關注電阻阻值的選取，效果并不理想。本文提出一種基于在Crowbar保護回路中串聯電感的DFIG低電壓穿越技術，能夠更好地實現對轉子電流的限制。圖2是串聯大電感Lc后的DFIG系統等效電路。

故障時，雙饋風電機組最大轉子電流為：

其中=Lr+Lc，Lr為轉子回路等效電感，Lc為串聯電感。

圖2 串聯電感后的等效電路

通過上面的分析可知，調整轉子回路的等效電感即在電阻上串聯一個電感，同樣可以起到改變轉子電流的作用。因此，通過建立仿真模型分析在電路中加入電感后對在電網故障情況下轉子電流和雙饋風力發電機LVRT性能的影響。

2 仿真分析

由上述理論可知，串聯大電感Lc后，雙饋風電機組的電壓穿越能力明顯提高。為驗證該保護電路的可行性，設定系統雙饋風機總裝機容量為4 MW。表1為系統仿真取值參數。

表1 DFIG運行參數

當系統電壓跌落至80%（即V=400 V）時，此時旁路電阻、電感進行取值計算得到雙饋風電機組瞬態特性。如圖3所示，當t=3.523 s時電網故障，電網電壓從0.93 p.u.跌落至0.18 p.u.；在t=3.63 s時投入繼電保護后，電壓恢復。

圖3 電網電壓跌落80%波形圖

故障前后可明顯看出，電網電壓以及轉子電流的波形出現大幅振蕩。發生故障后，Crowbar電路立即啟動運行，此時保護電阻值為0.8 Ω，電感為325 H，得到線電壓與線電流波形圖如圖4和圖5所示。

圖4 線電壓波形圖

圖5 線電流波形圖

將兩圖形的直流母線電壓波形進行比較，當t=3.0 s時，電網因短路故障母線電壓波動，此時最大的電壓幅值接近1.1 p.u.，而串聯電阻可取值為0.8 Ω；當t=3.58 s時，在回路上串聯一個328 H的電感后，電壓的最大幅值維持0.76 p.u.，之后的波形比較平穩，定子電流故障初期在-0.5～0.5 p.u.附近持續波動，加入電感后電流波動較小，頻率較穩定。可見，相較于傳統的Crowbar回路，串聯電感技術可以有效維持直流母線電壓的穩定。

3 結 論

本文提出了一種基于改進Crowbar電路的風機低電壓穿越系統。首先對風電機組的數學模型進行約束條件轉換，以電壓和電流穩定為控制目標，貼合實際采用大電感進行機組狀態優化，通過控制調節電感與電阻取值，改善了傳統撬棒電路中只有電阻吸收電流能量的情況，利用串接電感增大了分壓效果，增加了轉子滑差。考慮實際情況采用仿真驗證，結果說明改進后的撬棒電路能較好地維持機組電壓，控制故障電流，為配網故障后風機低電壓穿越提供了較大的無功補償。最后，通過仿真驗證了改進系統在提高風機直流電壓上的有效性。