風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制回路設(shè)計優(yōu)化

文 | 胡東平，黃波

風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制回路設(shè)計優(yōu)化

文 | 胡東平，黃波

隨著風(fēng)力發(fā)電得到大規(guī)模應(yīng)用，低電壓穿越技術(shù)越來越受到重視。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)的定子電流會急劇上升，而由于電機(jī)定轉(zhuǎn)子間的強(qiáng)耦合，電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)也會過流，因?yàn)殡p饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器容量較小，所以轉(zhuǎn)子側(cè)過流可能會損壞變流器。為了保護(hù)好發(fā)電機(jī)及變流器設(shè)備，同時在一定范圍內(nèi)繼續(xù)保持掛網(wǎng)運(yùn)行，向電網(wǎng)提供有功功率和無功功率支撐，低電壓穿越技術(shù)的研究也越來越深入。

當(dāng)前雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)低電壓穿越的方法主要是對控制策略進(jìn)行優(yōu)化并結(jié)合使用硬件Crowbar電路來實(shí)現(xiàn)。在通過使用硬件電路實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的回路設(shè)計方面，存在各種不同的硬件Crowbar控制回路，發(fā)生低電壓故障時作用也不盡相同，有必要對當(dāng)前現(xiàn)有的幾種Crowbar電路及其IGBT吸收回路的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較，結(jié)合仿真分析，對低電壓穿越硬件Crowbar控制回路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以提升雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)低電壓穿越能力。

當(dāng)前Crowbar硬件電路分析

電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時，發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓比正常運(yùn)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(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生較大的過電壓和過電流，會對風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)以及其變流系統(tǒng)產(chǎn)生危害。針對這些可能發(fā)生的嚴(yán)重后果，需要增加硬件Crowbar電路來泄放系統(tǒng)中多余的能量?，F(xiàn)在常用的硬件輔助電路主要有轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路和直流側(cè)Chopper電路。

一、轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路

轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路設(shè)計是在電網(wǎng)發(fā)生跌落故障時采用短接電阻方式來旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，為電流提供通路，有效泄放發(fā)電系統(tǒng)能量，從而保護(hù)風(fēng)電機(jī)組以及網(wǎng)側(cè)變流器的安全，如圖1所示。

當(dāng)前典型的轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路設(shè)計主要有以下三種：

（1）反并晶閘管型Crowbar電路，其拓?fù)淙鐖D2所示。

圖1 轉(zhuǎn)子側(cè)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(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，反并二極管形成回路，保護(hù)發(fā)電機(jī)及變流器。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和原理都很簡單，缺點(diǎn)在于使用的晶閘管數(shù)量較多，其吸收電路的設(shè)計比較困難。

（2）二極管橋型Crowbar電路，其拓?fù)淙鐖D3所示。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落故障時導(dǎo)通晶閘管，轉(zhuǎn)子側(cè)電流經(jīng)由整流橋流入晶閘管，過電流實(shí)現(xiàn)有效泄放。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用一只晶閘管來控制電路，吸收電路的設(shè)計易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是一旦導(dǎo)通便會直通，直至故障結(jié)束后將Crowbar電路整體切除。

（3）IGBT型Crowbar電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

采用IGBT控制的Crowbar電路能夠?qū)崿F(xiàn)對低電壓穿越的快速控制，而且其吸收電路設(shè)計也相對簡單，本文正是針對該種拓?fù)涞腃rowbar電路進(jìn)行優(yōu)化。

二、直流側(cè)Chopper電路

直流側(cè)Chopper電路的設(shè)計與轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路類似，通過接入短路電阻的方式對器件進(jìn)行旁路保護(hù)，但直流側(cè)Chopper電路主要是對直流電容進(jìn)行保護(hù)，其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

直流側(cè)Chopper和轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar控制電路均由電力電子器件控制旁路電阻的投退，設(shè)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(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

三、 IGBT 型Crowbar電路設(shè)計分析

泄能電阻阻值的整定受轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流和網(wǎng)側(cè)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(zhuǎn)子側(cè)的短路電流，從而對變流器產(chǎn)生危害；若阻值較小，會導(dǎo)致直流側(cè)出現(xiàn)過電壓，也對變流器不利，通常在合理的取值范圍內(nèi)泄能電阻阻值越小，對轉(zhuǎn)子側(cè)過電流的抑制效果越顯著。

Crowbar硬件電路優(yōu)化設(shè)計

圖4 IGBT型Crowbar電路

圖5 直流側(cè)Chopper電路的基本拓?fù)?/p>

一、Crowbar電路泄能電阻的選取

為實(shí)現(xiàn)Crowbar電路泄能電阻選取的優(yōu)化設(shè)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(wǎng)故障，對電網(wǎng)故障期間的Crowbar電阻泄能效果以及電機(jī)的各項參數(shù)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如下圖6所示。

通過對仿真波形進(jìn)行分析可知，在電網(wǎng)發(fā)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(nèi)，但是當(dāng)電阻較小時，投入Crowbar時定子上產(chǎn)生的電流尖峰較大，可能會對電機(jī)產(chǎn)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(shè)備散熱要求也越高，這些都會對設(shè)備使用以及低電壓穿越效果產(chǎn)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(tǒng)電路設(shè)計

綜合以上分析，本文設(shè)計了Crowbar硬件電路，如下圖7所示。

采用改進(jìn)型Crowbar硬件電路，模擬電壓故障跌落，在電網(wǎng)電壓跌落故障過程中，轉(zhuǎn)子側(cè)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(nèi)。

該設(shè)計電路有以下幾個特點(diǎn)：

（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(yīng)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(yù)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(hù)。

（3）采用了RC吸收電路，試驗(yàn)證明在切除時能夠保證IGBT器件安全，并且電路整體結(jié)構(gòu)比較簡單，利于解決工程應(yīng)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(jìn)型Crowbar電路設(shè)計

結(jié)論

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

(作者單位:胡東平:中國電力科學(xué)研究院；黃波:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)