風電變流器撬棒電路軟件保護策略研究

文 | 桑晨亮

（作者單位：天津龍源風力發(fā)電有限公司）

電網(wǎng)友好型風電機組要求在電網(wǎng)發(fā)生故障時，如電網(wǎng)電壓跌落或驟升，風電機組在規(guī)定時間內具備不脫網(wǎng)運行能力，并對電網(wǎng)提供無功支撐。根據(jù)電網(wǎng)電壓故障的類型，目前國內已經(jīng)形成標準要求的故障穿越包括低電壓穿越及高電壓穿越，標準曲線如圖1所示。

為滿足風電機組故障穿越的要求，風電變流器均安裝有撬棒電路，并配合軟件策略升級，以實現(xiàn)故障穿越。

撬棒電路如圖2和圖3所示。一般情況下，直驅機組采用全功率變流器，僅需要如圖2所示的直流側撬棒電路即可滿足故障穿越要求。雙饋機組采用雙饋變流器，通常在電機側變流器添加如圖3所示的撬棒電路，或稱為Crowbar電路，在直流側增加如圖2所示的撬棒電路，二者配合實現(xiàn)風電機組電網(wǎng)電壓故障穿越功能。

撬棒電路一般包括電力電子控制單元和撬棒電阻。其中，撬棒電阻起到吸收暫態(tài)能量，抑制轉子側變流器過流（雙饋機組）和直流側過壓（雙饋機組及全功率機組）。根據(jù)機組功率的不同，電阻短時吸收的能量可達幾兆焦，短時大能量沖擊使得電阻溫升急劇增大。撬棒電阻一般由硅鋼片構成，允許溫升可達數(shù)百攝氏度（圖4）。

由于我國風電機組多處于電網(wǎng)末梢，電能質量較差，風電機組可能存在連續(xù)多次故障穿越，使得撬棒電路連續(xù)多次投入。由于熱量得不到釋放，電阻溫升會進一步增大，嚴重時可達800℃。高溫可導致電阻片變形，電阻片熔斷后可引起附近電氣部件燒毀，極端情況下可能引發(fā)火災。因此，在滿足風電機組故障穿越的同時，需要對撬棒電阻進行能量保護，確保電阻吸收能量不超過設計值。

本文在不增加硬件電路的情況下，通過軟件策略優(yōu)化，對撬棒電路電阻吸收能量進行實時監(jiān)測和累計，可做到限制保護，避免撬棒電路失效，降低變流器及機組的安全風險。

優(yōu)化方案

如圖5所示，以變流器直流側撬棒電路為例（雙饋變流器轉子側撬棒電路可理解為交流整流電路加直流側撬棒電路），在變流器直流側撬棒電路控制上一般采用滯環(huán)控制，當直流側電壓高于設定值時投入，當直流側電壓低于設定值時切出。當撬棒電路投入時，圖5中能量累計計算器實現(xiàn)能量累加；當撬棒切出時，撬棒電阻通過輻射、傳導方式進行散熱，能量減少。能量累計計算器輸出當前時刻撬棒電阻所吸收的能量值，并將其與能量滯環(huán)比較器設定的值進行比較，當超過滯環(huán)限制時，輸出開關信號禁止撬棒電阻再投入；當?shù)陀跍h(huán)限制時，允許撬棒電阻投入，從而確保撬棒電阻所吸收能量在允許的范圍內，避免損壞。滯環(huán)上限受卸荷電阻能量極限限制，最小值根據(jù)實際需要保證可穿越最惡劣情況下的電網(wǎng)跌落故障即可。

算法實現(xiàn)

控制器算法框圖如圖6所示。其中，Vdc為直流側電壓，Qin代表撬棒電阻吸收能量，Qout代表撬棒電阻釋放能量，Qsum代表該時刻制動電阻能量和，Qmax代表允許的最大能量，Qmin代表為滿足故障穿越所需要的最小能量，SS代表開關狀態(tài)。

首先，要計算一個控制周期T內卸荷電阻累加或者減少的能量值。當卸荷處于投入狀態(tài)時，母線電壓Vdc通過卸荷開關加在卸荷電阻R兩端，因為卸荷電流很大，卸荷電流在電阻上產(chǎn)生的能量遠大于卸荷電阻自然散熱釋放的能量，故卸荷單周期累加能量值近似為：

當卸荷處于切出狀態(tài)時，卸荷電阻通過輻射、傳導及強制冷卻方式進行散熱。已知卸荷電阻最大能量沖擊值Qmax和兩次最大能量沖擊必須的最小時間間隔Tinterval，計算卸荷單周期減少能量近似值為：

將經(jīng)硬件濾波器濾波后的直流母線電壓 ，分別輸入電壓滯環(huán)比較器和能量累計計算器。電壓滯環(huán)比較器邏輯為：

其中，SSv（n－1）表示前一控制周期輸出值。電壓滯環(huán)比較器輸出值作為邏輯與的第一個輸入值。同時，控制器從邏輯與的輸出端讀取當前卸荷開關狀態(tài)，經(jīng)過延遲環(huán)節(jié)得到前一個控制周期的卸荷開關狀態(tài)。能量累計計算器分別對開關狀態(tài)0（導通）和狀態(tài)1（截止）計數(shù)，當開關狀態(tài)為1時，則使Qsum累加一次Qin值；當開關狀態(tài)為0時，則使Qsum累加一次Qout值。Qsum經(jīng)過0≤Qsum≤Qmax的限幅輸入至能量滯環(huán)比較器，其邏輯為：

其中，SSq（n－1）表示前一控制周期輸出值。能量滯環(huán)比較器輸出值作為邏輯與的第二個輸入值。由最終輸出值驅動卸荷開關動作，1為導通，0為截止。

通過軟件策略優(yōu)化，可實時計算撬棒電阻當前累計的能量值，通過與設定值相比，可計算出仍能吸收的能量。在不超過能量限制的情況下，實現(xiàn)風電機組的多次故障穿越。在風電場實際故障穿越中，特別是高電壓穿越，往往伴隨著先低穿、后高穿的情況，撬棒電路需要多次工作，本文的控制策略可實現(xiàn)對多次工作的安全監(jiān)控。變流器依據(jù)撬棒電阻的當前時刻能量值，使能或禁止撬棒電路工作，并可將狀態(tài)值反饋至變流器控制器中，實現(xiàn)變流器整體的安全保護。

結語

本文針對風電變流器撬棒電路提出了一種基于電阻能量的軟件保護策略。該策略不增加硬件成本，能夠實時監(jiān)測撬棒電阻的吸收能量，確保電阻能量在允許的范圍內，降低了電阻過熱損壞和變流器發(fā)生火災的風險，提高了系統(tǒng)的可靠性。