风电机组低电压穿越控制回路设计优化

文 | 胡东平，黄波

风电机组低电压穿越控制回路设计优化

文 | 胡东平，黄波

随着风力发电得到大规模应用，低电压穿越技术越来越受到重视。当电网电压跌落时，双馈风电机组发电机的定子电流会急剧上升，而由于电机定转子间的强耦合，电机的转子侧也会过流，因为双馈风电机组发电机转子侧的变流器容量较小，所以转子侧过流可能会损坏变流器。为了保护好发电机及变流器设备，同时在一定范围内继续保持挂网运行，向电网提供有功功率和无功功率支撑，低电压穿越技术的研究也越来越深入。

当前双馈风电机组发电机低电压穿越的方法主要是对控制策略进行优化并结合使用硬件Crowbar电路来实现。在通过使用硬件电路实现低电压穿越的回路设计方面，存在各种不同的硬件Crowbar控制回路，发生低电压故障时作用也不尽相同，有必要对当前现有的几种Crowbar电路及其IGBT吸收回路的优缺点进行分析比较，结合仿真分析，对低电压穿越硬件Crowbar控制回路进行优化设计，以提升双馈风电机组发电机低电压穿越能力。

当前Crowbar硬件电路分析

电网发生电压跌落时，发电机的机端电压比正常运行时低，由于电压跌落过程中定子磁链的突变将会在与其耦合的转子侧产生较大的过电压和过电流，会对风电机组发电机以及其变流系统产生危害。针对这些可能发生的严重后果，需要增加硬件Crowbar电路来泄放系统中多余的能量。现在常用的硬件辅助电路主要有转子侧Crowbar电路和直流侧Chopper电路。

一、转子侧Crowbar电路

转子侧Crowbar电路设计是在电网发生跌落故障时采用短接电阻方式来旁路转子侧变流器，为电流提供通路，有效泄放发电系统能量，从而保护风电机组以及网侧变流器的安全，如图1所示。

当前典型的转子侧Crowbar电路设计主要有以下三种：

（1）反并晶闸管型Crowbar电路，其拓扑如图2所示。

图1 转子侧Crowbar电路

图2 反并晶闸管型Crowbar电路

图3 二极管桥型Crowbar电路

当电网电压跌落时，触发晶闸管导通，反并二极管形成回路，保护发电机及变流器。这种电路的优点是结构和原理都很简单，缺点在于使用的晶闸管数量较多，其吸收电路的设计比较困难。

（2）二极管桥型Crowbar电路，其拓扑如图3所示。

当电网发生电压跌落故障时导通晶闸管，转子侧电流经由整流桥流入晶闸管，过电流实现有效泄放。其优点是结构简单，使用一只晶闸管来控制电路，吸收电路的设计易于实现，缺点是一旦导通便会直通，直至故障结束后将Crowbar电路整体切除。

（3）IGBT型Crowbar电路，其拓扑结构如图4所示。

采用IGBT控制的Crowbar电路能够实现对低电压穿越的快速控制，而且其吸收电路设计也相对简单，本文正是针对该种拓扑的Crowbar电路进行优化。

二、直流侧Chopper电路

直流侧Chopper电路的设计与转子侧Crowbar电路类似，通过接入短路电阻的方式对器件进行旁路保护，但直流侧Chopper电路主要是对直流电容进行保护，其基本拓扑结构如图5所示。

直流侧Chopper和转子侧Crowbar控制电路均由电力电子器件控制旁路电阻的投退，设计的核心是泄能电阻阻值的选取以及IGBT吸收回路搭建，本文主要以转子侧Crowbar电路为基础进行设计优化。

三、 IGBT 型Crowbar电路设计分析

泄能电阻阻值的整定受转子侧变流器电流和网侧变流器电压的约束，故障期间若阻值较大，则不能有效抑制转子侧的短路电流，从而对变流器产生危害；若阻值较小，会导致直流侧出现过电压，也对变流器不利，通常在合理的取值范围内泄能电阻阻值越小，对转子侧过电流的抑制效果越显著。

Crowbar硬件电路优化设计

图4 IGBT型Crowbar电路

图5 直流侧Chopper电路的基本拓扑

一、Crowbar电路泄能电阻的选取

为实现Crowbar电路泄能电阻选取的优化设计，本文通过对IGBT 型Crowbar电路建立仿真模型，选取不同的Crowbar泄能电阻阻值，模拟电网故障，对电网故障期间的Crowbar电阻泄能效果以及电机的各项参数进行了仿真，仿真结果如下图6所示。

通过对仿真波形进行分析可知，在电网发生故障期间，仿真所选取的几种不同阻值（0.2Ω、0.4Ω、0.6Ω、0.8Ω）的电阻对定子电流的抑制效果是相似的，都能将定子电流控制在安全范围内，但是当电阻较小时，投入Crowbar时定子上产生的电流尖峰较大，可能会对电机产生危害，并且Crowbar电阻阻值越小时故障期间消耗能量越多，对电阻本身的要求以及设备散热要求也越高，这些都会对设备使用以及低电压穿越效果产生不利影响。所以本文选择0.8Ω电阻作为Crowbar电路的泄能电阻。

二、Crowbar系统电路设计

综合以上分析，本文设计了Crowbar硬件电路，如下图7所示。

采用改进型Crowbar硬件电路，模拟电压故障跌落，在电网电压跌落故障过程中，转子侧电流得到了有效抑制，并且IGBT的反向尖峰也控制在了合理范围内。

该设计电路有以下几个特点：

（1）选取了阻值较小、热容较大的泄能电阻，在满足泄能要求的同时保持低功耗，更适于工程应用。

（2）选取了阻值较小的充放电电阻（500Ω），加快了充放电速度，提高了预充电电压，并在直流链加入了3只10kΩ的电阻，有利于对单个器件的保护。

（3）采用了RC吸收电路，试验证明在切除时能够保证IGBT器件安全，并且电路整体结构比较简单，利于解决工程应用中散热等方面的问题。

图6 对不同阻值泄能电阻仿真的仿真波形

图7 改进型Crowbar电路设计

结论

本文针对低电压穿越不同的硬件辅助电路进行分析，指出了各自的特点及适用的范围，并对电路设计中泄能电阻的选择及吸收电路进行了仿真试验，明确对泄能电阻宜采用较小阻值、较大热容的设计选型，通过对仿真及试验结果的分析优化设计了适用于工程应用的Crowbar电路，可以更好地满足低电压穿越的技术要求，可为低电压穿越功能硬件回路设计提供借鉴参考。

(作者单位:胡东平:中国电力科学研究院；黄波:国网电力科学研究院)