一種新型的能量回饋型DFIG低電壓穿越Crowbar拓撲

楊恩星

（上海電氣輸配電集團，上海200042）

風力發(fā)電在我國裝機容量不斷增加，大規(guī)模的風電機組入網(wǎng)會對電力系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定、電能質(zhì)量、繼電保護以及電網(wǎng)一系列的穩(wěn)定性帶來不可忽略的影響，尤其是陸上風電基本處于電力網(wǎng)末端，屬于典型的弱電網(wǎng)，風電機組占比越高，電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題尤為突出。

電網(wǎng)電壓對地或者相間短路造成的電網(wǎng)電壓跌落是電網(wǎng)的一種常見故障，早期的解決方案是風電機組檢測到電網(wǎng)電壓跌落會自動脫網(wǎng)和電網(wǎng)解列以保護風電機組。當電網(wǎng)較弱時，大面積的風電機組脫網(wǎng)，會從電網(wǎng)吸收無功，從而加劇電網(wǎng)的故障。因此，電網(wǎng)運營商提出了更加嚴格的風電機組并網(wǎng)規(guī)范，要求在外部電網(wǎng)故障下風電機組不間斷運行和具有一定的頻率、無功和電壓控制能力。在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)連續(xù)的對稱和不對稱短路故障時保持與電網(wǎng)連接，并向電網(wǎng)提供無功支撐，協(xié)助電網(wǎng)電壓快速恢復(fù)［1］。

國家電網(wǎng)當前即將出臺的低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）新標準中，除了要求在規(guī)定時間內(nèi)不脫網(wǎng)運行，還規(guī)定了有功恢復(fù)和無功支撐技術(shù)指標。

（1）標準LVRT曲線如圖1所示。圖1中，輪廓線以上的區(qū)域，風電機組需要保證不間斷并網(wǎng)運行，并網(wǎng)點在輪廓線以外時允許機組脫網(wǎng)。

圖1 低電壓穿越曲線

（2）無功支撐能力。當電網(wǎng)電壓發(fā)生20%～90%三相電壓對稱跌落時，要求風電機組輸出無功電流，以支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)，無功電流要在75ms內(nèi)達到1.5（0.9－Vt）In的輸出（其中，Vt為跌落深度，In為額定電流），并在曲線上方規(guī)定的時間內(nèi)不脫網(wǎng)。

（3）有功功率的恢復(fù)。電網(wǎng)電壓恢復(fù)后以每秒10%的速度恢復(fù)有功功率。

風力雙饋發(fā)電機組（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）由于只需要控制轉(zhuǎn)差功率，變流器容量較小，成本低，可以連續(xù)快速地向電網(wǎng)提供無功支撐。但是因為雙饋電機定子和電網(wǎng)直接連接，在電網(wǎng)電壓擾動時電磁過程比較劇烈，瞬時電流會達到額定電流的300%以上［2］。同時，由于變流器容量低，限制了機組在嚴重故障時的控制能力，因此，DFIG需要輔助電路實現(xiàn)不間斷運行和變流器自我保護功能［3－4］。

本文對DFIG低電壓穿越保護電路Crowbar電路的結(jié)構(gòu)進行分析，并提出了一種新型的電路拓撲，可以有效降低Crowbar電路的容量和成本，并對電路特性進行了設(shè)計和分析，通過仿真和實驗對這一新型拓撲的可行性和有效性進行了工程驗證。

1 雙饋機組LVRT技術(shù)

1.1 低電壓穿越輔助電路

為了滿足上述LVRT要求，早期的不可控Crowbar電路是由半控型晶閘管組成的旁路電路，如圖2所示。無源Crowbar工作機理是，當發(fā)生LVRT跌落，定子勵磁釋放感應(yīng)出很高的轉(zhuǎn)子電流，傳感器檢測到電流閾值，導(dǎo)通Crowbar電路，以保護轉(zhuǎn)子變流器。Crowbar電路的關(guān)斷是依靠轉(zhuǎn)子電流過零點，這是由晶閘管的特性決定的。因此，相關(guān)研究人員［6］提出了兩種有源Crowbar方案。圖3中，在轉(zhuǎn)子側(cè)并聯(lián)一個三相不控整流橋，整流橋的直流側(cè)通過一個能耗制動Chopper電路將轉(zhuǎn)子短接。在機組正常運行時，轉(zhuǎn)子電壓在Crowbar整流，使Chopper電路兩端維持一個固定的直流電平。當電網(wǎng)電壓跌落時，轉(zhuǎn)子電流迅速增大，當達到閾值時，Chopper斬波電路的門極絕緣雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）導(dǎo)通，通過電阻阻尼快速釋放定子磁場。當轉(zhuǎn)子電流衰減到閾值以下時，可以快速關(guān)斷Chopper器件，恢復(fù)轉(zhuǎn)子變流器的控制。圖4中，在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器每個橋臂的IGBT旁并聯(lián)一個大容量二極管，當發(fā)生低電壓跌落時，轉(zhuǎn)子電流上升，當達到轉(zhuǎn)子變流器保護閾值時，關(guān)閉IGBT脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）導(dǎo)通信號，使高倍的勵磁釋放電流流過IGBT并聯(lián)二極管，對直流母線充電。當直流母線電壓超過保護閾值時，直流母線通過一個能耗制動Chopper電路將其釋放［6］。

圖2 無源Crowbar電路

圖3 有源Crowbar電路

圖4 Chopper型Crowbar電路

從本質(zhì)上講，圖2和圖3有相同的工作特性。有源可控型Crowbar可以有效實施對電機轉(zhuǎn)子電流的實時控制，能夠更好地滿足75ms內(nèi)快速輸出無功，對電網(wǎng)電壓形成有效支撐的能力。

1.2 傳統(tǒng)Crowbar電路存在的問題

由于當前兆瓦級風電機組的變流器通常放在塔底，變流器到電機轉(zhuǎn)子的距離達到上百米，變流器輸出的高頻轉(zhuǎn)子PWM電壓dv／dt變化率會超過500V／μs，在變流器和電機之間產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)。圖5為經(jīng)變流器dv／dt濾波器電感后的轉(zhuǎn)子電壓波形。從波形可見，疊加的反射電壓峰值達到了150%額定峰值，反射電壓經(jīng)過轉(zhuǎn)子整流橋，會在Crowbar的直流側(cè)產(chǎn)生相對應(yīng)的直流高壓，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子Crowbar電路IGBT兩端承受較高的電壓，減小了IGBT的耐壓余量，較易超出安全工作區(qū)。Crowbar直流側(cè)和直流母線電壓對比如圖6所示，兩者有效值相差近200V。

圖5 轉(zhuǎn)子電壓波形

圖6 直流母線和轉(zhuǎn)子直流側(cè)電壓

對此問題有兩種傳統(tǒng)解決方案：① 在轉(zhuǎn)子變流器輸出側(cè)設(shè)置LCR型dv／dt濾波器，降低dv／dt上升率，以降低反射電壓［5］；② 提高Crowbar功率器件等相關(guān)部件的耐壓。無疑兩種方案都會大幅增加系統(tǒng)硬件成本。本文在深入研究Crowbar電路特性的基礎(chǔ)上，提出了一種新的解決方案。

2 電路結(jié)構(gòu)分析

2.1 主電路結(jié)構(gòu)

圖7方框內(nèi)紅色部分為提出的Crowbar電路圖。從轉(zhuǎn)子側(cè)變流器dv／dt輸出濾波器電感引出三相轉(zhuǎn)子電壓，通過一個三相不控整流橋整成直流，由IGBT功率器件T1串聯(lián)一個電阻器組成類似Chopper電路。當達到導(dǎo)通閾值時，導(dǎo)通T1從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子短接。在正常運行時，Crowbar直流側(cè)正極通過一個二極管串聯(lián)一個RC并聯(lián)電路，接轉(zhuǎn)子變流器的正母線，Crowbar直流側(cè)負極接轉(zhuǎn)子變流器負母線，從而將Crowbar電路的直流電壓嵌位到變流器直流母線電壓。使轉(zhuǎn)子電壓幅值接近直流母線電壓幅值，從而Crowbar使用的功率器件的電壓等級取得了較大幅度的降低，耐壓余量增大。

圖7 回饋型Crowbar電路原理圖

2.2 回饋電路設(shè)計

圖8為能量回饋電路的結(jié)構(gòu)。反相截止二極管D2是為防止啟動時直流母線給Crowbar倒充電。電容C2流通高頻的紋波電壓，嵌位轉(zhuǎn)子電壓峰值到直流母線電壓，R2則流通低頻電流，從而使Crowbar直流側(cè)和變流器直流母線電壓幅值接近。

圖8 回饋電路

回饋電路的傳遞函數(shù)為

式中S＝σ＋jw拉普拉斯算子。

圖9 回饋電路幅頻特性

其幅頻特性如圖9所示，根據(jù)轉(zhuǎn)子反射電壓的頻率和峰值選擇C2，既保證有足夠的紋波電流余量，又保證了紋波頻率低阻通過。這樣，反射電壓被鉗位到直流母線幅值，電阻R2取值以進一步保證Crowbar直流側(cè)和變流器直流母線等電位，R2功率以兩側(cè)直流母線靜態(tài)壓差來確定。

3 實驗分析

本文以2MWDFIG為例，通過實驗驗證電路的可行性，實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

圖10為采用表1參數(shù)的Crowbar回饋電路后轉(zhuǎn)子線電壓波形，可以看出轉(zhuǎn)子線電壓的反射電壓峰值明顯降低。圖11是回饋電路的電流波形，最大峰值電流有200A，有效值為3.9A。圖12是引入回饋電路的Crowbar直流側(cè)和轉(zhuǎn)子變流器直流母線電壓波形，兩者相差30V左右。

圖10 轉(zhuǎn)子電壓波形

圖11 回饋電路電流

圖12 直流母線和Crowbar直流側(cè)電壓

由實驗波形可見，本文所提出的回饋型Crowbar電路具有明顯的嵌位效果，降低了Crowbar電路的電壓等級，電路拓撲是有效且可行的。

4 結(jié) 語

本文提出了一種新型Crowbar拓撲，通過理論計算、仿真和實驗分析，可以看出此電路能有效地將Crowbar直流側(cè)電壓嵌位到變流器直流母線電壓值，降低了Crowbar電壓等級，可以使用耐壓較低的功率開關(guān)器件組成Crowbar電路，有效降低了系統(tǒng)成本和開關(guān)器件安全余量，同時對轉(zhuǎn)子長電纜造成的高反射電壓起到了一定的嵌位作用。

［1］胡家兵，賀益康.雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越運行與控制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32（2）：1－4.

［2］朱曉東，石 磊，陳 寧.考慮Crowbar阻值和退出時間的雙饋風電機組低電壓穿越［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（18）：85－89.

［3］賀益康，周 鵬.變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2010，24（9）：140－146.

［4］Von Jouanne A，Enjeti P N.Design considerations for an inverter output filter to mitigate the effects of long motor leads in ASD applications［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1997，33（5）：1138－1144.