Crowbar電路對雙饋風力發電機組的影響

張　毅，齊新杰，買秀芳，徐立亮，常喜強，馬　瑞

(1.國網吐魯番供電公司，新疆 吐魯番　838000；2.國網新疆電力調度通信中心，新疆 烏魯木齊　830002)

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Crowbar電路對雙饋風力發電機組的影響

張毅1，齊新杰1，買秀芳1，徐立亮1，常喜強2，馬瑞1

(1.國網吐魯番供電公司，新疆 吐魯番838000；2.國網新疆電力調度通信中心，新疆 烏魯木齊830002)

隨著天然氣、石油等傳統能源面臨枯竭，空氣污染不斷加劇的局面，迫使人們尋找一種無污染型的新型能源作為傳統能源的替代者。在國家能源戰略的扶持下，近幾年，風電等清潔能源得到了飛速發展，然而，在風電快速發展的同時也暴露出了很多不足和漏洞。針對雙饋風力發電系統對電網電壓跌落的脆弱性，基于轉子側加入Crowbar保護電路雙饋風力發電系統的仿真模型，通過Crowbar保護電路的投切仿真分析，研究了Crowbar保護電路對雙饋風力發電系統的影響。

Crowbar電路；雙饋風力發電系統；短路；仿真

近年來，隨著電力電子技術的日益發展、人們對清潔能源的大力支持，風電等低成本、零污染的清潔能源得到了快速發展。風電單機容量由千瓦級跨越到兆瓦級，中國總裝機容量呈現出跨越式的增長趨勢。風電裝機比例不斷上升，風電機組出力的突變性對電網的影響不可低估，對電網安全穩定運行埋下了隱患。為了提供優質服務，國家電網公司也出臺了一系列政策保障電網穩定運行。中國對于并網的風電機組要求有一定的低電壓穿越能力，即電力系統發生短路故障時(一定的范圍內)，要求風電機組必須并網運行，不得脫網。

國內外已有不少專家學者開展了Crowbar保護電路對雙饋風力發電機組影響的研究工作。文獻[1]對雙饋風力發電機組的低電壓穿越能力以及加裝Crowbar保護電路后的低電壓穿越能力進行分析對比，得到加裝保護電路可以使得雙饋機組在短路故障時電壓跌落幅度較小，從而起到保護電路的作用。文獻[2]對Crowbar保護電路阻值的選取進行分析，并對不同數值下的低電壓穿越效果進行了仿真分析。文獻[3]對故障期間電壓跌落不同程度的雙饋風電機組轉子電流與電壓變化特性進行仿真分析。文獻[4]對Crowbar保護電路阻抗的選取方法以及數值計算進行了分析。文獻[1-4]對雙饋風電機組的低電壓穿越以及Crowbar電路阻值的選取進行了仿真分析，并沒有對Crowbar保護電路加入后雙饋風電機組的各種運行狀態進行仿真分析。綜合而言，對改善雙饋風電機組的低電壓穿越能力還需進一步的研究分析。

首先對雙饋風力發電機組、Crowbar保護電路的工作原理進行分析；隨后提出Crowbar保護電路的投切方法；最后對雙饋風力發電系統在Crowbar保護電路動作后，與普通異步風力發電系統以及Crowbar保護電路不動作時的風力發電系統動態特性進行仿真分析。

1　含Crowbar電路的雙饋風力發電系統

雙饋風力發電系統因其較高的風能利用率得到了廣泛應用。在風力發電系統中，風電機組發出的電能其電壓幅值與頻率是時刻變化的，故不能直接并網或供用戶使用，必須將其通過AC-DC-AC變流器轉換成電壓、頻率恒定的交流電才能使用。雙饋風電機組的轉子側通過變頻器接入電網，從而可以為發電機轉子提供勵磁電流，在控制系統的作用下達到風力發電系統的最大功率跟蹤。定子側直接連接于電網中，當電網發生各種短路故障時將會導致定子側出現大電流。受制于磁鏈守恒定律的約束，定子側出現的大電流將會通過定轉子之間的強耦合作用帶動轉子側電流也相應地升高[5-6]。變頻器等電力電子設備容易受過電流等外界因素的損壞；為了防止大電流對電力電子設備的破壞，現階段較常用的方法就是在轉子側電路中加入Crowbar電路，通過耗能電阻將過電流產生的能量轉移，從而起到保護變頻器等電力電子設備的作用[7-8]。加裝Crowbar保護電路的雙饋風力發電系統結構圖如圖1所示。

圖1　加裝Crowbar電路的雙饋風力發電系統結構圖

1.1Crowbar電路

Crowbar電路是由反向并聯的晶閘管與耗能電阻串聯而成，接于轉子側起到保護變頻器的目的。其基本工作原理是通過晶閘管的開斷控制耗能電阻的投切，當轉子側電流值增大到一定的數值后，晶閘管觸發信號動作，電流流過耗能電阻將轉子側變頻器短接[1]。此時，雙饋風力發電系統因變流器的轉子側失控而運行在轉子側加裝電阻串的異步電機狀態，起到保護變流器的目的；當短路電流衰減到一定的數值時，晶閘管的觸發信號將會關斷，耗能電阻退出運行系統，變頻器再現對電機的控制功能。

1.2Crowbar電路控制系統

圖2　所提出的Crowbar投退診斷流程

2　Crowbar電路的運行狀態分析

2.1Crowbar投入時的運行狀態

Crowbar投入時，雙饋風力發電系統的轉子側變流器被耗能電阻短路，雙饋風力發電系統失去轉子側變流器系統的控制而運行于外加串聯電阻的普通異步機狀態[9-10]。此時短路電流變化趨勢類似于異步電機的短路電流，即都包含衰減的直流及衰減的交流分量，且最終都將衰減到0。由于耗能電阻的保護作用，故障電流的初始值相較于異步電機將會減小，轉子衰減時間常數小，短路電流中的基頻交流分量衰減快。

2.2Crowbar未投入時的運行狀態

系統發生短路故障時，晶閘管因觸發信號失靈等外部原因沒有導通的情況下，Crowbar仍處于未投運狀態。此時，雙饋風力發電系統的變流器及其控制系統處于工作狀態，故障電流的大小受限于變流器控制系統。由于耗能阻抗鉗制電壓的存在，故障電流相較于未加裝Crowbar保護電路的雙饋風力發電系統將會發生很大的變化。由于雙饋風力發電系統采用的是感應電機，只有轉子側與變頻器相連，電路故障時短路電流的變化還會有異步電機短路故障電流變化特性的存在；加之轉子側外加耗能電阻的存在，通過對耗能電阻端電壓的控制可以調節機組的輸出功率，使輸出功率保持在某一恒定值，因此又具有同步機的短路電流特性。

3　仿真分析

為了驗證理論分析的正確性，搭建了總裝機容量為49.5 MW(1.5 MW×33)的風電場仿真模型。機組采用恒功率因數的控制模式，出口功率因數控制為1。雙饋風電機組的參數如表1所示。為了驗證Crowbar保護電路對雙饋風力發電系統低電壓穿越的效果，在仿真時間t=0.5 s時，在風電場升壓變的低壓側設置了三相短路故障。

表1　雙饋風電機組的參數

3.1Crowbar投入時的仿真分析

在故障發生的瞬間，Crowbar保護電路將變頻器轉子側短路，并一直沒有退出。就雙饋風力發電系統與普通異步機組在該故障下的波形進行對比分析。

圖3　Crowbar投入時，雙饋機組與普通機組定子電流變化

圖4　Crowbar投入時，雙饋機組與普通機組端電壓變化

圖3和圖4可以看出，在相同的短路故障下，Crowbar保護電路投入雙饋風力發電系統時，相較于普通異步機組有以下2個優點：1)短路電流的初始值相較于普通異步機組甚小；2)短路電流的衰減速度比普通異步機組快。仿真結果顯示了短路電流的大小以及動態特性，從兩者的變化特性充分驗證了Crowbar保護電路的有效性。

3.2Crowbar未投入時的仿真分析

在故障發生的瞬間，因其他因素的影響，Crowbar保護電路沒有動作，雙饋風電機組定子側的電流變化如圖5所示。

由圖5可以看出，故障時電流表現出急劇增大-下降-上升的變化趨勢，由于磁鏈值的衰減使得電流表現出下降的趨勢，電流在下降的過程中，受制于雙饋機組的控制系統又出現上升的趨勢；定子電流衰減速度很快，在故障后的一個周期內(t=0.02s)，短路電流衰減到沖擊電流的1/2。

圖5　Crowbar電路未動作，雙饋風電機組定子側的電流波形

4　結　論

對加裝Crowbar保護電路的雙饋風力發電系統的運行特性進行了分析，并通過與普通異步風力發電系統的分析對比驗證了理論分析的正確性，為風力發電系統的進一步發展奠定了一定的理論基礎。

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張毅(1989)，碩士研究生，從事電網運行工作。

With the depletion of natural gas, petroleum and other traditional energy sources and the constantly intensifying situation of air pollution, it forces people to look for a new type of non-pollution energy as a replacement of traditional energy. In recent years, wind power and other clean energy get rapid development under the support of the national energy strategy. However, when wind power is in the rapid development, it also exposes many shortcomings and flaws. Aiming at the vulnerability of doubly-fed wind power generation system, based on the simulation model of doubly-fed wind power generation system with Crowbar protective circuit adding in rotor side, and through the simulation analysis of the switching of Crowbar protective circuit, the influence of Crowbar protective circuit on doubly-fed wind power generation system is studied.

Crowbar circuit; doubly-fed wind power generation system; short circuit; simulation

TM614

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1003-6954(2016)03-0032-03

2016-01-16)