IGBT型Crowbar保護電路仿真研究*

楊睿碗，何志琴，周進，馬文輝

（貴州大學 電氣工程學院，貴陽 550025）

0 引 言

在大型變速恒頻風力發電系統中，雙饋電機占了很大比重，而且隨著雙饋感應風力發電機組單機容量和裝機容量的不斷增大，發電機與電網的相互影響變得越來越重要［1-2］。為了保護勵磁變頻器，通常采用在轉子側加裝主動式Crowbar保護電路。而該保護電路中卸能電阻最優值的選取一直是研究的重點和難點。

卸能電阻過大，會在轉子側變流器上產生過電壓，不能保護轉子側變流器，過小又不能限制轉子暫態電流［3-4］。

本文建立了雙饋感應發電機T型等效電路模型，討論了IGBT型 Crowbar保護電路中電阻阻值的選取范圍。并對電壓跌落情況下DFIG相應特性進行仿真分析。

1 建模過程

1.1 IGBT型Crowbar保護電路

轉子側active IGBT型Crowbar保護電路拓撲（見圖1）。每個橋臂由2個二極管串聯而成，直流側串入1個IGBT器件和一個吸收電阻。當轉子過流時，通過檢測信號給予IGBT的導通信號，從而通過直流端的電阻釋放能量，起到泄流保護作用［5］

圖1 IGBT型Crowbar保護電路Fig.1 Crowbar protection circuit based on IGBT

2 建模以及保護電路實驗

在ABC坐標系下，雙饋風力發電機T型等效電路［6-7］（見圖2）。

圖2 雙饋感應發電機T型等效電路Fig.2 DFIG T-type equivalent circuit

其電壓方程為：

磁鏈方程為：

其中：

將式（2）變換成用定轉子磁鏈表示定轉子電流形式如下：

通常情況下，DFIG的勵磁電感Lm遠大于定、轉子漏電感Lδσ和Lδr，將此條件代入可得：

從而得出等效回路進一步簡化（轉子側接入Crowbar，不考慮瞬間運動電動勢）如圖3所示。

圖3 雙饋式風力發電機等效電路圖簡化模型Fig.3 Simplified model of equivalent circuit diagram of doubly fed wind generator

得出暫態的定轉子電流幅值表達式如下：

由于定轉子電阻相比Crowbar電阻小的多，可忽略得出定轉子電流的幅值為：

從而得出定、轉子電流的近似表達式

2.1 卻能電阻最優值選擇

電網發生電壓跌落時，接入Crowbar保護電路。定子、轉子此時電流的峰值與Crowbar中卸能電阻的阻值相關，若卸能電阻過大，故障電流的峰值就相應越小。轉子側增加保護電路后的最大電流值小于轉子側正常運行時電流的最大值［8］，即：

為防止直流母線電壓超過額定值而危害變換器的正常運行。因此，Crwobar保護電路電阻上的電壓應該小于直流母線可以承受的最大電壓［9-10］，即：

可得：

經過推導得出Crowbar保護電路電阻的取值范圍，由公式可以看出其取值和諸多參數均相關包括發電機定子側和轉子側電感電阻的大小。當電網發生故障時不同的電壓跌落深度轉子側過流值也不相同，正常電機工作時轉子側電流小于定子側電流，因此采取在轉子側增加保護電路方法更可行。

2.2 實驗條件

本文通過建立雙饋風力發電機（DFIG）的數學模型來驗證Crowbar保護電路。該模型主要包括直流電機、繞線式異步電機、鼠籠式異步電機、自耦變壓器、Crowbar保護電路、萬用表、測速儀、控制柜、直流穩壓電源、數字示波器、低電壓穿越發生電路，其他控制電路和實驗用具若干。本文主要介紹了Crowbar保護電路。

風力發電機模擬系統，由直流電機拖動繞線式異步電動機模擬雙饋式風力發電系統。通過調節直流電機轉速來模擬風速的變化，當控制直流電機轉速超過異步電機額定轉速時，雙饋式異步電機處于超同步運行狀態此時.轉子向電網輸出功率。當控制直流電機轉速低于繞線式異步電機額定轉速時，DFIG處于亞同步運行狀態，此時電網向轉子輸入功率。當控制直流電機轉速等于繞線式異步電機額定轉速時，此時工作狀態與常規同步發電機一樣。

2.3 實驗結果

Crowbar控制保護電路原理主要是當電流霍爾傳感器檢測到電流有較大變化時，輸出一個高電平給電路控制器，控制器檢測到高電平信號輸出PWM

信號給驅動芯片，觸發Crowbar控制電路導通，實驗中為了更明顯的效果在Crowbar保護電路接了一個紅色LED燈，在Crowbar控制電路導通時紅色LED燈亮，（見圖4）。

圖5中為驅動芯片的驅動信號，輸入PWM信號時驅動芯片變輸出+15 V的驅動信號，從而驅動IGBT導通，紅色LED燈亮。

經過測試IGBT電路可以正常運行，當IGBT導通以后轉子側所帶負載鼠籠式異步電機轉速明顯下降，證明一部分能量通過Crowbar保護電路中卸能電阻釋放掉了。

圖4 Crowbar實驗電路Fig.4 Crowbar experimental circuit

圖5 驅動信號Fig.5 Driver signal

3 LVRT仿真驗證

為了深入研究active IGBT Crowbar保護電路在電壓跌落時的動態響應參數。本文在MATLAB/Simulink中搭建一臺增加了IGBT型Crowbar保護電路的變速恒頻DFIG風力發電系統模型，仿真參數設置如下：

雙饋發電機（DFIG）：額定功率為參數：6×1.5/0.9 MW；線電壓為575 V；頻率50 Hz；定子電阻為0.007 06 p.u.；定子電抗為0.171 p.u.；轉子電阻為0.005 p.u.；轉子電抗為0.156 p.u.；發電機的慣性參數5.04 s；阻尼系數為0.013 p.u.（p.u.為標么值）。

風機參數為：額定功率為6×1.5 MW；跟蹤點風速8 m/s；最大槳矩角45°；槳矩角最大變化率2°/s。仿真算法選擇Ode23tb，其他風機參數默認。

仿真中選擇Crowbar保護電路卸能電阻阻值為1.13Ω。

電網電壓發生三相對稱故障，故障使得系統電壓跌落50%。1.2 s時故障發生，1.825 s時故障清除，持續0.625 s。Crowbar保護電路方案設定為：

方案1：電網電壓跌落50%未接入Crowbar；

方案2：電網電壓跌落時加裝 active IGBT型Crowbar保護電路。

3.1 方案1動態響應情況

偶數圖6～圖14給出電網電壓跌落50%未接入Crowbar保護電路時的直流母線電壓、風機轉子側電流、風機轉子側電壓、風機輸出有功功率、風機輸出無功功率等參數的動態響應曲線。由這些圖可以看出，故障發生前直流母線電壓有一定范圍波動。在電壓跌落發生時和故障清除后一瞬間，直流母線電壓、轉子側電流、電壓等量都出現了很大的尖峰和明顯的振蕩。而且電壓故障恢復時各參數的振蕩更嚴重，在正常工作中，可能會觸發風力發電機保護系統而自動停車。以未接入Crowbar保護電路作為對比論述加裝Crowbar電路的必要性。

圖6 直流母線電壓Fig.6 DC bus voltage

圖7 加Crowbar電路直流母線電壓Fig.7 Plus Crowbar circuit DC bus voltage

圖8 風機轉子側電流Fig.8 Fan rotor side current

圖9 加Crowbar電路轉子側電流Fig.9 Plus Crowbar circuit rotor side current

圖10 風機轉子側電壓Fig.10 Fan rotor side voltage

圖11 加Crowbar電路轉子側電壓Fig.11 Plus Crowbar circuit rotor side voltage

圖12 風機輸出有功功率Fig.12 Active power output of wind turbine

圖13 加Crowbar電路有功功率Fig.13 Plus Crowbar circuit active power

圖14 風機輸出無功功率Fig.14 Output reactive power of wind turbine

3.2 方案2動態響應情況

圖7、圖9、圖11、圖13、圖15為電網電壓跌落時加裝active IGBT型Crowbar保護電路的直流母線電壓、風機轉子側電流、風機轉子側電壓、風機輸出有功功率、風機輸出無功功率等參數的動態響應曲線。在未發生故障前直流母線電壓在較小范圍內波動。仿真結果證明，Crowbar保護電路與電網電壓跌落同時投入，能量經過三相整流橋流入卸能電阻，通過卸能電阻釋放掉。卸能電阻電壓與電流曲線分別如圖16和圖17所示。增加保護電路后的轉子側電流有明顯的減小，轉子側電壓也較未增加保護電路有明顯的降低。

圖15 加Crowbar電路無功功率Fig.15 Plus Crowbar circuit reactive power

圖16 Crowbar電路卻能電阻電壓Fig.16 Crowbar circuit discharge resistance voltage

圖17 Crowbar電路卻能電阻電流Fig.17 Crowbar circuit discharge resistance current

4 結束語

Crowbar保護卸能路電阻R的阻值是影響Crowbar保護效果的一個關鍵參數，給出其最優取值范圍的推導，本文通過MATLAB/Simulink仿真搭建了變速恒頻DFIG風力發電系統模型。仿真結果表明：

（1）使用Crowbar保護電路可以分擔一大部分能量，并通過卸能電阻釋放掉，繼而保護勵磁變換器；

（2）電壓跌落結束，電壓恢復正常以后，變換器可以立刻恢復正常工作狀態，恢復對電機有功、無功的控制作用；

（3）在電壓瞬間跌落時電機相應的特性參數都有很大的尖峰和振蕩，程度和跌落深度成正比。