基于Crowbar保護電路的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越

張 迪，王世瑋，蔡浩然，潘一夫

（廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，廣東 廣州，510006）

電網(wǎng)技術(shù)

基于Crowbar保護電路的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越

張 迪，王世瑋，蔡浩然，潘一夫

（廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，廣東 廣州，510006）

針對電網(wǎng)電壓發(fā)生驟升故障時造成的電網(wǎng)不穩(wěn)定運行，在雙饋機組轉(zhuǎn)子側(cè)加入Crowbar保護電路，增加雙饋風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越的能力。通過建立電網(wǎng)電壓驟升時雙饋風(fēng)電機組投入Crowbar保護電路后的數(shù)學(xué)模型，并從磁鏈角度推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子側(cè)暫態(tài)電流及其最大估算值，根據(jù)短路電流和直流側(cè)母線耐受電壓的大小，確定Crowbar電路串聯(lián)的電阻值、切入和退出時間，加速系統(tǒng)暫態(tài)電流的衰減，實現(xiàn)雙饋系統(tǒng)的高電壓穿越。Matlab/Simulink仿真結(jié)果表明：控制方案增強了雙饋發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的可靠性，并提高了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高電壓穿越能力。

風(fēng)力發(fā)電；雙饋感應(yīng)發(fā)電機；高電壓穿越；Crowbar保護電路

目前，隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的影響越來越大［1］，尤其雙饋風(fēng)力發(fā)電在電力行業(yè)的廣泛應(yīng)用，使得雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷提高以滿足電網(wǎng)的并網(wǎng)規(guī)范要求［2］。雙饋風(fēng)力發(fā)電機組在穩(wěn)態(tài)運行時能夠輸出穩(wěn)定的有功功率和無功功率，能夠保持恒頻、變速的運行狀態(tài)；在電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時，能夠通過雙饋系統(tǒng)控制策略或在增加硬件設(shè)備的條件下，使雙饋系統(tǒng)實現(xiàn)故障穿越［3］。在電網(wǎng)電壓跌落時對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略已經(jīng)相對成熟，但是對電網(wǎng)電壓驟升時的研究則處于剛剛起步的階段［4］。電網(wǎng)在實際運行過程中，風(fēng)電負(fù)載的突然脫網(wǎng)、電網(wǎng)單相對地故障以及低電壓穿越時無功功率過度補償，都會造成電網(wǎng)電壓的驟升［5］，不利于雙饋系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此提高風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的高電壓穿越（High voltage ride through，HVRT）能力具有重要意義［6］。通過改進轉(zhuǎn)子側(cè)/網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略和增加Crowbar保護電路，提升雙饋電機的低電壓穿越能力，是實現(xiàn)雙饋發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越常用的手段?？紤]到發(fā)生電網(wǎng)電壓驟升故障時，風(fēng)力發(fā)電機的變槳系統(tǒng)不能快速調(diào)節(jié)自身的能量，造成能量的堆積，增加雙饋系統(tǒng)固件的損害和無法正常向電網(wǎng)輸送電能等情況［7］，針對雙饋發(fā)電系統(tǒng)高電壓穿越與低電壓穿越的相似性，本文采用系統(tǒng)矢量控制和增加Crowbar保護電路相結(jié)合的方式實現(xiàn)雙饋機組的高電壓穿越。

1 研究現(xiàn)狀及需要解決的問題

1.1 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外針對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高電壓穿越技術(shù)已做了初步研究，其方法大致分為增加硬件電路與改進系統(tǒng)控制2類。

1.1.1 增加硬件電路策略

文獻［8-9］分別提出了增加Crowbar保護電路和直流側(cè)chopper電路的研究方案，主要為了釋放在發(fā)生電網(wǎng)驟升時雙饋電機風(fēng)力機造成的能量堆積的問題，通過對電網(wǎng)電壓故障期間，分析雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的暫態(tài)過程，增加Crowbar電路和chopper電路對雙饋系統(tǒng)的性能影響等問題，討論雙饋系統(tǒng)高電壓穿越的可行性。文獻［10］提出了通過增設(shè)動態(tài)電壓恢復(fù)器或者靜止無功補償器的研究方案，主要是在電網(wǎng)發(fā)生電壓驟升故障時，能夠通過動態(tài)電壓恢復(fù)器保持轉(zhuǎn)子側(cè)、網(wǎng)側(cè)的電壓穩(wěn)定，同時通過靜止無功補償器吸收系統(tǒng)的富余無功功率。實現(xiàn)雙饋系統(tǒng)的高電壓穿越。上述方案都是通過增加硬件設(shè)施實現(xiàn)雙饋系統(tǒng)的高電壓穿越，穩(wěn)定性較好，效果顯著，但是無疑增加了發(fā)電系統(tǒng)的成套成本。

1.1.2 改進系統(tǒng)控制策略

文獻［11-12］提出在轉(zhuǎn)子d-q解耦控制中通過改變系統(tǒng)的阻尼系數(shù)和增加虛擬阻尼的控制方案，不僅加快了故障期間轉(zhuǎn)子電壓和電流的振蕩時間同時降低了振蕩幅值的大小。文獻［13-14］針對傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器在動態(tài)響應(yīng)上的不足，設(shè)計了動態(tài)性能較好的諧振控制器作為PI調(diào)節(jié)器的補充，有效減小了電網(wǎng)電壓故障期間轉(zhuǎn)子電流的沖擊。改進系統(tǒng)控制策略都在一定程度上提高了雙饋系統(tǒng)的高電壓穿越能力。

上述文獻所提控制方案都在一定程度上提高了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)高電壓穿越的能力，但在電網(wǎng)電壓驟升時，對雙饋發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機定子繞組絕緣材料使用壽命、系統(tǒng)的經(jīng)濟成本控制、系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩的輸出、輸出有功/無功功率的波動均未提出有效的控制策略，因而目前雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高電壓穿越運行控制仍舊存在諸多問題需要解決。

1.2 需要解決的問題

為了提出一種相比上述硬件和系統(tǒng)控制在經(jīng)濟成本和雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)HVRT性能上具有一定優(yōu)勢的一種新型控制策略。需要解決如下問題：

（1）為了使電網(wǎng)電壓在驟升故障時采用的各種硬件經(jīng)濟成本有所下降，考慮現(xiàn)有雙饋電機機組低電壓穿越時增加的Crowbar電路的基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)雙饋電機的HVRT控制。

（2）相較于傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的矢量控制不能有效的抑制電磁轉(zhuǎn)矩波動、故障電流衰減速度、系統(tǒng)有功功率和無功功率的影響等問題，考慮增加合適的Crowbar電路阻值。

（3）綜合分析Crowbar電路的切入時間和退出時間，避免傳統(tǒng)Crowbar電路頻繁切入電路和直流側(cè)電壓超過額定值造成絕緣材料損耗嚴(yán)重。

2 基于Crowbarowbar保護電路的DFIGDFIG系統(tǒng)的HVRTHVRT控制

為了完成以上研究目標(biāo)，本文從以下3方面進行研究。

（1）為實現(xiàn)雙饋電機高電壓穿越，在雙饋發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子加裝Crowbar保護電路，并提出DFIG系統(tǒng)的機構(gòu)圖。

（2）從磁鏈角度推導(dǎo)出DFIG系統(tǒng)電網(wǎng)電壓發(fā)生驟升時的故障電流表達式及最大故障電流估算式，依據(jù)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的最大承受電流和直流母線側(cè)的最大承受電壓，得出Crowbar串聯(lián)電阻值的整定范圍，確定Crowbar電路的串聯(lián)電阻的取值。

（3）通過比較Crowbar電路在電網(wǎng)故障切除前后退出對電磁轉(zhuǎn)矩波動、故障電流衰減速度、系統(tǒng)有功功率和無功功率的影響，確定增加DFIG系統(tǒng)HVRT能力的優(yōu)化方案。

2.1 基于Crowbar保護電路的DFIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為基于Crowbar保護電路的DFIG系統(tǒng)［15］的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 基于Crowbar保護電路的DFIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 Crowbar保護電路串聯(lián)阻值的取值

在電網(wǎng)電壓發(fā)生驟升故障，并且轉(zhuǎn)子電流或者電壓達到設(shè)定的觸發(fā)條件時，電機轉(zhuǎn)子側(cè)接入Crowbar保護電路，轉(zhuǎn)子電阻與Crowbar電阻串聯(lián)，雙饋電機作為異步電機在運行。在靜止坐標(biāo)系下建立增加Crowbar保護電路的數(shù)學(xué)模型［16］，將Crowbar保護電路的電阻與轉(zhuǎn)子電阻串聯(lián)后等效一個合成電阻，形成閉合電路，分析投入Crowbar保護電路后的雙饋電機的暫態(tài)過程。圖2為電壓驟升故障后的定、轉(zhuǎn)子側(cè)等效電路。

圖2 電壓驟升故障后的定、轉(zhuǎn)子側(cè)等效電路

（1）由文獻［16］轉(zhuǎn)子電壓方程可得雙饋風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)子電流表達式為

（2）由圖2得電網(wǎng)電壓驟升故障后的定子、轉(zhuǎn)子電感分別為

式中：p—電網(wǎng)故障電壓驟升程度；

ωslip—發(fā)電機轉(zhuǎn)差。

（4）電網(wǎng)電壓驟升故障后，由定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈引起的轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)電流表達式分別如下

（5）電網(wǎng)電壓驟升故障后，由文獻［17］知轉(zhuǎn)子側(cè)電阻值由于Crowbar串聯(lián)電阻的接入而改變，定、轉(zhuǎn)子磁鏈的衰減時間常數(shù)改變?yōu)槿缦卤磉_式：

（6）電網(wǎng)電壓驟升故障后，在靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子側(cè)沖擊電流表達式為

當(dāng)p=1時，雙饋電機轉(zhuǎn)子側(cè)受到的沖擊電流最大。

（7）電網(wǎng)電壓驟升故障后，由式（1）、式（6）可得轉(zhuǎn)子繞組電流為

（8）假定電網(wǎng)電壓驟升后，經(jīng)時間Δt電流達到最大值，當(dāng)轉(zhuǎn)差率比較小時，可近似認(rèn)為Δt=T/2，電流達到最大值：

（9）轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電阻Rcw的大小，受到轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的最大承受電流和直流母線側(cè)最大承受電壓的限制。當(dāng)Rcw的取值過小時，不能有效抑制轉(zhuǎn)子繞組上的沖擊電流[18]；Rcw的取值過大，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)變換器過電流和直流母線過電壓，造成元器件的損害。電網(wǎng)電壓驟升故障期間，轉(zhuǎn)子側(cè)的最大相電壓為

（10）為了避免直流母線過電壓，Crowbar保護電路串聯(lián)阻值的最大取值范圍

式中：Rcw—直流母線側(cè)最大承受電壓。

（11）當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈的衰減常數(shù)確定時，由式（5）可得串聯(lián)電阻的最小取值范圍：

（12）聯(lián)立式（10）和（11）可知Rcw的取值范圍為

在Rcw的取值范圍內(nèi)，選取越大的Rcw，轉(zhuǎn)子故障電流越小，暫態(tài)電流和定、轉(zhuǎn)子磁鏈的衰減時間常數(shù)也越小，有功/無功功率和轉(zhuǎn)矩振蕩也會相應(yīng)減弱，有利于雙饋發(fā)電系統(tǒng)故障后快速恢復(fù)［19］，但過大的Rcw會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子繞組上的電壓過高，造成直流母線電壓過大。

2.3 Crowbar電路的控制方法

Crowbar保護電路的控制主要分為2個階段：

第一階段，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生驟升故障時，Crowbar控制器檢測到轉(zhuǎn)子側(cè)電流增大到預(yù)定值時，立即導(dǎo)通Crowbar電路中的開關(guān)器件，接入串聯(lián)電阻，此時DFIG系統(tǒng)作為籠型異步發(fā)電機繼續(xù)運行［20］。

第二階段，運行一段時間以后，當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)電流減小至低于預(yù)定的轉(zhuǎn)子側(cè)電流時，切除Crowbar電路，同時接入轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，使DFIG系統(tǒng)恢復(fù)雙饋異步發(fā)電機運行狀態(tài)。

圖3所示為Crowbar電路控制框圖，圖3中：ir.lim為轉(zhuǎn)子側(cè)預(yù)設(shè)電流值，udc.lim為直流母線預(yù)設(shè)電壓值，NTlim為限制Crowbar動作的次數(shù)和時間，TDelay為延遲動作時間，Enable為脈沖信號，當(dāng)Enable=1時表示Crowbar投入，Enable=1時表示Crowbar切除［21］。

圖3 Crowbar電路控制

2.4 仿真驗證

2.4.1 仿真驗證方案

為驗證增加Crowbar保護電路的控制方案對提高DFIG系統(tǒng)高電壓穿越能力的有效性，確定Crowbar電路在電網(wǎng)故障切除前后退出對DFIG系統(tǒng)HVRT能力的影響［22］。

對比兩種運行方式：一種是在電網(wǎng)電壓恢復(fù)前的0.1 s時刻切除增加的轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護電路。另外一種在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后的0.1 s時刻切除增加的轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護電路。在Matlab/Simulink仿真平臺上建立一臺1.5 MW的DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。設(shè)定電網(wǎng)電壓在t=4 s時發(fā)生電網(wǎng)電壓驟升故障，電壓驟升幅值為30%，當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器電流峰值超過1.1 p.u.時，投入Crowbar保護電路。驟升故障在t=4.2 s時刻被清除。

電機參數(shù)如下：額定功率PN=1.5 MW額定電壓UN=575 V，額定頻率 f=50 Hz，慣性時間常數(shù)0.685，極對數(shù)p=3，摩擦因數(shù)0.01。

標(biāo)幺值參數(shù)：定、轉(zhuǎn)子電阻分別為Rs=0.023和Rr=0.016，定轉(zhuǎn)子互感Lm=2.9，定、轉(zhuǎn)子漏感Lls=0.18和Llr=0.16，Crowbar電路串聯(lián)電阻Rcw=1。

2.4.2 仿真結(jié)果

圖4和圖5分別為雙饋系統(tǒng)高電壓穿越的方案1和方案2運行結(jié)果。

（1）定子電壓有效值對比

圖4（a）中，定子電壓在Crowbar電路切除后一小段時間內(nèi)定子電壓再次發(fā)生升高［23］。而圖5（a）中定子電壓在故障切除后沒有升高的現(xiàn)象，但由于故障切除Crowbar電路繼續(xù)投入，導(dǎo)致電壓會繼續(xù)降低，直到保護電路撤出；

（2）轉(zhuǎn)子側(cè)變換器電流對比

圖4（b），Crowbar電路動作期間，此時通過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器電流為零，DFIG以籠型異步發(fā)電機狀態(tài)繼續(xù)運行［24］，需吸收大量無功功率，從而使DFIG定子電壓有所跌落。而圖5（b）中轉(zhuǎn)子變換器的電流則較快的收斂到正常值。

（3）直流側(cè)電壓對比

圖4（c）中，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓驟升時，系統(tǒng)產(chǎn)生較高的沖擊過電壓［25］，投入Crowbar電路以后，直流側(cè)母線電壓維持在一個安全的范圍。而圖5（c）中的直流側(cè)電壓波動幅度相對于圖4（c）有很大的改善。

（4）電磁轉(zhuǎn)矩對比

圖4（d）中，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓驟升時，電磁轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生很大的波動。而圖5（d）中電磁轉(zhuǎn)矩振蕩幅值較小，有效減小電網(wǎng)電壓驟升故障下，風(fēng)力機的動能對雙饋機組轉(zhuǎn)軸的機械沖擊，延長了雙饋機組轉(zhuǎn)軸傳動系統(tǒng)的使用壽命。

（5）輸出有功功率對比

圖4(e)中，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓驟升時，系統(tǒng)有功功率最多吸收量達到1.6 p.u.，投入Crowbar電路以后，有效的降低了有功功率的吸收。而圖5（e）中有功功率吸收和振蕩頻率有所減小。

（6）輸出無功功率對比

圖4（f）中，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓驟升時，系統(tǒng)有功功率最多吸收量達到1.4 p.u.，投入Crowbar電路以后，有效的降低了無功功率的吸收。而圖5（f）中無功功率的吸收和振蕩頻率都有所減小。

圖4 方案1電網(wǎng)電壓驟升幅值為30%的運行結(jié)果

圖5 方案2電網(wǎng)電壓驟升幅值30%的運行結(jié)果

3 效果評價

（1）本文控制方案是依據(jù)現(xiàn)有增加Crowbar電路實現(xiàn)雙饋電機低電壓穿越的硬件基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)雙饋電機的高電壓穿越，避免投入新的硬件保護電路，節(jié)約了經(jīng)濟成本。

（2）當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓驟升故障時，投入Crowbar保護電路對電磁轉(zhuǎn)矩波動、故障電流衰減速度、系統(tǒng)有功功率和無功功率的影響都有顯著的改善。

（3）當(dāng)Crowbar保護電路阻值確定時，在電網(wǎng)電壓驟升故障切除以后，再退出Crowbar保護電路，避免了Crowbar電路頻繁切入，造成絕緣材料損耗，對雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行更加有利。

4 結(jié)論

（1）目前通過增加Crowbar硬件保護電路實現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越的技術(shù)已經(jīng)成熟，但是實現(xiàn)高電壓穿越的控制方案研究很少。本文確定了電網(wǎng)電壓驟升時實現(xiàn)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)高穿越的可行性，給實際工程實施過程增加了系統(tǒng)的可靠性，減小了電網(wǎng)事故的危害，同時實現(xiàn)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的高/低電壓穿越功能。

（2）與傳統(tǒng)矢量控制相比，本文從磁鏈角度推導(dǎo)出DFIG系統(tǒng)發(fā)生電壓驟升故障后的轉(zhuǎn)子電流表達式及最大暫態(tài)電流估算式，依據(jù)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和直流母線側(cè)的最大承受電壓，限定Crowbar串聯(lián)電阻值的取值范圍，提高了雙饋發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的可靠性，保證雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)高電壓穿越功能的實現(xiàn)。

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High voltage ride through for doubly fed wind power system based on Crowbar protection circuit

ZHANG Di,WANG Shiwei，CAI Haoran，PAN Yifu
(School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou Guangdong 510006,China）

Aiming at the power grid voltage occurring swell faults causing the power grid unstable operation,the Crowbar protection circuit is added to the rotor side of the doubly fed unit to increase the high voltage ride through capability of the doubly fed wind power system.By the establishment of the mathematical model after the doubly fed wind power units put into Crowbar protection circuit during power grid voltage swell,from the angle of flux derived rotor transient current and maximum estimated value.According to the short-circuit current and DC bus voltage tolerance size,determines the Crowbar series circuit resistance value,entry and exit time,accelerates the attenuation of transient current,achieves high voltage ride through of the doubly fed wind power system.Matlab/Simulink simulation results show that the control scheme can improve the reliability of the doubly fed generator system and improve the high voltage ride through capability.

wind power generation;doubly fed induction generator;high voltage ride through;Crowbar protection circuit

TM 74

A

1672-3643（2017）03-0001-06

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.03.001

國家自然科學(xué)基金資助項目（513770265）。

2017-03-05

張迪（1991），男，工學(xué)碩士，研究方向為雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.03.001