Crowbar保护在双馈异步风力发电系统电网故障穿越中的应用
Crowbar在双馈风力发电机组低电压穿越中的应用
Crowbar在双馈风力发电机组低电压穿越中的应用摘要：根据国家电网的风电场接入技术的规定，风电场应具备外部电压故障下不间断运行能力，即电网故障时风电机组应能保持与电网连接并向系统不间断供电。
为保护转子励磁电源和发电机组，常采用Crowbar保护电路来限制电压跌落时转子回路的最大电流。
本文研究了电网电压跌落时，双馈发电机组的运行行为，通过实验验证了Crowbar保护电路的有效性。
关键词：风力发电机组；Crowbar；低电压穿越；1 引言近年来，风力发电在各国发展迅速。
随着风电在电网比例的增加，并网发电系统稳定运行越来越受到国家的重视。
对于变频恒速双馈风力发电机，在电网电压跌落的情况下，由于与其配套的电力电子变流设备属于AC/DC/AC型，容易在其转子侧产生峰值涌流，损坏变流设备，导致风力发电机组脱网。
如果大量的风电机组因电网跌落故障同时脱网，就会造成电网的不稳定，甚至崩溃。
为了维护电网的安全稳定，世界各国电网运营商都推出了各自风电并网低电压穿越（LVRT）导则。
在我国，风电机组有无低电压穿越能力已成为风机的准入门槛。
对于目前尚不具备低电压穿越能力且已投运的风电场，需要进行机组改造工作，以具备低电压穿越能力。
因此，在电网故障情况下的风电机组低电压穿越能力现在已成为研究的热点。
目前，双馈型风力发电机（DFIG）占据着风力发电装机容量的主导地位，国内外对DFIG的低电压穿越能力研究较多。
针对电压跌落瞬间的过电流和过电压，虽然可以通过控制算法从软件上来抑制，但是其控制效果依靠变流器容量及电机参数等因素，且控制效果有限。
2 风电机组低电压穿越能力要求当电网发生故障时，风电场需维持一段时间与电网连接不脱网，甚至要求风电场在这一过程中能过提供无功以支持电网电压的恢复，即低电压穿越。
由中国电科院为主要起草单位编写的国家标准GB/T 19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》已于2011年正式发布，其内容对风电场低电压穿越能力进行了明确规定：a）风电场内并网电压跌至20%标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625ms。
对crowbar电路的双馈异步风力发电机组低电压穿越能力的认识和了解
对crowbar电路的双馈异步风力发电机组低电压穿越能力的认识和了解摘要:本论文在阐述双馈风力发电机组的数学模型理论及其工作原理的前提下，同时对低电压穿越理论加以分析，基于2类被动式与主动式Crowbar电路来探讨有关crowbar电路的双馈异步风力发电机组低电压穿越能力的认识和了解。
关键词：crowbar电路，双馈异步，风力发电机组，低电压，穿越能力1引言在最近几年中，变速恒频风力发电的技术在快速地发展，风电机组单机的容量由最先的数十千瓦发展至兆瓦级机组，同时因为国家能源的需求日益递增，国家政策也非常地关注可再生型能源，数倍地递增新建设的风电场，其主要的构成以变速恒频的风电机组为主。
在现实运作的过程中，变速恒频风力发电机组中的双馈感应发电机(Double—Fed Induction Generator，DFIG)又是其中占据了较大的比例。
DFIG就转子一方采纳的是小容量的双PWM变流器加以并网，进而对励磁电流在幅值与相位加以改变，从而完成发电机组输出在有功与无功指标的单独性调节；根据DFIG的转子与定子内部所存在的励磁联系，通过变流器通过转差式功率即能够调节风力发电机组具体的转速，完成最大程度的风能捕获，加强风能的使用与转变的效率。
但是，正因为采纳的是小容量的变流器，从而弱化了抵抗体系电压的跌落功能[1]。
由于DFIG所占据的比例愈来愈大，其和电网相互内部的影响愈来愈重要。
根据电网规程的新要求，若电网出现故障时，比如电压跌落于一定的范围内，风力发电机设备须与电网联系起来，同时，定子绕组内会出现不小的冲撞式电流。
因为发电机定组与转子内部所存在的电磁耦合联系，还会造成转子侧的过流后果。
而转子一边的电流会马上递增，从而造成直流一侧电压的递增，机侧变流器电流、有功与无功均会出现振荡现象，如果不在此时采纳必要的技术措施，电网即会切除DFIG体系。
而DFIG的低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力也变成学术界一个重要的研究项目。
双馈电机的Crowbar参数整定及保护特性研究
双馈电机的Crowbar参数整定及保护特性研究双馈电机又称异步双馈发电机（DFIG），是一种带有特殊电路结构的异步电机，其与传统异步电机的主要区别在于转子回路与电网回路采用双馈结构。
由于双馈结构的优异性能和灵活控制方法，双馈电机已经被广泛应用于风力发电、水力发电等领域。
然而，在双馈电机的使用过程中，由于其特殊的电路结构，容易受到电网故障等原因的影响，导致电机损坏、系统不稳定等问题。
为了保证双馈电机的运行稳定，需要进行Crowbar参数整定及保护特性研究。
首先，我们来了解一下什么是Crowbar。
Crowbar是一种保护装置，可用于保护电气设备如双馈电机、变压器等。
当电气设备电路中的电压出现异常，Crowbar会立即触发，将电流抽离，从而保护设备不受损坏。
由于双馈电机具有特殊的电路结构，故电气设备中虚拟电流是很容易被引发的。
因此，为保护双馈电机，需要进行Crowbar参数整定及保护特性研究。
Crowbar参数的整定是指根据双馈电机的特性进行设计的Crowbar电路中主要参数的确定，包括Crowbar触发电压、抽流电阻等。
保护特性的研究则是指研究在电气系统中发生故障或故障前的警告信号如何被检测到，并如何在保护装置被触发前进行判定和处理，以及如何避免不必要的断电和缩短恢复时间等方面的内容。
在进行Crowbar参数整定及保护特性研究时，首先要考虑的是双馈电机的故障模式。
其中一种主要的故障模式是电力系统短路故障。
当电力系统发生短路故障时，双馈电机的定子电流会急剧上升，这会导致电机损坏或系统不稳定。
Crowbar的任务就是在定子电流上升到一定阈值时（约为120%额定电流时）立即触发，将电流抽离，从而保护电机不受损坏。
Crowbar电路的设计需要考虑到多个因素，并根据实际应用进行优化。
例如，设计Crowbar触发电压过低可能导致频繁的触发，从而缩短设备寿命；而设计Crowbar触发电压过高则可能无法及时保护双馈电机，导致设备损坏。
基于Crowbar的双馈异步风力发电系统低压穿越的仿真与分析
器 旁路从 而 保 护 电力 电子 器 件 。在 此基 础 上 ， 讨 论 了不 同切 除时 刻对 系统 的影 响 。 同时 ，在 双馈 电机逐 渐 向兆 瓦级 及 更 高 功率 发 展 时 ， 文 运用 本
子侧 供 电 ， Ｓ ０时 ， 子侧 向电 网反馈 能量 ， 当 ＜ 转 功 率流 动关 系如 图 ２所 示 。
关 键 词 ：风 力 发 电 ；双 馈 电 机 ；矢量 控 制 ； 压 穿 越 低
中图分 类号 ： Ｍ ３ ５ 文献标 志码 ： 文章编号 ：６３６４ （ ０ １ １ － ３ －６ Ｔ １ Ａ １７ －５ ０ ２ １ ） １０ ９０ ０
Ｓｍ ｕａｉｎ ａ ｉ ｌ ｔｏ ｎｄ Ａｎａｙ ｉ ｎ ｗ ｌａ ｅ Ｉ ｅ Ｔｈ ｏ ｇ ｆ ｌ ｓｓ ｏ Ｌｏ Ｖｏｔ ｇ ｄ ｒ ｕ ｈ ｏ Ｄｏ ｌ ． ｄ Ｉ ｕｃｉ ｎ Ｇｅ ｒ ｔ ｒ Ｗ ｉ ｄ Ｐｏ ｒ ｕｂ ｙ Ｆｅ ｎｄ ｔｏ ｎｅ ａ ｏ ｎ ｗｅ Ｇ ｅ ｒ ｔｏ ｓｅ ｓ ｄ ｏ ｏ ａ ｒ ｕｉ ｎｅ ａ ｉ ｎ Ｓｙ ｔ ｍ Ｂａ ｅ ｎ Ｃｒ ｗｂ ｒ Ｃｉｃ ｔ
迫 札 与柱 帚 应 闭 ２１， １ ） Ｊ ０１ ８（１ ３
率， 实现 双馈 电机 的 Ｌ Ｒ 。 Ｖ Ｔ 当出现严 重 的 电 网故 障 ， 改进 控 制 策 略 已 仅 难 以 控 制 过 压 、 流 Ⅲ 。 本 文 在 转 子 侧 加 入 过 ８ ｊ
Ｃ ｏ ｂｒ ｒｗ ａ 电路 ， 在过 流 时 触 发开 关 ， 转 子 侧 变 频 将
迫札 号植 刊应用２ １， １ ） ０１ ８（１ ３
新能源与风力发电 《 ｌ Ａ ＥＩ Ｉ ｃ
基 于 Ｃ ｏ ｂ ｒ的 双 馈 异 步 风 力 发 电 ｒｗ ａ 系统 低 压 穿 越 的 仿 真 与 分 析
基于Crowbar保护电路的双馈风电系统高电压穿越
《宁夏电力》2017年第3期基于Crowbar 保护电路的双馈风电系统高电压穿越张迪，王世玮，蔡浩然，潘一夫（广东工业大学自动化学院，广东广州，510006）摘要：针对电网电压发生骤升故障时造成的电网不稳定运行，在双馈机组转子侧加入Crowbar 保护电路，增加双馈风电系统高电压穿越的能力。
通过建立电网电压骤升时双馈风电机组投入Crowbar 保护电路后的数学模型，并从磁链角度推导出转子侧暂态电流及其最大估算值，根据短路电流和直流侧母线耐受电压的大小，确定Crowbar 电路串联的电阻值、切入和退出时间，加速系统暂态电流的衰减，实现双馈系统的高电压穿越。
Matlab/Simulink 仿真结果表明：控制方案增强了双馈发电系统稳定运行的可靠性，并提高了双馈风力发电系统的高电压穿越能力。
关键词：风力发电；双馈感应发电机；高电压穿越；Crowbar 保护电路中图分类号：TM 74文献标志码：A文章编号：1672-3643（2017）03-0001-06有效访问地址：/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.03.001High voltage ride through for doubly fed wind power system based onCrowbar protection circuitZHANG Di,WANG Shiwei ，CAI Haoran ，PAN Yifu(School of Automation,Guangdong University of Technology ,Guangzhou Guangdong 510006,China ）Abstract: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.Keywords:wind power generation;doubly fed induction generator;high voltage ride through;Crowbar protection circuitDOI：10.3969/j.issn.1672-3643.2017.03.001电网技术基金项目：国家自然科学基金资助项目（513770265）。
Crowbar 电路对双馈风力发电机组的影响
Crowbar 电路对双馈风力发电机组的影响张毅;齐新杰;买秀芳;徐立亮;常喜强;马瑞【摘要】With the depletion of natural gas , petroleum and other traditional energy sources and the constantly intensifying situ -ation 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 .How-ever, 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 .%随着天然气、石油等传统能源面临枯竭，空气污染不断加剧的局面，迫使人们寻找一种无污染型的新型能源作为传统能源的替代者。
基于可调整电阻Crowbar电路的双馈风电机组低电压穿越方法
形成暂态电压和电流。由式(1 "—式(3 )得到转子 暂态电压方程：
2； = 2(+R(；+&L(6；
(4)
转子侧的暂态开路电压方程为
L
.
1
2( =)*［5 3S%-(1-)( 21-22)a-，］ (5)
解转子电压方程得电网发生故障后的DFIG转
子电流61时域方程［10］为
厂 _ 丄［a-R #2( t) dt -R Rh
&厶
s
(3)
其中,'表示定子时间常数;+表示转差率；21、2
调节电阻转子侧变流器直流侧
Crowbar电路
RSC
电容器
图2转子侧等效电路
Fig. 2 Rotor equivalent circuit
2电网故障下 C owba 投入前后的
转子电流
2. 1 Crowbar 投入前
当电网发生故障时,DFIG电机进入暂态过程,
基于可调整电阻 Crowbar 电路的双馈风电机组 低电压穿越方法
高昕，孙圣凯
（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001）
摘 要：针对传统固定阻值Crowbar保护电路很难共同抑制转子电流和直流母线电压的升高这一缺陷
提出了一种基于可调整Crowbar电阻阻值的双馈风力发电机组低电压穿越方案，建立了可调整阻值的控制
双馈感应异步风电机组的撬杠保护(Crowbar)
双馈感应异步风电机组的撬杠保护（Crowbar）双馈感应风力发电机的定子绕组与电网直接相连，因而只能通过对转子侧变流器的控制实现对发电机的部分控制。
当因电网短路故障或雷击造成风电机组接入点发生电压跌落时，将引起转子电流增大，严重时将引起转子侧变流器过流或变流器直流侧电容过压。
由于四象限变流器中的电力电子器件的耐压和过流能力相对较小，为防止过压或过流对转子侧变流器所造成的危害，通常在转子侧安装撬杠（Crowbar）保护电路对变流器进行保护[1]。
Crowbar的基本原理为：当检测到转子绕组电流超过所整定阈值时，Crowbar保护动作，将短接双馈感应发电机的转子绕组，切除转子侧变流器，达到保护转子变流器的目的。
此时双馈感应发电机将从双馈调速运行状态过渡到笼形异步电机不可控运行状态[1]。
Crowbar保护电路可以分为被动式保护电路和主动式保护电路[1]。
1.被动式Crowbar保护电路对图4-17a所示的被动式Crowbar保护电路采用两个晶闸管反并联形成晶闸管对的形式，当电网发生故障引起转子电路过电流或过电压时，通过触发晶闸管使其导通，使双馈电机转子构成封闭的回路，此时转子侧变流器停止工作，起到保护变流器的作用。
同样，晶闸管Crowbar保护电路也可以通过二极管整流桥与直流短路晶闸管共同构成，如图4-17b所示。
通过晶闸管的触发使其导通，同样可以获得等效短路双馈电机转子电路，以起到对双馈电机转子侧变流器进行保护的功能。
有时也在晶闸管Crowbar保护短路回路中串入电阻以加速双馈电机转子电流的衰减，缩短过渡过程所需的时间。
对于图4-17b所示的晶闸管被动式Crowbar保护电路，由于双馈电机多运行于同步转速附近，转子侧频率通常较低，一旦Crowbar保护动作则难以关断，因此这种基于晶闸管的被动式Crowbar保护电路，通常需要双馈电机的定子从电网脱开且等双馈电机转子电流衰减殆尽后，晶闸管恢复到其阻断状态，待条件允许的情况下双馈电机重新执行并网操作。
基于Crowbar电路的双馈风力发电机组低电压穿越仿真研究
基于Crowbar电路的双馈风力发电机组低电压穿越仿真研究随着风力发电技术推广，风电场容量逐步增大，低电压穿越技术得到特别重视。
风力发电系统实际应用的一种发电机——双馈异步感应发电机，本文选取该发电机为研究对象。
在电网电压出现跌落后，风电机转子侧的电流变大，定子的电流变大，电磁转矩大幅波动，转速升高，极有可能出现脱网事故，甚至引发更大的连环事故。
为在电网故障切除后，及时恢复电网电压、提高电网稳定性，这就要实现在故障发生后一段时间内风电机组不能脱网。
提高低电压穿越能力的方法有很多，主要集中在两个方面，一是硬件电路的改造，二是控制策略的改进。
利用MATLAB建立了风电并网系统模型，在有/无电网故障情况下，分别进行仿真。
本文从低电压穿越技术中选取一项较为成熟的技术——Crowbar电路，对其进行分类，选取了主动式电路中的整流桥式，并分析该电路的控制策略。
在搭建的风电并网模型中应用，验证该电路能减小电磁场中的直流分量，使在故障期间减弱对电机的冲击。
因Crowbar 电路中的电阻对系统影响较大，着重分析电阻值对发电机转子侧电流、电磁转矩和变换器直流侧电压的影响，发现电阻阻值的选取不能过大也能过小。
此外，还分析Crowbar电路切除时间对系统的影响。
目录1绪论 (2)1.1我国的风能资源及利用状况 (2)1.2 世界风电技术的发展及待解决问题 (3)1.3本文的主要工作 (3)2双馈风力发电机系统 (4)2.1 双馈异步风力发电机概述 (4)2.2 双馈异步发电机工作原理 (4)2.3 交流励磁电源工作原理 (5)2.4本节小结 (7)3低电压穿越技术研究现状及标准 (7)3.1低电压穿越技术概述 (7)3.2低电压穿越技术的国内外研究现状 (8)3.3低电压穿越技术的不同国家标准 (8)3.4 基于MATLAB的双馈感应风力发电机低电压穿越仿真 (10)3.4.1 基于MATLAB的双馈感应发电机（DFIG）模型 (10)3.4.2 电网故障对风力发电系统的影响分析 (13)3.5本节小结 (17)4Crowbar电路在双馈感应风力发电机中的应用 (17)4.1 Crowbar电路保护原理 (17)4.2 Crowbar电路分类 (18)4.2.1被动式电路 (18)4.2.2主动式电路 (19)4.3 Crowbar电路在风电并网中应用的仿真分析 (20)4.4 电阻阻值对故障下发电系统参数的影响 (21)4.4.1阻值对转子电流的影响 (21)4.4.2阻值对电磁转矩的影响 (23)4.4.3 阻值对直流侧母线电压的影响 (25)4.5 Crowbar电路的切除时间对系统参数的影响 (27)4.6 本节小结 (31)5总结与展望 (32)5.1总结 (32)5.2展望 (33)1绪论1.1我国的风能资源及利用现状我国陆地面积广阔，海岸线长，现有的风能资源非常丰富。
基于Crowbar的双馈风力发电低电压穿越研究
Abstract ： With the development of wind power generator capacity and wind power system ， it is required that doubly -fed induction generator （ DFIG ） has the ability of low voltage ride through （ LVRT ） .At the symmetric fault of voltage dip ， considering the disadvantages of existing LVRT technologies ， an active Crowbar control strategy is proposed.After the voltage dip ， the rotor current increases sharply ， triggering the Crowbar circuit ， short circuit the rotor side converter
m dr r dr
， Ψqs=Lsiqs+ Lmiqr ， Ψqr =Lmiqs+Lriqr
ds
（1 ） （2 ）
这 里 建 立 了 一 台 2 MW 的 风 力 发 电 机 仿 真 模 型 ， 参 数 如 下 ： PN =2 MW ， UN =690 V ， f =60 Hz ， rs = rr =
u =r i -ω Ψ +pΨ r u =r i - ω Ψ +pΨ
， uqs=rsiqs+ ω1Ψds+pΨqs
dr
， uqr =rriqr +ω2Ψdr +pΨqr
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关键词：风力；发电系统；双馈异步电机；变速恒频；低电压穿越；Ｃｒｏｗｂａｒ电路：保护；仿真 中图分类号：ＴＭ
６１４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６—６０４７（２０１１）０７—０１２７—０４
中电压轮廓线．并在３ ｓ后恢复至额定电压的９０％
Ｏ引言
目前．应用于并网的风力机组主要是双馈异步 电机．由于此电机变流器容量仅占系统容量的１／３左 右．所以很容易受系统电压波动的影响。在电网电压 跌落严重的情况下．风电机组会因自保而脱网。在某 些欧洲国家．风力发电所占电网的容量比例已高达 ２０％［１］。如果风力发电机组在电网故障期间不具备故 障穿越能力而全部脱网．则将因为输出功率和负荷 功率的严重不平衡导致电网崩溃。因此．很多国家的 并网导则要求风力发电机组在电网电压跌落的情况 下具有不脱网运行以及提供电压支持的能力［川。 目前风电机组实现低电压穿越最切实有效的方 法是采用Ｃｍｗｂａｒ电路。本文以Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建 立的风电场模型为基础．在分析了电压跌落情况下双 馈异步电机的运行状况和Ｃｍｗｂａｒ电路的保护原理 后，进行多种情况下的仿真，以此证明该方案的有效性。
表１不同电网电压取值时转子 电压、电流幅值
０ —３ ４
未
２
——“———’————、＾＾，
７
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一２
—扣～——１八八／
Ｏ．７ Ｏ．９ １．１ １．３
２
ｑ
Ｑ＿
ｌ ０ 一ｌ
０．５
１．５
∥ｓ 图４不采用Ｃｍｗｂａｒ时的动态响应曲线
Ｆｉｇ．４ Ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ
ｃｕｒｖｅｓ埘ｔｈｏｕｔ Ｃｍｗｂａｒ
以上，此过程中风电场必须保持并网运行。
Ｕ／Ｕ、 １００％ ９０％
１５％ Ｄ
Ｏ ６２５ ｍｓ
３ Ｏｏｏ ｍｓ￡
图ｌ Ｅ．０Ｎ标准中规定的电压跌落曲线
Ｆｉｇ．１ Ｖｏｎａｇｅ ｓａｇ
ｃｕｒｖｅ
ｓｐｅｃｉｎｅｄ ｉｎ Ｅ．０Ｎ ｓｔａｎｄａｒｄ
２
电网故障期间风力发电机理论分析
双馈异步电机的定子端通过升压变压器直接挂
万方数据
＠
电￡＋妒）脂。表示定子电流的稳态分 量，其大小由电压骤降的幅度决定；一Ａ砜ｅ—ｃｏｓ妒删。
表示暂态电流的直流分量．其幅值取决于短路时的
围选为０．６～１．５ ｐ．ｕ．。在本仿真实例中，为计算方便，额 定容量选为１０ＭＷ，定子额定电压为５７５ Ｖ，旁路电
收稿日期：２０１ｌ一０５—２０；修回日期：２０ｌｌ—０６—１４
“＝Ｒｅ（ｉ。）＝（Ａ一１）｛｝ｃｏｓ（∞。￡＋妒）一等ｅ—ｍｃｏｓ９＋
ｒ ｒ ＾ｒ ｒ
Ａ
ｓ
Ａ
８
／１
１
＼
Ａ“Ｉ｛Ｆ一｛－Ｊｅ“巾；ｃｏｓ（∞，￡＋妒） 、ｎ
ｓ ／１ ５，
（１）
其中，ｆ。为定子短路电流空间矢量；Ａ为比例系数；％
为定子电压幅值；∞。为转差角速度；妒为定子电压空 间矢量初始相位；ａ为定子直流分量衰减系数；Ｘ：为 定子暂态电抗；ｘ。为定子电抗；ｆ：为瞬态时间常数； ∞，为转子旋转电角速度。 由上式可以看出．定子电流由三部分组成。其
２００
翻訇抽
（ａ）混合桥型
Ｃｒｏｗｂａｒ （ｂ）ＩＧＢＴ型 Ｃｒｕｗｂａｒ
（ｃ）旁路电阻型
Ｃｍｗｂａｒ
图２典型Ｃｍｗｂａｒ电路
Ｆｉｇ．２ Ｔｙｐｉｃａｌ Ｃｒｏｗｂａｒ ｃｉｒｃｕｉｔｓ
４仿真研究
基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立如图３所示恒风速的风电场 并网仿真模型。风电场总装机容量为９ ＭＷ．包含６ 台１．５ ＭＷ风电机组．机端并联电容器组：机组通过 机端升压变压器升压到２５ ｋＶ．汇集后经过一输电 线路后，再由Ｔ．升压到１２０ ｋＶ。风电场由双同交流线 接人电网．该电网由无穷大母线与等值阻抗串联组成。 在双馈异步电机中．转子回路保护装置采用旁路电阻
１风力发电系统并网运行标准
目前．许多国家对风力发电供应商提出了风电 机组必须具备低电压穿越能力的要求．即在电网电 压降落在一定范围内时．必须保持和电网相连。图１ 描述了德国电力运营商制定的风电机组低电压穿越 规则曲线。这个标准中的电压轮廓线是针对于风电 场并网点的电压而言的。电压跌落前．风电场并网点 电压维持在额定水平。０ ｓ电网发生短路故障引起电 压跌落．当电压不低于额定电压的１５％时．在６２５ ｍｓ 时间范嗣内．风电场必须保持并网运行；另外当风电 场并网点电压在电网故障后３ ｓ内能够始终高于图
３
４．１
ｋＶ
２５ ｋＶ
５７５ Ｖ
Ｄ兀Ｇ
图３风电场并网仿真模型
Ｆｉｇ．３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｎｄ
ｆ｛脚
系统参数设置
双馈异步电机参数如下：基准功率‰＝１０ ＭＷ，
基准电压∥一＝５７５ Ｖ，基准频率ｋ＝６０ Ｈｚ，单台电 机功率ＰＮ＝１．５ ＭＷ，电机台数Ⅳ＝６，转子电阻Ｒ，＝
阻取值为０．９ ｐ．ｕ．，即Ｏ．０３ Ｑ左右。
１２０ ｋＶ
２５
相位角，此分量以定子时间常数ｆ。衰减；Ａ砜（１倒一
１／Ｘ。）ｅ。肛？ｃｏｓ（∞，ｆ＋ｐ）表示暂态交流分量，以瞬态时 间常数ｒ：衰减。 由推导的数学模型可以看出．定子故障暂态电 流受电压跌落幅值、时刻和发电机定转子电感、电 阻的影响。其中通过改变电机在电网故障下的定转子 电阻、电感是较为可行的方法。由于双馈异步电机在 运行时刻转子电流小于定子电流．因此改变发电机 转子电阻的方案更加合理和易于实现。因此．在电网 电压骤降时．增加发电机转子电阻可以有效抑制暂 态故障电流的大部分交流分量．以使变流器正常Ｔ 作，使双馈异步发电系统具有低电压穿越能力。
第３ｌ卷第７期 ２０１１年７月
电力自动化设备
Ｅｌｅｃｔｒｉｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
Ｖ０１．３１ Ｎｏ．７
Ｊｕｌ．２０１ｌ＠
Ｃｒｏｗｂａｒ保护在双馈异步风力发电系统 电网故障穿越中的应用
马文龙
（国电南京自动化股份有限公司，江苏南京２１０００３） 摘要：随着风电装机容量的增大．对风电机组并网的低电压穿越能力提出了更高的要求。在分析现行风电机 组并网导则的基础上，对双馈异步风力发电机组在电网电压跌落情况下的运行状况进行理论分析，提出采用 Ｃｒｏｗｂａｒ电路来保护转子励磁电源和发电机自身的方案。在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立的风电场模型中进行仿真以 验证其有效性。仿真结果表明。该电路可以有效限制电压跌落时转子回路产生的最大电流．保证系统各元件 的安全：同时也证明了该方案可以实现故障期间交流励磁双馈异步风力发电机不脱网运行．并能起到稳定电
定值的３～４倍．峰值几乎达到４０００ Ｖ．这将致使电 容器严重过压而烧毁：电磁转矩在正负值之间正弦变 化．且振荡幅值不断增加．这将对风电机组的机械系 统造成更大的损害。此外．由于电网电压跌落程度很 大，达到了８５％，由响应曲线可知，在故障排除后，风 电系统发生失步振荡．有功功率不能达到恒定输出． 无功功率也不能稳定在给定值。结合相关文献和以上 响应曲线可知．在电网电压跌落较小时．风电系统自 身具有抵御故障的能力：在跌落程度较大时，系统失 去了恢复能力。这也说明了加入Ｃｒｏｗｂａｒ保护电路 的必要性。 电网电压骤降下采用Ｃｒｏｗｂａｒ保护时的各参量 （标幺值）动态响应曲线如图５所示。
４．２仿真步骤 系统仿真步骤简述如下：仿真系统从扛０开始运 行．输入风速为１２ ｎ∥ｓ．在０～０．６ ｓ期间风电机组运 行逐步趋于稳定；在￡＝０．６ ｓ时．设定接入风电场的 母线电压发生三相对称短路故障．按照德国电力公司 Ｅ．ＯＮ标准，电网电压跌落至０．１５ ｐ．ｕ．，故障持续时 间为６２５ ｍｓ。为讨论低电压保护策略的有效性．仿真 在２种情况下进行。以作对比。情况１：在检测到电 压跌落时．不作任何保护措施．既不投入Ｃｒｏｗｂａｒ保 护电路，也不封锁转子侧变换器，直到仿真进行完毕。 情况２：在检测到电压跌落时，立即封锁转子侧变换 器的驱动脉冲，同时接入转子旁路保护电阻．发电机 转入异步电动方式继续运行．在扛１．２２５ ｓ时故障被 排除。电网电压恢复至正常值．在检测到电压恢复后 立即切除转子旁路保护电阻．并给予转子侧变流器驱 动脉冲，使其重新控制发电机恢复正常运行。 ４．３仿真分析 电网电压骤降下无Ｃｒｏｗｂａｒ保护时的各参量 （标幺值）动态响应曲线如图４所示（图中．有功为正 表示定子输出有功。无功为负表示定子吸收滞后无 功．电磁转矩为负表示为制动转矩；后同）。 由图４可见．在电网电压幅值骤降的情况下．若 不采取任何保护措施，双馈异步电机的转子电流ｉ， 的峰值可达到正常运行时的３～４倍．这将对转子绕组 尤其是转子侧变流器产生极大的危害：而且．电磁转 矩Ｌ剧烈振荡，其幅值达到额定值的２倍以上．对风 电机组转轴系统产生很大的机械应力冲击。在电网 电压跌落和回升时刻．电流和电磁转矩都会产生高于 正常时数倍的冲击值．这将对机组本身产生严重的危 害。同时町以看出，直流母线电压在电网电压恢复后 不能稳定在１
０．００５
ｐ．ｕ．，定子漏感厶。＝０．１７１ ｐ．ｕ．，转子漏感厶，＝
Ｃｒｏｗｂａｒ电路功能介绍及型号选择
Ｃｍｗｂａｒ保护电路技术即通常意义上的转子短
０．１５６
率跟踪点‰＝０．７３
１．２ ｐ．ｕ．。
ｐ．ｕ．，极对数‰＝３，直流电压魄＝１ ２００ Ｖ，功 ｐ．ｕ．，功率跟踪点速度勘删ｃ＝
路保护技术．目的在于当检测到电网系统出现电压 跌落时，立刻投入转子回路旁路保护装置．为转子侧 电路提供旁路．达到限制通过励磁变流器的电流和转 子绕组过电压的作用．以此来维持双馈电机不脱网 运行。目前典型的Ｃｒｏｗｂａｒ电路如图２所示［６｜。 ａ．混合桥型Ｃｒｏｗｂａｒ电路（见图２（ａ））．每个桥 臂由ＧＴＯ和二极管串联而成。 ｂ．ＩＧＢＴ型Ｃｒｏｗｂａｒ电路（见图２（ｂ））．各桥臂 由２个二极管串联．直流侧串入一个ｌＧＢＴ器件和一 个吸收电阻。 ｃ．旁路电阻型Ｃｒｏｗｂａｒ电路（见图２（ｃ））．出现 电网电压跌落时．通过功率开关器件将旁路电阻连接 到转子回路中．这就为电网故障期间所产生的大电流 提供了一个旁路，从而达到限制大电流、保护励磁变 流器的作用。