隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的擴(kuò)大與單機(jī)容量的提高，風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的電能在我國(guó)電網(wǎng)中所占的比重越來(lái)越大?；陔p饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)電系統(tǒng)具有變流器容量小、有功功率與無(wú)功功率可以單獨(dú)調(diào)節(jié)、調(diào)速范圍廣等特點(diǎn)，因此在風(fēng)電場(chǎng)中被廣泛應(yīng)用[1]。

由于DFIG定子直接接入電網(wǎng)，電網(wǎng)故障對(duì)其影響較大，一般常采用增加硬件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)DFIG在嚴(yán)重電網(wǎng)故障下LVRT運(yùn)行。在這些技術(shù)中，轉(zhuǎn)子側(cè)并聯(lián)Crowbar旁路電阻技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

LVRT簡(jiǎn)介

低電壓穿越LVRT，指在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候，風(fēng)機(jī)能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間（區(qū)域）[3]。圖1為我國(guó)《大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越的要求。

電壓跌落前，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)維持在額定水平，0s電網(wǎng)發(fā)生短路故障引起電壓跌落，當(dāng)電壓不低于額定電壓的15%時(shí)，在625ms時(shí)間范圍內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)必須保持并網(wǎng)運(yùn)行；另外風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在電網(wǎng)故障3s內(nèi)能夠始終高于圖中電壓輪廓線以上，并在3s后恢復(fù)至額定電壓的90%以上，此過(guò)程中風(fēng)電場(chǎng)必須保持并網(wǎng)運(yùn)行。

                            圖1風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

                Fig.1Thelowvoltageride-throughstandardofwindpowerfarm

2.電壓跌落對(duì)風(fēng)機(jī)的影響

目前市場(chǎng)上風(fēng)機(jī)類型可概括為三類,即直接并網(wǎng)的恒速異步機(jī)FSIG、直驅(qū)式永磁同步風(fēng)機(jī)PMSG和雙饋異步式風(fēng)機(jī)DFIG。其中FSIG與PMSG

在兆瓦級(jí)風(fēng)電中所占的份額相對(duì)較少，并且它們的LVRT控制相對(duì)簡(jiǎn)單。而DFIG所占的份額相對(duì)

較多，LVRT控制復(fù)雜，對(duì)電網(wǎng)的影響大，所以對(duì)雙饋異步式風(fēng)機(jī)的LVRT研究是目前風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)重點(diǎn)。

                                圖2三種主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

                     Fig.2Threemaintrendsofwindpowergenerationsystem

電網(wǎng)電壓跌落瞬間，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變，從而產(chǎn)生直流分量，由于積分量的減小，定子磁鏈幾乎不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生較大的滑差，這樣便會(huì)引起轉(zhuǎn)子繞組的過(guò)流、過(guò)壓。過(guò)流會(huì)損壞轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變流器，而過(guò)壓會(huì)使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿，嚴(yán)重危害風(fēng)機(jī)本身及其控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。然而，一般情況下若電網(wǎng)出現(xiàn)故障，風(fēng)機(jī)就實(shí)施被動(dòng)式自我保護(hù)而立即脫網(wǎng)，并不考慮故障的持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度，這樣能最大限度保障風(fēng)機(jī)的安全，在風(fēng)力發(fā)電的電網(wǎng)穿透率(即風(fēng)力發(fā)電占電網(wǎng)的比重)較低時(shí)是可以接受的。但是當(dāng)風(fēng)電在電網(wǎng)中占有較大比重時(shí)，若風(fēng)機(jī)在電壓跌落時(shí)仍采取被動(dòng)保護(hù)式脫網(wǎng)，則會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至可能加劇故障，最終導(dǎo)致系統(tǒng)其它機(jī)組全部脫網(wǎng)，因此必須采取有效的LVRT措施，以維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定[4]。

3.LVRT的解決辦法

為保證電網(wǎng)故障時(shí)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁變流器能安全不脫網(wǎng)運(yùn)行，適應(yīng)新電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)則

的要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)電網(wǎng)故障時(shí)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的保護(hù)原理與控制策略進(jìn)行了大量

研究。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)前的低電壓穿越技術(shù)一般有三種方案:一種是轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)，二種是引入新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三是采用合理的勵(lì)磁控制算法。而轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)，目的在于當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，立刻投入轉(zhuǎn)子回路旁路保護(hù)裝置，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，達(dá)到限制通過(guò)勵(lì)磁變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組過(guò)電壓的作用，以此來(lái)維持雙饋電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。

目前典型的Crowbar電路如圖3所示[4]

(a)混合橋型Crowbar電路，每個(gè)橋臂由GTO和二極管串聯(lián)而成。當(dāng)系統(tǒng)正常時(shí)，Crowbar電路不工作，當(dāng)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓、過(guò)電流時(shí)，開(kāi)通整流側(cè)GTO，使轉(zhuǎn)子旁路過(guò)電壓、過(guò)電流時(shí)，開(kāi)通整流側(cè)GTO，使轉(zhuǎn)子旁路形成回路，分散轉(zhuǎn)子的過(guò)電流，從而起到保護(hù)作用，控制上要進(jìn)行3個(gè)GTO的控制。

(b)IGBT型Crowbar電路，各橋臂由2個(gè)二極管串聯(lián)，直流側(cè)串入一個(gè)IGBT器件和一個(gè)吸收電阻。當(dāng)轉(zhuǎn)子過(guò)流時(shí)，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)給予IGBT的導(dǎo)通信號(hào)，從而通過(guò)直流端的電阻釋放能量，起到泄流保護(hù)作用。

(c)旁路電阻型Crowbar電路，出現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，通過(guò)功率開(kāi)關(guān)器件將旁路電阻連接到轉(zhuǎn)子回路，為電網(wǎng)故障期間所產(chǎn)生的大電流提供了一個(gè)旁路，從而達(dá)到限制大電流、保護(hù)勵(lì)磁變流器的作用。

                       圖3典型Crowbar電路

               Fig.3ThetypicalCrowbarcircuit

4.新型Crowbar電阻器

為適應(yīng)低電壓穿越更高的要求，上海鷹峰電子科技有限公司自主研發(fā)了新型Crowbar電阻器。

如圖4所示

                 圖4鋼板切割式Crowbar電阻器

           Fig.4SteelplatecuttingtypeCrowbarresistor

此Crowbar電阻器的主要特點(diǎn)是抗電流沖擊能力強(qiáng)。以1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，電流沖擊標(biāo)準(zhǔn)如表1所示：

表11.5MW電流沖擊標(biāo)準(zhǔn)

Tab.1Thecurrentimpulsestandardof1.5MW

圖5為Crowbar電阻能量沖擊波形圖，能量500KJ阻值2.5Ω沖擊時(shí)間0.984s。

                        圖5Crowbar電阻能量沖擊波形圖

             Fig.5Crowbarresistorenergyimpulsewaveformcurve

由圖5可知，接入Crowbar電阻器后電流峰值由7KA衰減到4.5KA。

圖6為Ansysworkbench對(duì)Crowbar電阻器進(jìn)行的電流仿真計(jì)算。

                圖6電流仿真圖

         Fig.6Currentsimulationgraph

電流的趨膚效應(yīng)，在拐點(diǎn)處電流密度很高。

圖7為Ansysworkbench對(duì)Crowbar電阻器進(jìn)行的溫度仿真計(jì)算。

                圖7溫度仿真圖

           Fig.7Temperaturesimulationgraph

電阻片的溫度最高可達(dá)7200C。

圖8為Ansysworkbench對(duì)Crowbar電阻器進(jìn)行的溫度場(chǎng)-電場(chǎng)聯(lián)合仿真計(jì)算。

               圖8溫度-電場(chǎng)耦合仿真圖

      Fig.8Temperature-currentcouplingsimulationgraph

5.試驗(yàn)

能量沖擊試驗(yàn)圖如圖9所示

              圖9能量沖擊試驗(yàn)測(cè)試圖

          Fig.9Energyimpulsetestgraph

其中CH01電阻片上部CH02電阻片底部CH03殼體上部?jī)?nèi)側(cè)CH04殼體下部外側(cè)。

電阻器阻值為0.75Ω，沖擊能量為2000KJ。沖擊時(shí)間1s，間隔10s再?zèng)_擊一次。

             圖10第一次沖擊電壓電流波形

        Fig.10Thefirstimpulsevoltagecurrentwaveform

初始電壓U=1.27KV，初始電流I=1.69KA，沖擊時(shí)間T=1.04s。經(jīng)過(guò)沖擊后電流變?yōu)?.2KA。

圖11為間隔10s再次沖擊的電流波形

             圖11第二次沖擊電壓電流波形

     Fig.11Thesecondimpulsevoltagecurrentwaveform

初始電壓U=1.27KV，I=1.27KA，經(jīng)過(guò)1.04s的沖擊后，電流變?yōu)?KA。

沖擊時(shí)，采用無(wú)紙記錄儀記錄的溫度情況，溫度曲線如下：

              圖12各通道溫度曲線

      Fig.12Eachchanneltemperaturecurve

各通道溫度情況如表2所示：

表2各通道溫度情況表

Tab.2Temperaturetableofeachchannel

按測(cè)試需求承受相應(yīng)的能量沖擊后，其各項(xiàng)電氣性能均正常。

實(shí)物圖如圖13所示

            圖13新型Crowbar電阻器實(shí)物圖

     Fig.13ThephysicalmapofnewCrowbarresistor

6.結(jié)論

采用Crowbar保護(hù)電路可以極大地提高雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力，使其具有更好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和應(yīng)用前景。本文介紹了低電壓穿越及電壓跌落對(duì)風(fēng)機(jī)的影響，同時(shí)對(duì)幾種Crowbar電路進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上對(duì)上海鷹峰電子科技有限公司研制的新型Crowbar電阻器進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)。結(jié)果表明，此種電阻器具有較強(qiáng)的抗電流沖擊能力，能很好的滿足低電壓穿越對(duì)Crowbar電阻的要求。

參考文獻(xiàn)

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