隨著風力發(fā)電規(guī)模的擴大與單機容量的提高，風力發(fā)電所產(chǎn)生的電能在我國電網(wǎng)中所占的比重越來越大。基于雙饋風力發(fā)電機的風電系統(tǒng)具有變流器容量小、有功功率與無功功率可以單獨調(diào)節(jié)、調(diào)速范圍廣等特點，因此在風電場中被廣泛應用[1]。

由于DFIG定子直接接入電網(wǎng)，電網(wǎng)故障對其影響較大，一般常采用增加硬件的方法來實現(xiàn)DFIG在嚴重電網(wǎng)故障下LVRT運行。在這些技術中，轉(zhuǎn)子側(cè)并聯(lián)Crowbar旁路電阻技術得到了廣泛的應用[2]。

LVRT簡介

低電壓穿越LVRT，指在風機并網(wǎng)點電壓跌落的時候，風機能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率支持電網(wǎng)恢復，直到電網(wǎng)恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間（區(qū)域）[3]。圖1為我國《大型風電場并網(wǎng)設計規(guī)范》對風電場低電壓穿越的要求。

電壓跌落前，風電場并網(wǎng)點維持在額定水平，0s電網(wǎng)發(fā)生短路故障引起電壓跌落，當電壓不低于額定電壓的15%時，在625ms時間范圍內(nèi)，風電場必須保持并網(wǎng)運行；另外風電場并網(wǎng)點電壓在電網(wǎng)故障3s內(nèi)能夠始終高于圖中電壓輪廓線以上，并在3s后恢復至額定電壓的90%以上，此過程中風電場必須保持并網(wǎng)運行。

                            圖1風電場低電壓穿越標準

                Fig.1Thelowvoltageride-throughstandardofwindpowerfarm

2.電壓跌落對風機的影響

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

在兆瓦級風電中所占的份額相對較少，并且它們的LVRT控制相對簡單。而DFIG所占的份額相對

較多，LVRT控制復雜，對電網(wǎng)的影響大，所以對雙饋異步式風機的LVRT研究是目前風力發(fā)電的一個重點。

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

                     Fig.2Threemaintrendsofwindpowergenerationsystem

電網(wǎng)電壓跌落瞬間，雙饋感應發(fā)電機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)，會產(chǎn)生較大的滑差，這樣便會引起轉(zhuǎn)子繞組的過流、過壓。過流會損壞轉(zhuǎn)子勵磁變流器，而過壓會使發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿，嚴重危害風機本身及其控制系統(tǒng)的安全運行。然而，一般情況下若電網(wǎng)出現(xiàn)故障，風機就實施被動式自我保護而立即脫網(wǎng)，并不考慮故障的持續(xù)時間和嚴重程度，這樣能最大限度保障風機的安全，在風力發(fā)電的電網(wǎng)穿透率(即風力發(fā)電占電網(wǎng)的比重)較低時是可以接受的。但是當風電在電網(wǎng)中占有較大比重時，若風機在電壓跌落時仍采取被動保護式脫網(wǎng)，則會增加整個系統(tǒng)的恢復難度，甚至可能加劇故障，最終導致系統(tǒng)其它機組全部脫網(wǎng)，因此必須采取有效的LVRT措施，以維護電網(wǎng)的穩(wěn)定[4]。

3.LVRT的解決辦法

為保證電網(wǎng)故障時雙饋感應發(fā)電機及其勵磁變流器能安全不脫網(wǎng)運行，適應新電網(wǎng)運行規(guī)則

的要求，國內(nèi)外學術界和工程界對電網(wǎng)故障時雙饋感應發(fā)電機的保護原理與控制策略進行了大量

研究。據(jù)文獻報道，當前的低電壓穿越技術一般有三種方案:一種是轉(zhuǎn)子短路保護技術，二種是引入新型拓撲結構，三是采用合理的勵磁控制算法。而轉(zhuǎn)子短路保護技術，目的在于當檢測到電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)電壓跌落時，立刻投入轉(zhuǎn)子回路旁路保護裝置，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，達到限制通過勵磁變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組過電壓的作用，以此來維持雙饋電機不脫網(wǎng)運行。

目前典型的Crowbar電路如圖3所示[4]

(a)混合橋型Crowbar電路，每個橋臂由GTO和二極管串聯(lián)而成。當系統(tǒng)正常時，Crowbar電路不工作，當轉(zhuǎn)子過電壓、過電流時，開通整流側(cè)GTO，使轉(zhuǎn)子旁路過電壓、過電流時，開通整流側(cè)GTO，使轉(zhuǎn)子旁路形成回路，分散轉(zhuǎn)子的過電流，從而起到保護作用，控制上要進行3個GTO的控制。

(b)IGBT型Crowbar電路，各橋臂由2個二極管串聯(lián)，直流側(cè)串入一個IGBT器件和一個吸收電阻。當轉(zhuǎn)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。

(c)旁路電阻型Crowbar電路，出現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時，通過功率開關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旁路，從而達到限制大電流、保護勵磁變流器的作用。

                       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電阻器的主要特點是抗電流沖擊能力強。以1.5MW風力發(fā)電機為例，電流沖擊標準如表1所示：

表11.5MW電流沖擊標準

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Crowbar電阻器進行的電流仿真計算。

                圖6電流仿真圖

         Fig.6Currentsimulationgraph

電流的趨膚效應，在拐點處電流密度很高。

圖7為Ansysworkbench對Crowbar電阻器進行的溫度仿真計算。

                圖7溫度仿真圖

           Fig.7Temperaturesimulationgraph

電阻片的溫度最高可達7200C。

圖8為Ansysworkbench對Crowbar電阻器進行的溫度場-電場聯(lián)合仿真計算。

               圖8溫度-電場耦合仿真圖

      Fig.8Temperature-currentcouplingsimulationgraph

5.試驗

能量沖擊試驗圖如圖9所示

              圖9能量沖擊試驗測試圖

          Fig.9Energyimpulsetestgraph

其中CH01電阻片上部CH02電阻片底部CH03殼體上部內(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。沖擊時間1s，間隔10s再沖擊一次。

             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，沖擊時間T=1.04s。經(jīng)過沖擊后電流變?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1.04s的沖擊后，電流變?yōu)?KA。

沖擊時，采用無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

按測試需求承受相應的能量沖擊后，其各項電氣性能均正常。

實物圖如圖13所示

            圖13新型Crowbar電阻器實物圖

     Fig.13ThephysicalmapofnewCrowbarresistor

6.結論

采用Crowbar保護電路可以極大地提高雙饋式風電系統(tǒng)的低電壓穿越能力，使其具有更好的市場競爭力和應用前景。本文介紹了低電壓穿越及電壓跌落對風機的影響，同時對幾種Crowbar電路進行了分析。在此基礎上對上海鷹峰電子科技有限公司研制的新型Crowbar電阻器進行了仿真和試驗。結果表明，此種電阻器具有較強的抗電流沖擊能力，能很好的滿足低電壓穿越對Crowbar電阻的要求。

參考文獻

[1]MullerS,DeickeM,DeDonckerRW.Doublyfedinductiongeneratorsystemforwindturbines[J].IndustryApplicationsMagazine,2002,8(3):26-33.

[2]張興，張龍云，余勇等.風力發(fā)電低電壓穿越技術綜述[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2008,4(20).2

[3]李學林，趙棟利，李亞西等.適用于變速恒頻雙饋感應發(fā)電機的Crowbar對比分析[J].可再生能源.2006.5(129)

[4]劉鵬飛，胡佑群，刑云龍等.應用于低電壓穿越下Crowbar保護電路的分析[J].電氣制造.2011.11