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

付饶

（国网吉林省电力有限公司吉林供电公司吉林吉林132000）

摘要：风力发电已成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分。本文讨论了风力发电机低压交叉的标准和要求，分析了Crowbar保护电路的原理，增加了Crowbar保护电路，并调整了风力发电机的控制策略以避免大浪。通过现场试验研究了具有Crowbar保护电路的双馈发电机组的运行特性。实验结果符合国家标准，验证了Crowbar保护电路的有效性。

关键词：Crowbar；双馈风力；低电压穿越

1引言

随着能源和环境问题的日益严重，人类社会的可持续发展受到严重威胁。世界已经开始寻求和探索可再生能源和新能源的开发和利用。可再生能源包括水能、生物质能、风能、太阳能、地热能和海洋能资源潜力，环境污染少，可持续利用，有利于人与自然能源的和谐发展。从可再生能源资源和发展水平来看，除水电，生物质能，风能和太阳能外，可再生能源发展迅速。随着经济的发展和社会的进步，世界将更加重视环境保护和全球气候变化，通过制定新能源发展战略，法律和政策，进一步加快可再生能源的发展。风能是一种清洁可持续的能源，与传统能源相比，风能独立于外部能源，没有燃料价格风险，发电成本和稳定性，无碳排放和其他环境成本；此外，全球风力发电的使用非常普遍。正是由于这些独特的优势，风力发电已成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分，并得到了迅速发展。

2Crowbar电路

2.1Crowbar电路原理

转子短路保护技术（Crowbarcircuit），通过电源开关基本上连接到转子侧旁路电阻电路，在故障短路转子期间将该方法放入旁路电路侧转换器，通过增加转子绕组电流流路，确保转换器避免过流的影响。减少过电流对转子侧转换器的影响。当电网电压严重下降时，电路投入运行。

Crowbar电路原理是当外部系统发生短路故障时，DFIG定子电流增加，定子电压和磁通量突然下降，转子侧感应电流增大。转子侧转换器直接与转子电路串联连接。为了保护转换器免受损耗，在转子侧安装转子短路Crowbar电路，以实时监控转子绕组电流和直流侧母线电压。一旦检测到电网电压下降超过预定值，Crowbar电路就被激活，并且短接的转子绕组与其相邻。电路转子侧转换器，转子侧转换器不工作，电流从旁路电阻流过，使电阻消耗过多的电能；电网侧转换器和定子侧仍然与电网连接。当电网电压恢复到允许范围时，撬杆电路退出，转子绕组与旋转子侧转换器重新连接，以保持DFIG操作而不断开。

Crowbar电路分为无源Crowbar和主动Crowbar。不同之处在于是否可以控制开关设备关闭。无源Crowbar的开关装置使用晶闸管SCR，即所谓的“SCR”撬棍。有源Crowbar开关器件使用IGBT、GTO和其他可切换器件。在被动模式下，当需要移除Crowbar时，无法立即移除Crowbar。它必须等到电流为零才能移除Crowbar。这可能会延长Crowbar的在线时间，这对于低电压穿越是不利的。被动模式可以瞬间切断电路并提高LVRT能力。因此，活跃的Crowbar成为主流选择。

2.2Crowbar电路优缺点

Crowbar电路具有以下优点：Crowbar电路原理简单易于控制；在故障过程中可以确保励磁变频器的安全，加快故障电流的衰减，能够很好的保护转子侧；可以解决电网电压跌落时引起的转子侧过电流和直流侧过电压问题。

Crowbar电路具有以下缺点：在电路投入期间，转子绕组被短接，DFIG处于异步运行状态，成为一个消耗感性无功的负载，需从电网侧吸收无功功率进行励磁，无法对故障的电网电压提供支撑，阻碍故障切除后电网电压的恢复，导致电网的运行状况进一步恶化；需要增加新的保护装置，从而增加了系统成本；传统的Crowbar保护电路的投切操作会对系统产生暂态冲击；DFIG不同运行状态间的切换，需要较为复杂的控制逻辑，否则可能会引起较大的振荡过程；Crowbar可能会在恢复过程中再次启动，这样就更增加了恢复时间；Crowbar的投入和切除时刻选择较难，选择不当将一方面引起Crowbar多次动作，另一方面可能引起大电流冲击。

3增加低电压穿越功能的必要性

我国风能资源分布十分不均，风能资源丰富，如新疆，内蒙古，甘肃，吉林，河北等省市，区域分布极不均匀，局部负荷低，弱电网鞍。风电场输出由风速决定，风速无法控制，风电具有不确定性和可变性的特点。另外，风扇允许的工作电压为0.9Pu至1.1pu，超出此范围，风扇会因保护动作而跳跃，从而导致风电网系统的损失。如果不采用并网技术，当风电连接到弱电网或电网连接到较高比例的风电时，无功功率，有功功率，系统电压控制和动态稳定性将受到不利影响。

4Crowbar保护电路的应用

在转子侧增加Crowbar保护电路是双馈机型中常用的方法，目前采用的是主动保护的方式，即增加ActiveCrowbar部分。Crowbar保护电路一般安装在是风力发电机组变频柜内，是实现低电压穿越的必备装置。现今风力发电领域有两种主流机型：双馈风力发电机组和直驱型风力发电机组。由于系统结构的差别和工作方式的不同，Crowbar保护电路的设计有较大差别。

当电网电压下降时，双馈风力涡轮机的定子磁通不会随定子端电压突然改变，从而产生直流分量。随着积分的减小，定子磁通几乎不会改变，而转子继续旋转，导致大的滑差，从而导致转子绕组过电压和过电流。如果电网中出现非对称故障，定子电压中将出现负序分量。负序元件会产生很高的滑差，使转子过电压和过电流现象更加严重。转子侧电流的快速增加将导致转子励磁转换器的直流侧电压上升，并且发电机励磁转换器的电流，有功功率和无功功率将振荡。

5低电压穿越实验

国家标准要求低电压穿越测试需要分别在大风速和小风速两种风况下进行测试，并且电网电压跌落需要分由两相短路和三相短路两种故障情况引起，测试点为电网电压跌落20%、35%、50%、75%、90%几种情况。本实验选用大风速下由电网三相短路引起电压跌落90%的情况，低电压穿越实验地点是为某风场，实验风机为1.5MW双馈风机。

在风机转子侧加装Crowbar装置后，为保证机组稳定运行，不发生功率振荡，需要同时降低机械转矩，即低电压穿越开始时要改变桨叶角度。电网电压跌落前，风速21m/s，风机转速在1800rpm，风机处于满发状态；电网电压跌落时，低电压穿越开始，主控发出指令，命令桨叶适当收桨。

在低电压穿越过程中，从变频器监控软件中读取的曲线，监控的曲线依次为1发电机转速（rpm）、2定子电流（A）、3定子电压（V）、4转子电流（A）、5转子电压（V）、6有功功率（kW）。

在此低电压穿越过程中，风电机组不脱网连续运行；自电压恢复时刻开始，有功功率以至少10%额定功率/秒的功率变化率恢复至实际风况对应出力。因此，大风速下由电网三相短路引起电压跌落90%时，该风机可成功实现低电压穿越。

6结语

随着电力技术的不断发展，人类不断探索可再生能源，风电技术将继续取得更高的突破。在风力发电技术的核心方面，低压交叉总是影响风力发电的整个过程。双馈风力发电机的广泛应用减少了供电网故障的发生，解决了低压电路保护的问题。

参考文献：

[1]和立辉，尹忠东.双馈型风力发电机低电压穿越的探讨[J].科技风，2012（15）：10-10.

[2]周志宇，郭钰锋.基于Crowbar电路的双馈风电机组低电压穿越能力[J].哈尔滨工业大学学报，2013.