双馈系统双馈系统crowbar电路设计电路设计
双馈风力发电机组是目前风电领域的主流机型,在已安装的风力发电机中,70%以上都是双馈系统。对变流器
而言,双馈系统的主要优点是只有部分功率流过变流器,且有功和无功可以单独调节。然而,正是由于变流器
容量较小,使得它对电网故障非常敏感,需要采取可靠的保护措施,以防止变流器中功率器件的损坏。 如
前所述,在电网电压跌落的过渡过程中,在双馈电机定子磁通中出现了衰减的直流分量,当发生不对称跌落故
障时还会出现负序分量。直流分量和负序分量对以较高转速运转的双馈电机转子而言都会形成较大的转差率,
从而在双馈电机转子电路中感生出较大的转子电压和转子电流。转子电路中较高的暂态电流量和电压量对转子
变流器中脆弱的半导体变
双馈风力发电机组是目前风电领域的主流机型,在已安装的风力发电机中,70%以上都是双馈系统。对变流器而言,双馈
系统的主要优点是只有部分功率流过变流器,且有功和无功可以单独调节。然而,正是由于变流器容量较小,使得它对电网故
障非常敏感,需要采取可靠的保护措施,以防止变流器中功率器件的损坏。
如前所述,在电网电压跌落的过渡过程中,在双馈电机定子磁通中出现了衰减的直流分量,当发生不对称跌落故障时还会
出现负序分量。直流分量和负序分量对以较高转速运转的双馈电机转子而言都会形成较大的转差率,从而在双馈电机转子电路
中感生出较大的转子电压和转子电流。转子电路中较高的暂态电流量和电压量对转子变流器中脆弱的半导体变流器件的安全运
行构成了威胁。
在风力发电尚未形成规模的时候,风力发电机主要是从自我保护的角度来设计Crowbar电路,这一段时间所采用的
Crowbar电路多为被动式,即所谓的“晶闸管”Crowbar电路。当电网发生电压跌落时,其通常的方法是通过可控硅直接将双馈
电机短路,此时双馈电机作为鼠笼式异步电机运行;当电网故障消除时,双馈发电机定子侧脱网,可控硅关断,双馈电机重新
并网运行。当采用被动式Crowbar时,双馈发电机在电网故障的情况下一直以鼠笼式异步发电机的状态运行,需要从电网吸收
大量的无功功率。自从2003年德国E.ON公司首次对风力发电提出并网要求以来,传统的风力发电机基于被动式Crowbar电路
已经不能满足电力运行商对风力发电提出的新要求。为了满足电力运行商对风力发电的进一步要求,需要撬棒电路动作后能在
适当的时候断开,保证在风机不脱网的情况下转子变流器重新开始工作,于是出现了新型的可以在任意时刻切断转子回路
的“主动式Crowbar”保护电路。在主动式Crowbar保护电路中常配备有IGBT等可关断器件。
详细分析了双馈风力发电机组在电压跌落期间工作特性的基础上,以1.5MW双馈为例,设计了Crowbar主电路及其控制电
路,并在2MW实验平台上进行了实验验证。
常见的几种主动式的Crowbar电路结构如图3-1所示。
图3-1(a)所示电路每个桥臂由控制器件如晶闸管和二极管串联组成。图3-1(b)所示电路每个桥臂由两只反并联可控硅
组成,上述两种方式是通过控制晶闸管的导通投入Crowbar电路,利用晶闸管过零关断的特性切除。图3-1(c)和图3-1(d)
采用IGBT作为开关器件,其中图3-1(c)每个桥臂采用一只IGBT控制旁路电阻的投切,采用的IGBT数量较多,成本较高,图
3-1(d)先经过二极管整流,再通过IGBT投切旁路电阻,仅使用一只IGBT即可,且二极管的过流能力极强,容量可选择相对
较小。从工程角度来说,成本相对较低。本文选择图3-1(d)的电路结构作为Crowbar主电路。
IGBT的选择依据需要考虑的因素主要包括旁路电阻的大小和Crowbar电路的工作时间。
以1.5MW双馈系统为例,考虑恶劣的情况,当电网跌落至0且风机系统满载运行时,此时1.5MW的能量需要通过Crowbar
中的旁路电阻消耗掉,因此可以得出电阻的大小为R=690*690*1.732/1.5MW=0.549Ω,考虑电阻在高温时10%的温度漂移,
实际选择的电阻大小为0.49Ω。
根据系统控制方式,Crowbar电路一般在电网跌落和恢复的瞬间投入,其中电压跌落时的冲击,电压恢复时可根据系统需
要及采用的控制模式确定是否需要投入Crowbar。根据系统LVRT工作模式的设计,在电网电压跌落时,Crowbar的工作时间
一般为60-80ms。实际工作时间由转子侧电流和电压确定。
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