82 电力系统自动 化 2007,31(23) 3)由图2(c)可知，由于定子电流直流分量的作 机从系统中吸收大量无功。从表2可以看出，当电 用，发电机电磁转矩中也将含有衰减的工频交流分 压跌落一定时，保护电阻越大，转子电流峰值就越 量且其波动较大。 小，但转子电压峰值增大；而电阻越小时，尽管转子 4)由图2(d)可知，故障前网侧变换器处于稳定 电压在安全范围以内，但Crowbar保护控制的效果 运行状态，直流侧电压稳定在给定值1200V。电 变差。因此，保护电阻的取值应首先确保转子电流 压跌落时封锁网侧变换器的PWM驱动脉冲，由于 在安全范围以内，然后应考虑限制故障过程中的转 输入电压降低，网侧变换器的输入电流将变为0，直 子电压，从而避免转子过电压和过电流。 流电容电压将维持不变直到输入电压恢复。由于电 从上述分析可知，尽管采用Crowbar电路可有 压恢复时不需要转子侧变换器提供三相励磁电压， 效限制电网故障过程中转子过电流，保护转子侧变 双PWM变换器输出励磁功率为0，因此只需输入 换器功率器件，但也存在一些缺点限制了其应用： 较小的网侧电流，即可稳定控制直流电容电压，且直 ①采用Crowbar电路必将增加硬件电路，因此增加 流电压仅有少许波动。当旁路电阻切除，转子侧变 了系统成本，在故障过程中应严格安排好保护电阻 换器重新接入转子回路时，网侧变换器输入电流增 及功率变换器的投切顺序，增大了系统控制难度； 大，从电网吸收能量以满足转子侧变换器输出恰当 ②电网故障过程中发电机作感应电机运行，发电机 的励磁功率。但从图2(d)可看出，网侧变换器输入 从电网吸收大量的无功功率励磁，这对故障时电网 电流响应较为缓慢，这造成了直流侧电压大幅度波 电压的稳定性更为不利；③放障过程中发电机电磁 动。 转矩波动较大，会对风力机造成一定的机械冲击。 Crowbar保护控制的效果与定子电压跌落的程 3 度以及旁路电阻的大小密切相关。表1给出了保护 结语 电阻取0.25Q时，不同定子电压跌落情况下的仿真 本文着重介绍和分析了Crowbar电路的保护 结果。表2给出了定子电压跌落至0.65时，不同保 控制原理及交流励磁风电系统的暂态运行行为。通 护电阻取值情况下的仿真结果。为了比较各种不同 过仿真全面深入地研究了电压跌落时采用Crowbar 情况下发电机系统的运行状况，表中给出了系统中 电路的系统运行行为，分析表明保护电阻的合理选 各关键量在故障过程中所出现的峰值。 取是有效实现Crowbar保护控制的关键。仿真结 表1不同定子电压跌落时的仿真结果 果验证了Crowbar保护电路的有效性，该方法可实 Table 1 Simulation results during different stator 现电网故障时交流励磁风电机组不间断运行。 voltage dips 有功无功转子电 转子电 电磁转 直流电 参考文献 峰值峰值压峰值/V流峰值 矩峰值压峰值/V [1】伍小杰，柴建云，王祥珩.变速恒频双馈风力发电系统交流励磁 0.65205-1.93584 2.19 -2.27 1342 综述.电力系统自动化，2004,28(23)：9296. 0.50249-2.44700 2.62 .2.90 1343 WU Xiaojie,CHAI Jianyun,WANG Xiangheng.Overview of 0.40278-2.77 776 2.90 ·3.35 1343 ac excitation for variable speed constant frequency doubly fed 0.303.07-3.11853 319 -3.82 1344 wind power generator systems.Automation of Electric Power 020337·3.45928 3.47 -4.33 1345 Systems,2004,28(23):92-96 注：U,'表示定子电压跌落后的最小值。 [2]贺益康，何鸣明，赵仁德，等.双馈风力发电机交流励磁用变频电 表2不同保护电阻值的仿真结果 源拓扑浅析.电力系统自动化，2006,30(4)：105112 Table 1 Simulation results with different protection resistors HE Yikang,HE Mingming,ZHAO Rende,et al.Analysis on 有功无功转子电 frequency converter served for the ac excitation of wind-power 转子电 电磁转 直流电 R/Q 峰值峰值压峰值/V流峰值 矩峰值压峰值/V DFIG.Automation of Electric Power Systems,2006,30(4): 105112. 0.15224-2.46418 2.61 -2.29 1354 0.20216-2.15 506 2.36 -2.29 1343 [3]刘其辉，贺益康，赵仁德.变速恒频风力发电系统最大风能追踪 0.25205-1.93584 2.19 -2.27 1342 控制.电力系统自动化，2003,27(20)：6267. 0.301.94-1.77651 2.03 -2.22 1342 LIU Qihui,HE Yikang,ZHAO Rende.The maximal wind 0.351.83-1.65710 1.90 -2.16 1343 energy tracing control of a variable-speed constant-frequency wind-power generation system.Automation of Electric Power 从表1可以看出，当保护电阻一定时，随着定子 Systems,2003,27(20):62-67 [4]雷亚洲.与风电并网相关的研究课题.电力系统自动化，2003,27 电压跌落越多，Crowbar保护控制的效果就越差。 (8):8489 定子电压严重骤降时，转子电压和电流的最大值均 LEI Yazhou.Studies on wind farm integration into power 己超过转子耐压极限和电流的安全范围，同时，发电 system.Automation of Electric Power Systems,2003,27(8): 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net3) 由图 2 (c) 可知 ,由于定子电流直流分量的作 用 ,发电机电磁转矩中也将含有衰减的工频交流分 量且其波动较大。 4) 由图 2 (d) 可知 ,故障前网侧变换器处于稳定 运行状态 ,直流侧电压稳定在给定值 1 200 V 。电 压跌落时封锁网侧变换器的 PWM 驱动脉冲 ,由于 输入电压降低 ,网侧变换器的输入电流将变为 0 ,直 流电容电压将维持不变直到输入电压恢复。由于电 压恢复时不需要转子侧变换器提供三相励磁电压 , 双 PWM 变换器输出励磁功率为 0 ,因此只需输入 较小的网侧电流 ,即可稳定控制直流电容电压 ,且直 流电压仅有少许波动。当旁路电阻切除 ,转子侧变 换器重新接入转子回路时 ,网侧变换器输入电流增 大 ,从电网吸收能量以满足转子侧变换器输出恰当 的励磁功率。但从图 2 (d) 可看出 ,网侧变换器输入 电流响应较为缓慢 ,这造成了直流侧电压大幅度波 动。 Crowbar 保护控制的效果与定子电压跌落的程 度以及旁路电阻的大小密切相关。表 1 给出了保护 电阻取 0125Ω时 ,不同定子电压跌落情况下的仿真 结果。表 2 给出了定子电压跌落至 0165 时 ,不同保 护电阻取值情况下的仿真结果。为了比较各种不同 情况下发电机系统的运行状况 ,表中给出了系统中 各关键量在故障过程中所出现的峰值。 表 1 不同定子电压跌落时的仿真结果 Table 1 Simulation results during different stator voltage dips U s′ 有功 峰值 无功 峰值 转子电 压峰值/ V 转子电 流峰值 电磁转 矩峰值 直流电 压峰值/ V 0165 2105 - 1193 584 2119 - 2127 1 342 0150 2149 - 2144 700 2162 - 2190 1 343 0140 2178 - 2177 776 2190 - 3135 1 343 0130 3107 - 3111 853 3119 - 3182 1 344 0120 3137 - 3145 928 3147 - 4133 1 345 注 : U s′表示定子电压跌落后的最小值。 表 2 不同保护电阻值的仿真结果 Table 1 Simulation results with different protection resistors R/Ω 有功 峰值 无功 峰值 转子电 压峰值/ V 转子电 流峰值 电磁转 矩峰值 直流电 压峰值/ V 0115 2124 - 2146 418 2161 - 2129 1 354 0120 2116 - 2115 506 2136 - 2129 1 343 0125 2105 - 1193 584 2119 - 2127 1 342 0130 1194 - 1177 651 2103 - 2122 1 342 0135 1183 - 1165 710 1190 - 2116 1 343 从表 1 可以看出 ,当保护电阻一定时 ,随着定子 电压跌落越多 ,Crowbar 保护控制的效果就越差。 定子电压严重骤降时 ,转子电压和电流的最大值均 已超过转子耐压极限和电流的安全范围 ,同时 ,发电 机从系统中吸收大量无功。从表 2 可以看出 ,当电 压跌落一定时 ,保护电阻越大 ,转子电流峰值就越 小 ,但转子电压峰值增大 ;而电阻越小时 ,尽管转子 电压在安全范围以内 ,但 Crowbar 保护控制的效果 变差。因此 ,保护电阻的取值应首先确保转子电流 在安全范围以内 ,然后应考虑限制故障过程中的转 子电压 ,从而避免转子过电压和过电流。 从上述分析可知 ,尽管采用 Crowbar 电路可有 效限制电网故障过程中转子过电流 ,保护转子侧变 换器功率器件 ,但也存在一些缺点限制了其应用 : ①采用 Crowbar 电路必将增加硬件电路 ,因此增加 了系统成本 ,在故障过程中应严格安排好保护电阻 及功率变换器的投切顺序 ,增大了系统控制难度 ; ②电网故障过程中发电机作感应电机运行 ,发电机 从电网吸收大量的无功功率励磁 ,这对故障时电网 电压的稳定性更为不利 ; ③故障过程中发电机电磁 转矩波动较大 ,会对风力机造成一定的机械冲击。 3 结语 本文着重介绍和分析了 Crowbar 电路的保护 控制原理及交流励磁风电系统的暂态运行行为。通 过仿真全面深入地研究了电压跌落时采用 Crowbar 电路的系统运行行为 ,分析表明保护电阻的合理选 取是有效实现 Crowbar 保护控制的关键。仿真结 果验证了 Crowbar 保护电路的有效性 ,该方法可实 现电网故障时交流励磁风电机组不间断运行。 参 考 文 献 [ 1 ] 伍小杰 ,柴建云 ,王祥珩. 变速恒频双馈风力发电系统交流励磁 综述. 电力系统自动化 ,2004 ,28 (23) :92296. WU Xiaojie , CHAI Jianyun , WAN G Xiangheng. Overview of ac excitation for variable speed constant frequency doubly fed wind power generator systems. Automation of Electric Power Systems , 2004 , 28 (23) : 92296. [ 2 ] 贺益康 ,何鸣明 ,赵仁德 ,等. 双馈风力发电机交流励磁用变频电 源拓扑浅析. 电力系统自动化 ,2006 ,30 (4) :1052112. HE Yikang , HE Mingming , ZHAO Rende , et al. Analysis on frequency converter served for t he ac excitation of wind2power DFIG. Automation of Electric Power Systems , 2006 , 30 ( 4) : 1052112. [ 3 ] 刘其辉 ,贺益康 ,赵仁德. 变速恒频风力发电系统最大风能追踪 控制. 电力系统自动化 ,2003 ,27 (20) :62267. LIU Qihui , HE Yikang , ZHAO Rende. The maximal wind energy tracing control of a variable2speed constant2frequency wind2power generation system. Automation of Electric Power Systems , 2003 , 27 (20) : 62267. [ 4 ] 雷亚洲. 与风电并网相关的研究课题. 电力系统自动化 ,2003 ,27 (8) :84289. L EI Yazhou. Studies on wind farm integration into power system. Automation of Electric Power Systems , 2003 , 27 (8) : 82 2007 , 31 (23)