基于crowbar保护控制的交流励磁风电系统运行分析

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1、基于Crowbar保护控制的交流励磁风电系统运行分析随着越来越多的交流励磁风力发电机接入电网运行，新的电网运行规则要求发电机在电网电压跌落时仍能保持不间断运行。为保护转子励磁电源和发电机，常采用Crowbar保护电路来限制电压跌落时转子回路的最大电流。文中通过仿真详细研究了电网故障时交流励磁风电系统的运行行为，就电压跌落程度及旁路电阻取值对Crowbar保护控制的影响以及采用Crowbar电路的系统运行特点进行了讨论分析。仿真结果验证了Crowbar电路的有效性，该方法可实现故障时交流励磁风力发电机不间断运行。关键字：Crowbar保护控制交流励磁风电系统运行分析0

2、引言交流励磁变速恒频风力发电技术是目前最具应用前景的风力发电技术之一，已成为国内外的研究热点。随着交流励磁风电机组单机容量和风电场规模的增大，发电机与电网之间的相互影响作用显得日益重要。新的系统运行导则要求在电网电压跌落时交流励磁风电机组仍具有不间断运行能力。在故障期间，发电机和电网仍继续保持连接，故障切除后，发电机迅速恢复正常运行，为系统提供必要的有功和无功功率支持，减少电压崩溃的危险，提高系统的稳定性。目前主要采用Crowbar电路来实现电压跌落时交流励磁发电机不间断运行。该技术在电压跌落时切除发电机励磁电源，投入转子旁路保护电阻来限制转子回路的最大电流，达到保

3、护转子励磁电源和发电机的目的。本文分析了电网电压跌落时发电机的暂态运行行为和Crowbar电路的保护控制原理。对一台基于Crowbar保护控制的交流励磁风力发电机系统进行了仿真计算，分析了电网故障时发电机系统的运行行为，以及电压跌落程度和旁路电阻取值对Crowbar保护控制的影响，最后就电压跌落时采用Crowbar电路的系统运行特点进行了讨论。1电网电压跌落时发电机系统的控制1.1电压跌落时发电机的Crowbar保护控制电网电压正常时的发电机定子电压方程可表示为空间矢量形式：①式中：us、is和Ψs分别为静止坐标系下定子电压空间矢量、定子电流空问矢量和定子磁链空间矢

4、量；Rs为定子绕组电阻。若电网发生非对称短路故障，由磁链守恒原理可知，尽管定子电压在故障时发生突变，但在故障瞬间发电机定子磁链仍将保持恒定不变。在忽略发电机定子电阻的前提下，由式①可知发电机的定子磁链近似等于定子电压的积分，当定子电压中出现正序和负序分量后，发电机定子磁链中显然也将出现相应的稳态正序和负序分量。然而，为维持故障瞬间发电机定子磁链保持不变，定子磁链中还将出现暂态直流分量。根据式①可导出故障后发电机定子磁链各分量与定子电压各分量之间的关系为：②式中：Ψs’为故障后发电机定子磁链空间矢量；ΨsDC’为故障后发电机定子磁链暂态直流分量的空间矢量；ΨsP’和Ψ

5、sN’分别为故障后发电机定子磁链正、负序分量的空间矢量；Us为故障前瞬间发电机定子电压空间矢量；UsP’和UsN’分别为故障后瞬间发电机定子电压正、负序分量的空间矢量；ω为定子电角频率弧为发电机定子磁链暂态直流分量的衰减时间常数；usP’和usN’分别为故障后发电机定子电压正、负序分量的空间矢量。为简要说明电压跌落时发电机的Crowbar保护控制原理，本文以发电机机端发生三相对称短路故障为例进行分析。当发电机机端对称短路时，由式①可知，在忽略定子电阻的前提下，当定子电压降至0时，定子磁链矢量的变化率也为0，这意味着定子磁链空间矢量将停止旋转并在空间保持不变。由于定子

6、电阻的耗能作用，定子磁链直流分量将会逐渐衰减，其衰减的速度取决于发电机的定、转子漏感和电阻。由于电压跌落瞬间发电机转子仍以高速旋转，则定子磁场直流分量将以转速角频率相对于转子绕组旋转，此时定子电压空间矢量的正、负序分量均为0，根据式②可得故障时定子磁链暂态直流分量的最大值ΨsDCmax’和转子电压的最大值Urmax’分别为：③④式中：Us为电网故障前发电机定子相电压的幅值。典型的MW级交流励磁风力发电机的转差运行范围一般为[-0.3,0.3]，转子漏阻抗（本文除特别说明外，所有变量均为标幺值）约为0.1~0.2，若故障前发电机以最大转速1.3运行，则由式④可知机端短

7、路故障时发电机转子最大故障电流将达到约6倍~12倍额定电流。若不采取限流措施，则必将出现转子过电流，严重时极易损坏转子侧变换器功率器件和直流电容。另一方面，当故障切除后，发电机定子电压恢复正常，这时发电机的暂态运行行为与电压跌落时类似，其定子磁链中仍将出现暂态直流分量，该分量同样可能造成转子过压、过流。对于电网发生不对称短路故障，除了会引起定子磁链直流分量以外，定子磁链中还将出现负序分量，该分量将以-(ω+ωr)相对于转子绕组旋转，其同样可能造成转子过压和过流。为限制电压跌落时转子的最大电流，通常的方法就是在检测到定子电压骤降时立即将转子侧变换器与转子回路断开，