雙饋系統(tǒng)crowbar電路設計

雙饋風力發(fā)電機組是目前風電領域的主流機型，在已安裝的風力發(fā)電機中，70%以上都是雙饋系統(tǒng)。對變流器而言，雙饋系統(tǒng)的主要優(yōu)點是只有部分功率流過變流器，且有功和無功可以單獨調(diào)節(jié)。然而，正是由于變流器容量較小，使得它對電網(wǎng)故障非常敏感，需要采取可靠的保護措施，以防止變流器中功率器件的損壞。

如前所述，在電網(wǎng)電壓跌落的過渡過程中，在雙饋電機定子磁通中出現(xiàn)了衰減的直流分量，當發(fā)生不對稱跌落故障時還會出現(xiàn)負序分量。直流分量和負序分量對以較高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的雙饋電機轉(zhuǎn)子而言都會形成較大的轉(zhuǎn)差率，從而在雙饋電機轉(zhuǎn)子電路中感生出較大的轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流。轉(zhuǎn)子電路中較高的暫態(tài)電流量和電壓量對轉(zhuǎn)子變流器中脆弱的半導體變流器件的安全運行構(gòu)成了威脅。

在風力發(fā)電尚未形成規(guī)模的時候，風力發(fā)電機主要是從自我保護的角度來設計Crowbar電路，這一段時間所采用的Crowbar電路多為被動式，即所謂的“晶閘管”Crowbar電路。當電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時，其最通常的方法是通過可控硅直接將雙饋電機短路，此時雙饋電機作為鼠籠式異步電機運行;當電網(wǎng)故障消除時，雙饋發(fā)電機定子側(cè)脫網(wǎng)，可控硅關(guān)斷，雙饋電機重新并網(wǎng)運行。當采用被動式Crowbar時，雙饋發(fā)電機在電網(wǎng)故障的情況下一直以鼠籠式異步發(fā)電機的狀態(tài)運行，需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率。自從2003年德國E.ON公司首次對風力發(fā)電提出并網(wǎng)要求以來，傳統(tǒng)的風力發(fā)電機基于被動式Crowbar電路已經(jīng)不能滿足電力運行商對風力發(fā)電提出的新要求。為了滿足電力運行商對風力發(fā)電的進一步要求，需要撬棒電路動作后能在適當?shù)臅r候斷開，保證在風機不脫網(wǎng)的情況下轉(zhuǎn)子變流器重新開始工作，于是出現(xiàn)了新型的可以在任意時刻切斷轉(zhuǎn)子回路的“主動式Crowbar”保護電路。在主動式Crowbar保護電路中常配備有IGBT等可關(guān)斷器件。

詳細分析了雙饋風力發(fā)電機組在電壓跌落期間工作特性的基礎上，以1.5MW雙饋為例，設計了Crowbar主電路及其控制電路，并在2MW實驗平臺上進行了實驗驗證。

常見的幾種主動式的Crowbar電路結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。

圖3-1(a)所示電路每個橋臂由控制器件如晶閘管和二極管串聯(lián)組成。圖3-1(b)所示電路每個橋臂由兩只反并聯(lián)可控硅組成，上述兩種方式是通過控制晶閘管的導通投入Crowbar電路，利用晶閘管過零關(guān)斷的特性切除。圖3-1(c)和圖3-1(d)采用IGBT作為開關(guān)器件，其中圖3-1(c)每個橋臂采用一只IGBT控制旁路電阻的投切，采用的IGBT數(shù)量較多，成本較高，圖3-1(d)先經(jīng)過二極管整流，再通過IGBT投切旁路電阻，僅使用一只IGBT即可，且二極管的過流能力極強，容量可選擇相對較小。從工程角度來說，成本相對較低。本文選擇圖3-1(d)的電路結(jié)構(gòu)作為Crowbar主電路。

IGBT的選擇依據(jù)需要考慮的因素主要包括旁路電阻的大小和Crowbar電路的工作時間。

以1.5MW雙饋系統(tǒng)為例，考慮最惡劣的情況，當電網(wǎng)跌落至0且風機系統(tǒng)滿載運行時，此時1.5MW的能量需要通過Crowbar中的旁路電阻消耗掉，因此可以得出電阻的大小為R=690*690*1.732/1.5MW=0.549Ω，考慮電阻在高溫時10%的溫度漂移，實際選擇的電阻大小為0.49Ω。

根據(jù)系統(tǒng)控制方式，Crowbar電路一般在電網(wǎng)跌落和恢復的瞬間投入，其中電壓跌落時的沖擊最大，電壓恢復時可根據(jù)系統(tǒng)需要及采用的控制模式確定是否需要投入Crowbar。根據(jù)系統(tǒng)LVRT工作模式的設計，在電網(wǎng)電壓跌落時，Crowbar的工作時間一般為60-80ms。實際工作時間由轉(zhuǎn)子側(cè)電流和電壓確定。

在此段時間內(nèi)，IGBT一直保持導通。

由上述電阻的大小可得出IGBT工作時的最大電流，由Crowbar電路的工作時間可確定IGBT的熱容量。并結(jié)合IGBT的工作特性即可選擇IGBT的額定電流。IGBT的額定電壓等級選擇與變流器主電路相同，為1700V。實際選擇的IGBT為1700V，2400A。

由于旁路電阻本身具有一定的自感，為了IGBT關(guān)斷后給其提供續(xù)流回路，需要在旁路電阻兩端并一個功率較小的二極管，二極管的具體參數(shù)由旁路電阻的ESL確定。

同時為了盡可能的降低IGBT開關(guān)回路的寄生電感，以減小IGBT關(guān)斷電壓尖峰，IGBT和整流二極管及旁路電阻的續(xù)流二極管需要就近放置。同時給IGBT設計吸收電路。

詳細的Crowbar主電路圖如圖3-2所示。

3.3 crowbar控制電路設計

由前面分析可知，當電壓跌落時，雙饋系統(tǒng)的表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子側(cè)出現(xiàn)過流和過壓，因此將轉(zhuǎn)子電流和電壓作為Crowbar工作時判斷的基本條件。通過檢測轉(zhuǎn)子電壓，和基準值比較后，控制Crowbar電路中的IGBT的導通，通過判斷Crowbar電路交流電流，和基準值比較后，控制Crowbar電路中的IGBT的關(guān)斷。詳細的控制電路如圖3-3所示。圖3-3(a)為Crowbar單元控制電路結(jié)構(gòu)，它包括Crowbar單元主電路，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓檢測電路，Crowbar單元三相交流電流檢測單元。圖3-3(b)為IGBT的驅(qū)動電路。它包含IGBT驅(qū)動及IGBT的保護電路，基本的工作原理如下：

3.3.1 Crowbar的投入

Crowbar投入的條件，即IGBT導通的條件為：檢測到轉(zhuǎn)子側(cè)出現(xiàn)過壓。

利用Crowbar單元主電路中的三相二極管，將轉(zhuǎn)子電壓側(cè)三相交流電壓變換為直流電壓，經(jīng)過適當?shù)臑V波，檢測這個直流電壓，并和基準電壓Vref1比較，正常情況下，比較器輸出為低電平，當檢測到該直流電壓超過一定值后，比較器動作，輸出高電平，通過IGBT的驅(qū)動電路觸發(fā)IGBT導體。為了提高控制電路的抗干擾能力，防止誤觸發(fā)，采用差分電路對直流電壓進行檢測。

3.3.2 Crowbar的切除

Crowbar中的IGBT導通后，轉(zhuǎn)子側(cè)的電流全部轉(zhuǎn)移到Crowbar單元。全部的壓降都降落在旁路電阻上。直流電壓的降低將導致其失去對Crowbar的控制，而此時轉(zhuǎn)子側(cè)的電流可能仍然會超過機側(cè)變流器的承受范圍，此時需要通過判斷Crowbar單元的三相交流電流作為Crowbar是否需要繼續(xù)工作的條件。本文采用電流互感器檢測三相交流電流，并和基準值Vref2比較。當電流高于一定值時，IGBT繼續(xù)導通，當電流低于一定值后，比較器輸出變?yōu)榈碗娖?，IGBT關(guān)斷，Crowbar單元切除。

3.3.3 IGBT驅(qū)動電路

圖3-3(b)為IGBT的驅(qū)動電路，本文選擇concept公司開發(fā)的、專用于大功率IGBT的驅(qū)動芯片2SD300C17作為核心驅(qū)動器，設計了外圍電路，包括驅(qū)動器原邊的輸入信號處理、電源濾波及副邊的過壓保護及過流保護電路。關(guān)于2SD300C17的詳細介紹參見本章附錄1。 (1)驅(qū)動器原邊電路設計 1) 驅(qū)動板供電電源設計

驅(qū)動板內(nèi)部共需要15V和5V兩路電源，15V為驅(qū)動器內(nèi)核提供電源，5V為光纖頭提供供電。其中15V供電由外部的24/15V電源模塊提供，5V則由三端穩(wěn)壓器H7805通過15V轉(zhuǎn)換獲得，給光纖頭供電。如圖3-4所示，它包含了濾波電路和保護電路。

2)光纖信號接收電路

為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，驅(qū)動信號采用光纖傳輸。光纖輸入信號是由圖3-3(a)中產(chǎn)生的邏輯信號經(jīng)過光纖轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換產(chǎn)生，通過光纖傳輸至驅(qū)動板。驅(qū)動板上設計了光信號接收電路，如圖3-5所示。

3)故障信號處理

2SD300C17的SOX腳為故障信號輸出端，在正常工作時該腳為高電平，出現(xiàn)故障封鎖時或供電欠壓時呈高阻態(tài)，輸出為低電平。圖3-6為驅(qū)動板故障信號處理電路，一方面通過LED顯示故障，另一方面通過光纖把故障信號返回給柜體的主控制板。

(2)驅(qū)動器副邊電路設計

驅(qū)動器副邊電路如圖3-7所示。它包含驅(qū)動信號處理電路、過流過壓保護電路。

1)過流及短路保護電路

2SD300C17通過檢測IGBT開通后Vce的電壓來判斷是否出現(xiàn)過流或短路狀態(tài)的，管子開通后，經(jīng)過一定的響應時間芯片才開始檢測vce的電壓(該時間由圖3-7中R19和C26確定)，如果這個電壓大于由Rth和Cth確定的動態(tài)基準電壓Vth時，芯片便認為短路或過流故障發(fā)生，關(guān)閉PWM輸出，同時輸出故障FA信號。

2)有源箝位及軟關(guān)斷電路

當芯片檢測到短路或過流而需要關(guān)斷開關(guān)管時，較大的di/dt會在開關(guān)管兩端產(chǎn)生較大的電壓尖峰，從而可能會損壞開關(guān)管。為防止這種情況發(fā)生，2SD300C17芯片設置了軟關(guān)斷功能，如圖3-7所示，R26即為軟關(guān)斷電阻，其作用是在檢測到短路或過流而關(guān)斷開關(guān)管時，內(nèi)部輸出電容反向充電，IGBT的輸入電容Cies和米勒電容Cres緩慢放電，減緩驅(qū)動的關(guān)斷速度，從而減小開關(guān)管的電壓尖峰。軟關(guān)斷不是在任何情況下都可以防止過電壓，例如當短路時開關(guān)管的導通時間小于檢測響應時間，則軟關(guān)斷便不起作用。此時該芯片通過電壓箝位電路來保證開關(guān)管不會關(guān)斷時電壓尖峰而損壞。在上圖中，通過設置合適的Z4、Z5、Z7、Z8來確定電壓尖峰的限值，當vce大于該值時，電流從C1端子通過R18流向門極，當該電流足夠大時，會出現(xiàn)二次開通的現(xiàn)象，最終目的還是減小關(guān)斷尖峰。

3.4 仿真與實驗

3.4.1 驅(qū)動電路測試

(1)過壓保護測試

圖3-8為驅(qū)動電路過壓保護動作波形，由圖可見，在IGBT關(guān)斷過程中出現(xiàn)了較高的電壓時，有源鉗位電路動作，及門極驅(qū)動信號再次由低電平變?yōu)楦唠娖?，使IGBT導通，以降低過高的關(guān)斷電壓尖峰。 (2)短路測試

取Rth=12k，Cth=560pF，此時短路響應時間在6us左右。圖3-9為分別在Vdc=50V和Vdc=1100V時的短路波形(CH1為驅(qū)動波形，CH3為短路電流波形，CH4為Vce波形)。

從圖中可以看出，短路發(fā)生5.72us后開關(guān)關(guān)斷，軟關(guān)斷的作用使得驅(qū)動電壓下降的緩慢，控制了關(guān)斷時的電壓尖峰。

3.4.2 系統(tǒng)實驗

為了對上述問題的分析進行驗證，在1.5MW雙饋試驗臺上進行了實驗驗證。實驗結(jié)果如下：

實驗結(jié)果表明，所設計的Crowbar在電壓跌落期間反應快速，工作穩(wěn)定，在對變流器實現(xiàn)較好的保護功能的同時，配合變流器系統(tǒng)實現(xiàn)了低電壓穿越功能。

3.5 本章小結(jié)

本章詳細分析了雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)在電壓跌落期間的工作特性，在此基礎上設計了Crowbar單元的主電路及其驅(qū)動電路。并以1.5MW雙饋為例，為系統(tǒng)詳細的設計了硬件電路，進行了試驗驗證。試驗結(jié)果表明，在低電壓穿越期間，所設計的Crowbar電路動作及時，不僅對變流器實現(xiàn)了很好的保護功能，且配合變流器系統(tǒng)較好的實現(xiàn)了低電壓穿越功能，滿足目前國家電網(wǎng)關(guān)于風電接入電網(wǎng)的規(guī)定。