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基于Crowbar保护控制的交流励磁风电系统运行分析 作者：转载 ? ? 来源：网络 ? ? 时间：2009-11-24 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问断运行。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：式中：us、iss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：式中：Ψs’sDC’为故障后发电机定子磁链暂态直流分量的空间矢量；ΨsP’和ΨsN’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叫，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：　　　　式中：Us为电网故障前发电机定子相电压的幅值。 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，将转子旁路保护电阻串入转子回路，这相当于增加了转子的阻抗，因而会有效地降低在电压跌落和恢复过程中转子回路的最大电流。电压恢复时，保护电阻仍继续连接转子绕组，限制故障切除瞬问转子的最大电流，当定子磁链直流分量衰减完毕后，切除保护电阻，重新将转子侧变换器连接转子绕组，采用电压正常时的励磁控制策略恢复发电机正常运行。　　为有效实现发电机的保护控制，应合理选取保护电阻的阻值，保护电阻的阻值太小将无法有效限制最大电流，阻值太大则可能引起转子过电压，损坏转子绕组。本文中旁路电阻的取值范围选为0.6~1.5。以额定容量2MW、定子额定电压690V的发电机为例，旁路电阻取值为1.05即0.25Ω左右时，即可有效降低故障时转子过电流的程度。1.2 电压跌落时网侧变换器的控制电压跌落时转子侧变换器已被切除，这时可封锁网侧变换器的脉宽调制（PWM）驱动脉冲，由于网侧变换器输入电压减小且这时直流侧电压较高，则网侧变换器的电流将减小为0，这将有助于保