隨著風力發電規模的擴大與單機容量的提高，風力發電所產生的電能在我國電網中所占的比重越來越大。基于雙饋風力發電機的風電系統具有變流器容量小、有功功率與無功功率可以單獨調節、調速范圍廣等特點，因此在風電場中被廣泛應用[1]。

由于DFIG定子直接接入電網，電網故障對其影響較大，一般常采用增加硬件的方法來實現DFIG在嚴重電網故障下LVRT運行。在這些技術中，轉子側并聯Crowbar旁路電阻技術得到了廣泛的應用[2]。

LVRT簡介

低電壓穿越LVRT，指在風機并網點電壓跌落的時候，風機能夠保持并網，甚至向電網提供一定的無功功率支持電網恢復，直到電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間（區域）[3]。圖1為我國《大型風電場并網設計規范》對風電場低電壓穿越的要求。

電壓跌落前，風電場并網點維持在額定水平，0s電網發生短路故障引起電壓跌落，當電壓不低于額定電壓的15%時，在625ms時間范圍內，風電場必須保持并網運行；另外風電場并網點電壓在電網故障3s內能夠始終高于圖中電壓輪廓線以上，并在3s后恢復至額定電壓的90%以上，此過程中風電場必須保持并網運行。

                            圖1風電場低電壓穿越標準

                Fig.1Thelowvoltageride-throughstandardofwindpowerfarm

2.電壓跌落對風機的影響

目前市場上風機類型可概括為三類,即直接并網的恒速異步機FSIG、直驅式永磁同步風機PMSG和雙饋異步式風機DFIG。其中FSIG與PMSG

在兆瓦級風電中所占的份額相對較少，并且它們的LVRT控制相對簡單。而DFIG所占的份額相對

較多，LVRT控制復雜，對電網的影響大，所以對雙饋異步式風機的LVRT研究是目前風力發電的一個重點。

                                圖2三種主流的風力發電系統

                     Fig.2Threemaintrendsofwindpowergenerationsystem

電網電壓跌落瞬間，雙饋感應發電機定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變，從而產生直流分量，由于積分量的減小，定子磁鏈幾乎不發生變化，而轉子繼續旋轉，會產生較大的滑差，這樣便會引起轉子繞組的過流、過壓。過流會損壞轉子勵磁變流器，而過壓會使發電機的轉子繞組絕緣擊穿，嚴重危害風機本身及其控制系統的安全運行。然而，一般情況下若電網出現故障，風機就實施被動式自我保護而立即脫網，并不考慮故障的持續時間和嚴重程度，這樣能最大限度保障風機的安全，在風力發電的電網穿透率(即風力發電占電網的比重)較低時是可以接受的。但是當風電在電網中占有較大比重時，若風機在電壓跌落時仍采取被動保護式脫網，則會增加整個系統的恢復難度，甚至可能加劇故障，最終導致系統其它機組全部脫網，因此必須采取有效的LVRT措施，以維護電網的穩定[4]。

3.LVRT的解決辦法

為保證電網故障時雙饋感應發電機及其勵磁變流器能安全不脫網運行，適應新電網運行規則

的要求，國內外學術界和工程界對電網故障時雙饋感應發電機的保護原理與控制策略進行了大量

研究。據文獻報道，當前的低電壓穿越技術一般有三種方案:一種是轉子短路保護技術，二種是引入新型拓撲結構，三是采用合理的勵磁控制算法。而轉子短路保護技術，目的在于當檢測到電網系統出現電壓跌落時，立刻投入轉子回路旁路保護裝置，為轉子側電路提供旁路，達到限制通過勵磁變流器的電流和轉子繞組過電壓的作用，以此來維持雙饋電機不脫網運行。

目前典型的Crowbar電路如圖3所示[4]

(a)混合橋型Crowbar電路，每個橋臂由GTO和二極管串聯而成。當系統正常時，Crowbar電路不工作，當轉子過電壓、過電流時，開通整流側GTO，使轉子旁路過電壓、過電流時，開通整流側GTO，使轉子旁路形成回路，分散轉子的過電流，從而起到保護作用，控制上要進行3個GTO的控制。

(b)IGBT型Crowbar電路，各橋臂由2個二極管串聯，直流側串入一個IGBT器件和一個吸收電阻。當轉子過流時，通過檢測信號給予IGBT的導通信號，從而通過直流端的電阻釋放能量，起到泄流保護作用。

(c)旁路電阻型Crowbar電路，出現電網電壓跌落時，通過功率開關器件將旁路電阻連接到轉子回路，為電網故障期間所產生的大電流提供了一個旁路，從而達到限制大電流、保護勵磁變流器的作用。

                       圖3典型Crowbar電路

               Fig.3ThetypicalCrowbarcircuit

4.新型Crowbar電阻器

為適應低電壓穿越更高的要求，上海鷹峰電子科技有限公司自主研發了新型Crowbar電阻器。

如圖4所示

                 圖4鋼板切割式Crowbar電阻器

           Fig.4SteelplatecuttingtypeCrowbarresistor

此Crowbar電阻器的主要特點是抗電流沖擊能力強。以1.5MW風力發電機為例，電流沖擊標準如表1所示：

表11.5MW電流沖擊標準

Tab.1Thecurrentimpulsestandardof1.5MW

圖5為Crowbar電阻能量沖擊波形圖，能量500KJ阻值2.5Ω沖擊時間0.984s。

                        圖5Crowbar電阻能量沖擊波形圖

             Fig.5Crowbarresistorenergyimpulsewaveformcurve

由圖5可知，接入Crowbar電阻器后電流峰值由7KA衰減到4.5KA。

圖6為Ansysworkbench對Crowbar電阻器進行的電流仿真計算。

                圖6電流仿真圖

         Fig.6Currentsimulationgraph

電流的趨膚效應，在拐點處電流密度很高。

圖7為Ansysworkbench對Crowbar電阻器進行的溫度仿真計算。

                圖7溫度仿真圖

           Fig.7Temperaturesimulationgraph

電阻片的溫度最高可達7200C。

圖8為Ansysworkbench對Crowbar電阻器進行的溫度場-電場聯合仿真計算。

               圖8溫度-電場耦合仿真圖

      Fig.8Temperature-currentcouplingsimulationgraph

5.試驗

能量沖擊試驗圖如圖9所示

              圖9能量沖擊試驗測試圖

          Fig.9Energyimpulsetestgraph

其中CH01電阻片上部CH02電阻片底部CH03殼體上部內側CH04殼體下部外側。

電阻器阻值為0.75Ω，沖擊能量為2000KJ。沖擊時間1s，間隔10s再沖擊一次。

             圖10第一次沖擊電壓電流波形

        Fig.10Thefirstimpulsevoltagecurrentwaveform

初始電壓U=1.27KV，初始電流I=1.69KA，沖擊時間T=1.04s。經過沖擊后電流變為1.2KA。

圖11為間隔10s再次沖擊的電流波形

             圖11第二次沖擊電壓電流波形

     Fig.11Thesecondimpulsevoltagecurrentwaveform

初始電壓U=1.27KV，I=1.27KA，經過1.04s的沖擊后，電流變為1KA。

沖擊時，采用無紙記錄儀記錄的溫度情況，溫度曲線如下：

              圖12各通道溫度曲線

      Fig.12Eachchanneltemperaturecurve

各通道溫度情況如表2所示：

表2各通道溫度情況表

Tab.2Temperaturetableofeachchannel

按測試需求承受相應的能量沖擊后，其各項電氣性能均正常。

實物圖如圖13所示

            圖13新型Crowbar電阻器實物圖

     Fig.13ThephysicalmapofnewCrowbarresistor

6.結論

采用Crowbar保護電路可以極大地提高雙饋式風電系統的低電壓穿越能力，使其具有更好的市場競爭力和應用前景。本文介紹了低電壓穿越及電壓跌落對風機的影響，同時對幾種Crowbar電路進行了分析。在此基礎上對上海鷹峰電子科技有限公司研制的新型Crowbar電阻器進行了仿真和試驗。結果表明，此種電阻器具有較強的抗電流沖擊能力，能很好的滿足低電壓穿越對Crowbar電阻的要求。

參考文獻

[1]MullerS,DeickeM,DeDonckerRW.Doublyfedinductiongeneratorsystemforwindturbines[J].IndustryApplicationsMagazine,2002,8(3):26-33.

[2]張興，張龍云，余勇等.風力發電低電壓穿越技術綜述[J].電力系統及其自動化學報,2008,4(20).2

[3]李學林，趙棟利，李亞西等.適用于變速恒頻雙饋感應發電機的Crowbar對比分析[J].可再生能源.2006.5(129)

[4]劉鵬飛，胡佑群，刑云龍等.應用于低電壓穿越下Crowbar保護電路的分析[J].電氣制造.2011.11