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節(jié)。然而，正是由于變流器容量較小，使得它對電網故障非常敏感，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速運轉的雙饋電機轉子而言都會形成較大的轉差率，從而在雙饋電機轉子電路中感生出較大的轉子電壓和轉子電流。轉子電路中較高的暫態(tài)電流量和電壓量對轉子變流器中脆弱的半導體變流器件的安全運行構成了威脅。

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;當電網故障消除時，雙饋發(fā)電機定子側脫網，可控硅關斷，雙饋電機重新并網運行。當采用被動式Crowbar時，雙饋發(fā)電機在電網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)電提出并網要求以來，傳統(tǒng)的風力發(fā)電機基于被動式Crowbar電路已經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，保證在風機不脫網的情況下轉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電路結構如圖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，利用晶閘管過零關斷的特性切除。圖3-1(c)和圖3-1(d)采用IGBT作為開關器件，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)的電路結構作為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，在電網電壓跌落時，Crowbar的工作時間一般為60-80ms。實際工作時間由轉子側電流和電壓確定。

在此段時間內，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開關回路的寄生電感，以減小IGBT關斷電壓尖峰，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)為轉子側出現(xiàn)過流和過壓，因此將轉子電流和電壓作為Crowbar工作時判斷的基本條件。通過檢測轉子電壓，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單元控制電路結構，它包括Crowbar單元主電路，轉子側電壓檢測電路，Crowbar單元三相交流電流檢測單元。圖3-3(b)為IGBT的驅動電路。它包含IGBT驅動及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：檢測到轉子側出現(xiàn)過壓。

利用Crowbar單元主電路中的三相二極管，將轉子電壓側三相交流電壓變換為直流電壓，經過適當?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，轉子側的電流全部轉移到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，而此時轉子側的電流可能仍然會超過機側變流器的承受范圍，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關斷，Crowbar單元切除。

3.3.3 IGBT驅動電路

圖3-3(b)為IGBT的驅動電路，本文選擇concept公司開發(fā)的、專用于大功率IGBT的驅動芯片2SD300C17作為核心驅動器，設計了外圍電路，包括驅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。關于2SD300C17的詳細介紹參見本章附錄1。 (1)驅動器原邊電路設計 1) 驅動板供電電源設計

驅動板內部共需要15V和5V兩路電源，15V為驅動器內核提供電源，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，驅動信號采用光纖傳輸。光纖輸入信號是由圖3-3(a)中產生的邏輯信號經過光纖轉換器轉換產生，通過光纖傳輸至驅動板。驅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)驅動器副邊電路設計

驅動器副邊電路如圖3-7所示。它包含驅動信號處理電路、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，關閉PWM輸出，同時輸出故障FA信號。

2)有源箝位及軟關斷電路

當芯片檢測到短路或過流而需要關斷開關管時，較大的di/dt會在開關管兩端產生較大的電壓尖峰，從而可能會損壞開關管。為防止這種情況發(fā)生，2SD300C17芯片設置了軟關斷功能，如圖3-7所示，R26即為軟關斷電阻，其作用是在檢測到短路或過流而關斷開關管時，內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，減緩驅動的關斷速度，從而減小開關管的電壓尖峰。軟關斷不是在任何情況下都可以防止過電壓，例如當短路時開關管的導通時間小于檢測響應時間，則軟關斷便不起作用。此時該芯片通過電壓箝位電路來保證開關管不會關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斷尖峰。

3.4 仿真與實驗

3.4.1 驅動電路測試

(1)過壓保護測試

圖3-8為驅動電路過壓保護動作波形，由圖可見，在IGBT關斷過程中出現(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后開關關斷，軟關斷的作用使得驅動電壓下降的緩慢，控制了關斷時的電壓尖峰。

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。實驗結果如下：

實驗結果表明，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

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，滿足目前國家電網關于風電接入電網的規(guī)定。