雙饋系統crowbar電路設計

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組是目前風(fēng)電領(lǐng)域的主流機型，在已安裝的風(fēng)力發(fā)電機中，70%以上都是雙饋系統。對變流器而言，雙饋系統的主要優(yōu)點(diǎn)是只有部分功率流過(guò)變流器，且有功和無(wú)功可以單獨調節。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(guò)渡過(guò)程中，在雙饋電機定子磁通中出現了衰減的直流分量，當發(fā)生不對稱(chēng)跌落故障時(shí)還會(huì )出現負序分量。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(huì )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(fēng)力發(fā)電尚未形成規模的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機主要是從自我保護的角度來(lái)設計Crowbar電路，這一段時(shí)間所采用的Crowbar電路多為被動(dòng)式，即所謂的“晶閘管”Crowbar電路。當電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，其最通常的方法是通過(guò)可控硅直接將雙饋電機短路，此時(shí)雙饋電機作為鼠籠式異步電機運行;當電網(wǎng)故障消除時(shí)，雙饋發(fā)電機定子側脫網(wǎng)，可控硅關(guān)斷，雙饋電機重新并網(wǎng)運行。當采用被動(dòng)式Crowbar時(shí)，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(wú)功功率。自從2003年德國E.ON公司首次對風(fēng)力發(fā)電提出并網(wǎng)要求以來(lái)，傳統的風(fēng)力發(fā)電機基于被動(dòng)式Crowbar電路已經(jīng)不能滿(mǎn)足電力運行商對風(fēng)力發(fā)電提出的新要求。為了滿(mǎn)足電力運行商對風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)一步要求，需要撬棒電路動(dòng)作后能在適當的時(shí)候斷開(kāi)，保證在風(fēng)機不脫網(wǎng)的情況下轉子變流器重新開(kāi)始工作，于是出現了新型的可以在任意時(shí)刻切斷轉子回路的“主動(dòng)式Crowbar”保護電路。在主動(dòng)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(fēng)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(shí)驗平臺上進(jìn)行了實(shí)驗驗證。

常見(jiàn)的幾種主動(dòng)式的Crowbar電路結構如圖3-1所示。

圖3-1(a)所示電路每個(gè)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(gè)橋臂由兩只反并聯(lián)可控硅組成，上述兩種方式是通過(guò)控制晶閘管的導通投入Crowbar電路，利用晶閘管過(guò)零關(guān)斷的特性切除。圖3-1(c)和圖3-1(d)采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，其中圖3-1(c)每個(gè)橋臂采用一只IGBT控制旁路電阻的投切，采用的IGBT數量較多，成本較高，圖3-1(d)先經(jīng)過(guò)二極管整流，再通過(guò)IGBT投切旁路電阻，僅使用一只IGBT即可，且二極管的過(guò)流能力極強，容量可選擇相對較小。從工程角度來(lái)說(shuō)，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(shí)間。

以1.5MW雙饋系統為例，考慮最?lèi)毫拥那闆r，當電網(wǎng)跌落至0且風(fēng)機系統滿(mǎn)載運行時(shí)，此時(shí)1.5MW的能量需要通過(guò)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(shí)10%的溫度漂移，實(shí)際選擇的電阻大小為0.49Ω。

根據系統控制方式，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(shí)的沖擊最大，電壓恢復時(shí)可根據系統需要及采用的控制模式確定是否需要投入Crowbar。根據系統LVRT工作模式的設計，在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，Crowbar的工作時(shí)間一般為60-80ms。實(shí)際工作時(shí)間由轉子側電流和電壓確定。

在此段時(shí)間內，IGBT一直保持導通。

由上述電阻的大小可得出IGBT工作時(shí)的最大電流，由Crowbar電路的工作時(shí)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(shí)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)斷后給其提供續流回路，需要在旁路電阻兩端并一個(gè)功率較小的二極管，二極管的具體參數由旁路電阻的ESL確定。

同時(shí)為了盡可能的降低IGBT開(kāi)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流二極管需要就近放置。同時(shí)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(shí)，雙饋系統的表現為轉子側出現過(guò)流和過(guò)壓，因此將轉子電流和電壓作為Crowbar工作時(shí)判斷的基本條件。通過(guò)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(guò)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(dòng)電路。它包含IGBT驅動(dòng)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：檢測到轉子側出現過(guò)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(jīng)過(guò)適當的濾波，檢測這個(gè)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(guò)一定值后，比較器動(dòng)作，輸出高電平，通過(guò)IGBT的驅動(dòng)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(jìn)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(shí)轉子側的電流可能仍然會(huì )超過(guò)機側變流器的承受范圍，此時(shí)需要通過(guò)判斷Crowbar單元的三相交流電流作為Crowbar是否需要繼續工作的條件。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(shí)，IGBT繼續導通，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驅動(dòng)電路

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

驅動(dòng)板內部共需要15V和5V兩路電源，15V為驅動(dòng)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則由三端穩壓器H7805通過(guò)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

為了提高系統抗干擾能力，驅動(dòng)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(guò)光纖轉換器轉換產(chǎn)生，通過(guò)光纖傳輸至驅動(dòng)板。驅動(dòng)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(shí)該腳為高電平，出現故障封鎖時(shí)或供電欠壓時(shí)呈高阻態(tài)，輸出為低電平。圖3-6為驅動(dòng)板故障信號處理電路，一方面通過(guò)LED顯示故障，另一方面通過(guò)光纖把故障信號返回給柜體的主控制板。

(2)驅動(dòng)器副邊電路設計

驅動(dòng)器副邊電路如圖3-7所示。它包含驅動(dòng)信號處理電路、過(guò)流過(guò)壓保護電路。

1)過(guò)流及短路保護電路

2SD300C17通過(guò)檢測IGBT開(kāi)通后Vce的電壓來(lái)判斷是否出現過(guò)流或短路狀態(tài)的，管子開(kāi)通后，經(jīng)過(guò)一定的響應時(shí)間芯片才開(kāi)始檢測vce的電壓(該時(shí)間由圖3-7中R19和C26確定)，如果這個(gè)電壓大于由Rth和Cth確定的動(dòng)態(tài)基準電壓Vth時(shí)，芯片便認為短路或過(guò)流故障發(fā)生，關(guān)閉PWM輸出，同時(shí)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(guò)流而需要關(guān)斷開(kāi)關(guān)管時(shí)，較大的di/dt會(huì )在開(kāi)關(guān)管兩端產(chǎn)生較大的電壓尖峰，從而可能會(huì )損壞開(kāi)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(guò)流而關(guān)斷開(kāi)關(guān)管時(shí)，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(dòng)的關(guān)斷速度，從而減小開(kāi)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(guò)電壓，例如當短路時(shí)開(kāi)關(guān)管的導通時(shí)間小于檢測響應時(shí)間，則軟關(guān)斷便不起作用。此時(shí)該芯片通過(guò)電壓箝位電路來(lái)保證開(kāi)關(guān)管不會(huì )關(guān)斷時(shí)電壓尖峰而損壞。在上圖中，通過(guò)設置合適的Z4、Z5、Z7、Z8來(lái)確定電壓尖峰的限值，當vce大于該值時(shí)，電流從C1端子通過(guò)R18流向門(mén)極，當該電流足夠大時(shí)，會(huì )出現二次開(kāi)通的現象，最終目的還是減小關(guān)斷尖峰。

3.4 仿真與實(shí)驗

3.4.1 驅動(dòng)電路測試

(1)過(guò)壓保護測試

圖3-8為驅動(dòng)電路過(guò)壓保護動(dòng)作波形，由圖可見(jiàn)，在IGBT關(guān)斷過(guò)程中出現了較高的電壓時(shí)，有源鉗位電路動(dòng)作，及門(mén)極驅動(dòng)信號再次由低電平變?yōu)楦唠娖?，使IGBT導通，以降低過(guò)高的關(guān)斷電壓尖峰。 (2)短路測試

取Rth=12k，Cth=560pF，此時(shí)短路響應時(shí)間在6us左右。圖3-9為分別在Vdc=50V和Vdc=1100V時(shí)的短路波形(CH1為驅動(dòng)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(kāi)關(guān)關(guān)斷，軟關(guān)斷的作用使得驅動(dòng)電壓下降的緩慢，控制了關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰。

3.4.2 系統實(shí)驗

為了對上述問(wèn)題的分析進(jìn)行驗證，在1.5MW雙饋試驗臺上進(jìn)行了實(shí)驗驗證。實(shí)驗結果如下：

實(shí)驗結果表明，所設計的Crowbar在電壓跌落期間反應快速，工作穩定，在對變流器實(shí)現較好的保護功能的同時(shí)，配合變流器系統實(shí)現了低電壓穿越功能。

3.5 本章小結

本章詳細分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統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(dòng)電路。并以1.5MW雙饋為例，為系統詳細的設計了硬件電路，進(jìn)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(dòng)作及時(shí)，不僅對變流器實(shí)現了很好的保護功能，且配合變流器系統較好的實(shí)現了低電壓穿越功能，滿(mǎn)足目前國家電網(wǎng)關(guān)于風(fēng)電接入電網(wǎng)的規定。