CN103217641B - 一种风电变流器的crowbar电路的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电变流器的CROWBAR电路测试装置及测试方法。本发明在网侧变流器LSC启动前，通过启动预充电回路，为机侧变流器的直流母线充电，为双馈发电机DFIG提供空载励磁电流；当机侧变流器的直流母线电压达到阈值后，使机侧变流器GSC进入空载控制模式；当双馈发电机的转子电流大于CROWBAR电路的阈值，触发CROWBAR电路的开关信号，并将触发CROWBAR电路的信号反馈给机侧变流器；通过机侧变流器是否检验到CROWBAR的反馈信号来判断CROWBAR能否正常工作。从而实现网侧变流器不启动，机侧变流器不并网条件下，对CROWBAR电路进行测试，避免了当电网故障，CROWBAR电路也故障时，而变流器投入并网使用，导致机组失去CROWBAR电路的保护，造成变流器、发电机的严重损坏的问题。

Description

一种风电变流器的CROWBAR电路的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种风电变流器的CROWBAR电路测试装置及测试方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

近年来，国内风电装机容量不断提高，对风电机组运行的可靠性要求也越来越高。由于风电多采用集中式分布，当电网出现扰动时，可能会造成大片的风机解列，出现暂态震荡，对电网与设备造成严重的冲击，国家也出台了对低电压穿越（LVRT）的规范。《风电场接入电力系统技术规定GBT_19963-2011》中提出，风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20％额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力。风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90％时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。

以双馈型风力机组为例，双馈型风力机组的控制较为复杂，定转子的电磁耦合复杂。电网的波动，会引起机组的电磁振荡，负荷波动等，这对变流器的软件、硬件设备都是很大的考验。在电网电压跌落时，发电机的机端电压也跌落，定子电流会激增。由于定转子的强耦合关系，定子电流的激增也会导致转子电流的激增。机组瞬间跳闸，发电机的剩余能量将会流向变流器，导致直流母线电容电压急升、IGBT功率模块可能被击穿等后果。

为了解决上述问题，各厂家提出了各种变流器的LVRT方案，主要技术方向为：直流母线并联动态卸荷电阻Chopper-R，维持直流母线电压的稳定；采用转子并联CROWBAR电路，将机侧变流器短接，通过CROWBAR-R消耗转子过电流，保护发电机；控制Chopper-R、CROWBAR电路的切入、切出时间，获得较好的机电暂态效果；改进软件控制方案，改进网侧变流器的控制方案，使其在故障期间运行于statcom状态，为电网提供无功支持。

可见CROWBAR是变流器非常重要的保护电路，如果出现了电网故障，CROWBAR电路也故障，而变流器投入了并网使用，机组失去了CROWBAR电路的保护，很可能会造成变流器、发电机的严重损坏。因此，无论是主动式CROWBAR还是被动式CROWBAR，在变流器并网前，检测CROWBAR电路能否被正常触发、是否可靠是非常重要的工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种风电变流器的CROWBAR电路测试装置及方法，以解决当电网故障，CROWBAR电路也故障时，变流器投入并网使用，机组失去了CROWBAR电路的保护所造成的变流器、发电机损坏的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种风电变流器CROWBAR电路的测试装置该测试装置包括预充电回路、机侧变流器以及双馈式感应发电机，双馈式感应发电机的定子线圈通过断路器接入电网，双馈式感应发电机的转子侧与机侧变流器相连，双馈式感应发电机的转子侧与机侧变流器之间设置有用于与待测CROWBAR电路连接的三相连接点，预充电回路与机侧变流器直流母线相连，用于为机侧变流器的直流母线充电以及为双馈发电机提供空载励磁电流。

所述的预充电回路包括滤波电感和预充电二极管整流桥，滤波电感一端通过接触器接入电网，另一端通过预充电二极管整流桥接入到机侧变流器的直流母线端。

所述的预充电二极管整流桥的正负极和机侧变流器直流母线电容的正负极之间分别连接有由接触器和电阻并联构成的选择电路。

本发明为解决上述技术问题还提供了一种风电变流器的CROWBAR电路测试方法，该测试方法的步骤如下：

1）对机侧变流器的直流母线进行充电，并为双馈发电机提供空载励磁电流；

2）设置变流器直流母线电压阈值，当机侧变流器的直流母线电压达到阈值后，启动机侧变流器GSC，使机侧变流器GSC进入空载控制模式；

3）设置触发CROWBAR电路的阈值，判断双馈发电机的转子电流是否大于阈值，如果双馈发电机的转子电流大于阈值，即Ir＞Ir*时，触发CROWBAR电路的开关信号，并将触发CROWBAR电路的信号反馈给机侧变流器；

4）判断机侧变流器是否检验到CROWBAR测试的反馈信号，如果检测到反馈信号，则说明CROWBAR电路能够被正常触发，否则说明CROWBAR电路出现故障，需要检修。

所述的触发CROWBAR电路的阈值Ir*＜|-ψ₁/L_m|，其中ψ₁为双馈发电机定子磁链的大小，L_m为定转子互感。

所述的步骤2）中空载控制模式的控制过程如下：

a.对电网电压信息进行检测，经坐标变换后，获得电压的幅值u_m及相角θ_u；

b.根据电压滞后磁链90°的相位关系，可求出发电机定子磁链的大小ψ₁及空间相位θ₁；

c.检测发电机转子的位置角θ₂，实现控制变量的坐标旋转变换；

d.将 作为转子电流指令，通过对转子实际电流的对比，经PI调节器可得到转子电压指令值和

e.将得到的转子电压指令值和分别进行坐标转换得到和作为发电机转子两相静止坐标系下的指令，对和进行空间矢量脉宽调制，机侧变流器GSC根据上述指令调节转子励磁电流，使得发电机的定子输出电压满足并网要求。

所述的空载启动瞬间，为防止GSC电流的突升，需要设置的爬坡率，使其缓慢逼近-ψ₁/L_m。

所述的测试过程中如果由于电网电压过低的波动，导致GSC控制回路的带宽控制不佳造成的实际转子电流Ir较小，达不到Ir*，无法对CROWBAR进行测试时，需要对CROWBAR电路再次进行测试，直至转子电流Ir达到Ir*。

本发明的有益效果是:本发明在网侧变流器LSC启动前，通过启动预充电回路，为机侧变流器的直流母线充电，同时为双馈发电机DFIG提供空载励磁电流；设置变流器直流母线电压阈值，当机侧变流器的直流母线电压达到阈值后，启动机侧变流器GSC，使机侧变流器GSC进入空载控制模式；设置触发CROWBAR电路的阈值，当双馈发电机的转子电流大于该阈值，触发CROWBAR电路的开关信号，并将触发CROWBAR电路的信号反馈给机侧变流器；通过机侧变流器是否检验到CROWBAR的反馈信号来判断CROWBAR能否正常工作。从而实现网侧变流器不启动，机侧变流器不并网条件下，对CROWBAR电路进行测试，避免了当电网故障，CROWBAR电路也故障时，而变流器投入了并网使用，导致机组失去CROWBAR电路的保护，造成变流器、发电机的严重损坏的问题。

附图说明

图1是本发明风电变流器的CROWBAR电路测试装置的结构图图；

图2是本发明风电变流器的CROWBAR测试过程中机侧变流器GSC的空载控制模式结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种风电变流器CROWBAR电路测试装置的实施例

如图1所示，本发明风电变流器CROWBAR电路测试装置包括预充电回路、机侧变流器和双馈式感应发电机，双馈式感应发电机的定子线圈通过断路器Q1接入电网，双馈式感应发电机的转子侧与机侧变流器相连，预充电回路与机侧变流器直流母线电容端相连，用于为机侧变流器的直流母线充电以及为双馈发电机提供空载励磁电流，待测的CROWBAR电路并接在双馈式感应发电机的转子侧与机侧变流器之间，预充电回路包括滤波电感L和预充电二极管整流桥，滤波电感L一端通过接触器Q2接入电网，另一端通过预充电二极管整流桥接入到机侧变流器的直流母线端，预充电二极管整流桥和机侧变流器直流母线端之间设置有选择电路，该选择电路包括电阻R1、R2、接触器Q3和Q4，电阻R1和接触器Q3并接在二极管整流桥的正极和机侧变流器直流母线的正极之间，电阻R2和接触器Q4并接在二极管整流桥的负极和机侧变流器直流母线的负极之间，这里我们采用电网相电压峰值565V，滤波电感L=22mH，电阻R1=R2=22Ω，预充电电路稳态时，直流母线电压为 $U_{\mathrm{dc}}=\sqrt{3}*565=978.58V.$

其工作过程如下：在网侧变流器LSC启动前，启动预充电回路，为网侧和机侧变流器的中间直流环节-直流母线充电，同时为双馈发电机DFIG提供空载励磁电流，充电过程中，刚开始充电时，接触器Q3、Q4断开，预充电直流端走电阻R1、R2回路，以减少启动电流的冲击，当充电1s后，接触器Q3、Q4闭合，短接电阻R1、R2，为直流母线和机侧变流器GSC提供更多的能量，当机侧变流器的直流母线电压达到预设值后，启动机侧变流器GSC，使机侧变流器GSC进入空载控制模式，设置触发CROWBAR电路的阈值，双馈发电机的转子从预充电回路中获得励磁电流，判断该转子电流是否大于阈值，如果转子电流大于阈值，触发CROWBAR电路的开关信号，并将触发CROWBAR电路的信号反馈给机侧变流器，机侧变流器检验到CROWBAR测试的反馈信号，说明CROWBAR电路测试成功，否则说明CROWBAR电路出现问题。从而实现网侧变流器LSC不启动，机侧变流器不并网条件下，对CROWBAR电路进行测试。

本发明的一种风电变流器CROWBAR电路测试方法的实施例

下面以2MW双馈型风电变流器为例，来具体阐述本发明的具体实施过程。

本发明一种CROWBAR电路的测试方法，在变流器并网前，检测CROWBAR电路能否正常工作，其电路图如图1所示，包括预充电回路、双馈发电机DFIG、机侧变流器、定子断路器和Crowbar电路，预充电回路主要包括接触器Q2、滤波电感、预充电二极管整流桥和电阻。该风电变流器的CROWBAR电路测试方法的具体步骤如下：

1.在网侧变流器LSC启动前，启动预充电回路，为网侧和机侧变流器的中间直流环节-直流母线充电，使网侧变流器LSC并网过程平滑，避免了启动电流和电压的突变，同时为双馈发电机DFIG提供空载励磁电流。

2.设置变流器直流母线电压阈值，当机侧变流器的直流母线电压达到阈值后，启动机侧变流器GSC，使机侧变流器GSC进入空载控制模式，其控制原理如图2所示，具体的控制过程如下：

首先对电网电压信息进行检测，经坐标变换后，获得电压的幅值u_m及相角θ_u，根据电压滞后磁链90°的相位关系，求出发电机定子磁链的大小及空间相位θ₁＝θ_u+90°，通过传感器检测出转子的位置角θ₂，实现控制变量的坐标旋转变换；

将作为转子电流指令，通过对转子电流的检测与变换可得到转子电压指令值同理，可获得转子电压指令值经坐标变换后，将作为转子两相静止坐标系下的指令经空间矢量脉宽调制后，驱动PWM变流器，调节转子励磁电流，使得发电机的定子输出电压满足并网要求，实现系统的空载并网。空载控制模式下，外环为开环控制，内环电流为闭环控制，在空载启动瞬间，为防止GSC电流的突生，设置的爬坡率，使其缓慢逼近。

3.设置CROWBAR测试模式下的触发逻辑条件为Ir*＜Iref，Iref为GSC空载控制模式下的转子电流的指令值，I_ref＝|-ψ₁/L_m|，其中ψ₁为双馈发电机定子磁链的大小，L_m为定转子互感，判断双馈发电机的转子电流是否大于阈值，如果双馈发电机的转子电流大于阈值，即Ir＞Ir*时，触发CROWBAR电路的开关信号，并将触发CROWBAR电路的信号反馈给机侧变流器。

4.判断机侧变流器是否检验到CROWBAR测试的反馈信号，如果检测到反馈信号，则说明CROWBAR电路能够被正常触发，否则说明CROWBAR电路出现故障，需要对CROWBAR电路进行检修和更换。

当电网电压过低的波动，GSC控制回路的带宽控制不佳造成的实际转子电流Ir较小，达不到Ir*，起不到测试CROWBAR的效果，此时可以多尝试几次测试CROWBAR电路。

本发明涉及变流器并网之前，检测CROWBAR电路能否正常工作的装置及方法，以实现网侧变流器LSC不启动，机侧变流器GSC不并网的条件下，对CROWBAR电路进行测试，这是一种经常性的工作，需要将CROWBAR测试模式写进变流器的状态机中，实现CROWBAR与变流器的软件关联，同时CROWBAR测试是由软件自动控制实现的，避免了过多的人力用在启动预充电、机侧空载和CROWBAR测试一些列流程中给客户带来应用的不便。

本申请受国家高科技研究发展计划（863计划）课题资助，课题编号：2012AA050206。

Claims (4)

1.一种风电变流器的CROWBAR电路的测试方法，其特征在于：该测试方法的步骤如下：

1)对机侧变流器GSC的直流母线进行充电，并为双馈发电机提供空载励磁电流；

2)设置机侧变流器GSC直流母线电压阈值，当机侧变流器GSC的直流母线电压达到阈值后，启动机侧变流器GSC，使机侧变流器GSC进入空载控制模式；

3)设置触发CROWBAR电路的阈值，判断双馈发电机的转子电流是否大于阈值，如果双馈发电机的转子电流大于阈值，即Ir>Ir*时，触发CROWBAR电路的开关信号，并将触发CROWBAR电路的信号反馈给机侧变流器GSC；

4)判断机侧变流器GSC是否检验到CROWBAR电路的反馈信号，如果检测到反馈信号，则说明CROWBAR电路能够被正常触发，否则说明CROWBAR电路出现故障，需要检修；

所述的步骤2)中空载控制模式的控制过程如下：

a.对电网电压信息进行检测，经坐标变换后，获得电压的幅值u_m及相角θ_u；

b.根据电压滞后磁链90°的相位关系，可求出发电机定子磁链的大小ψ₁及空间相位θ₁；

c.检测发电机转子的位置角θ₂，实现控制变量的坐标旋转变换；

d.将 作为转子电流指令，通过与转子实际电流的对比，经PI调节器可得到转子电压指令值和其中，ψ₁为双馈发电机定子磁链的大小，L_m为定转子互感；

e.将得到的转子电压指令值和分别进行坐标转换得到和 和作为发电机转子两相静止坐标系下的指令，对和进行空间矢量脉宽调制，机侧变流器GSC根据和调节转子励磁电流，使得发电机的定子输出电压满足并网要求。

2.根据权利要求1所述的风电变流器的CROWBAR电路的测试方法，其特征在于：所述的触发CROWBAR电路的阈值Ir*<|-ψ₁/L_m|，其中ψ₁为双馈发电机定子磁链的大小，L_m为定转子互感。

3.根据权利要求1所述的风电变流器的CROWBAR电路的测试方法，其特征在于：空载启动瞬间，为防止机侧变流器GSC电流的突升，需要设置的爬坡率，使其缓慢逼近-ψ₁/L_m。

4.根据权利要求2所述的风电变流器的CROWBAR电路的测试方法，其特征在于：测试过程中如果由于电网电压过低的波动，导致机侧变流器GSC控制回路的带宽控制不佳造成的实际转子电流Ir较小，达不到Ir*，无法对CROWBAR电路进行测试时，需要对CROWBAR电路再次进行测试，直至转子电流Ir达到Ir*。