双馈系统crowbar电路设计

　　双馈风力发电机组是目前风电领域的主流机型，在已安装的风力发电机中，70%以上都是双馈系统。对变流器而言，双馈系统的主要优点是只有部分功率流过变流器，且有功和无功可以单独调节。然而，正是由于变流器容量较小，使得它对电网故障非常敏感，需要采取可靠的保护措施，以防止变流器中功率器件的损坏。

　　如前所述，在电网电压跌落的过渡过程中，在双馈电机定子磁通中出现了衰减的直流分量，当发生不对称跌落故障时还会出现负序分量。直流分量和负序分量对以较高转速运转的双馈电机转子而言都会形成较大的转差率，从而在双馈电机转子电路中感生出较大的转子电压和转子电流。转子电路中较高的暂态电流量和电压量对转子变流器中脆弱的半导体变流器件的安全运行构成了威胁。

　　在风力发电尚未形成规模的时候，风力发电机主要是从自我保护的角度来设计Crowbar电路，这一段时间所采用的Crowbar电路多为被动式，即所谓的“晶闸管”Crowbar电路。当电网发生电压跌落时，其通常的方法是通过可控硅直接将双馈电机短路，此时双馈电机作为鼠笼式异步电机运行；当电网故障消除时，双馈发电机定子侧脱网，可控硅关断，双馈电机重新并网运行。当采用被动式Crowbar时，双馈发电机在电网故障的情况下一直以鼠笼式异步发电机的状态运行，需要从电网吸收大量的无功功率。自从2003年德国E.ON公司首次对风力发电提出并网要求以来，传统的风力发电机基于被动式Crowbar电路已经不能满足电力运行商对风力发电提出的新要求。为了满足电力运行商对风力发电的进一步要求，需要撬棒电路动作后能在适当的时候断开，保证在风机不脱网的情况下转子变流器重新开始工作，于是出现了新型的可以在任意时刻切断转子回路的“主动式Crowbar”保护电路。在主动式Crowbar保护电路中常配备有IGBT等可关断器件。

　　详细分析了双馈风力发电机组在电压跌落期间工作特性的基础上，以1.5MW双馈为例，设计了Crowbar主电路及其控制电路，并在2MW实验平台上进行了实验验证。

　　常见的几种主动式的Crowbar电路结构如图3-1所示。

　　图3-1（a）所示电路每个桥臂由控制器件如晶闸管和二极管串联组成。图3-1（b）所示电路每个桥臂由两只反并联可控硅组成，上述两种方式是通过控制晶闸管的导通投入Crowbar电路，利用晶闸管过零关断的特性切除。图3-1（c）和图3-1（d）采用IGBT作为开关器件，其中图3-1（c）每个桥臂采用一只IGBT控制旁路电阻的投切，采用的IGBT数量较多，成本较高，图3-1（d）先经过二极管整流，再通过IGBT投切旁路电阻，仅使用一只IGBT即可，且二极管的过流能力极强，容量可选择相对较小。从工程角度来说，成本相对较低。本文选择图3-1（d）的电路结构作为Crowbar主电路。

　　IGBT的选择依据需要考虑的因素主要包括旁路电阻的大小和Crowbar电路的工作时间。

　　以1.5MW双馈系统为例，考虑恶劣的情况，当电网跌落至0且风机系统满载运行时，此时1.5MW的能量需要通过Crowbar中的旁路电阻消耗掉，因此可以得出电阻的大小为R=690*690*1.732/1.5MW=0.549Ω，考虑电阻在高温时10%的温度漂移，实际选择的电阻大小为0.49Ω。

　　根据系统控制方式，Crowbar电路一般在电网跌落和恢复的瞬间投入，其中电压跌落时的冲击，电压恢复时可根据系统需要及采用的控制模式确定是否需要投入Crowbar。根据系统LVRT工作模式的设计，在电网电压跌落时，Crowbar的工作时间一般为60-80ms。实际工作时间由转子侧电流和电压确定。

　　在此段时间内，IGBT一直保持导通。

　　由上述电阻的大小可得出IGBT工作时的电流，由Crowbar电路的工作时间可确定IGBT的热容量。并结合IGBT的工作特性即可选择IGBT的额定电流。IGBT的额定电压等级选择与变流器主电路相同，为1700V。实际选择的IGBT为1700V，2400A。

　　由于旁路电阻本身具有一定的自感，为了IGBT关断后给其提供续流回路，需要在旁路电阻两端并一个功率较小的二极管，二极管的具体参数由旁路电阻的ESL确定。

　　同时为了尽可能的降低IGBT开关回路的寄生电感，以减小IGBT关断电压尖峰，IGBT和整流二极管及旁路电阻的续流二极管需要就近放置。同时给IGBT设计吸收电路。

　　详细的Crowbar主电路图如图3-2所示。

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　　3.3 crowbar控制电路设计

　　由前面分析可知，当电压跌落时，双馈系统的表现为转子侧出现过流和过压，因此将转子电流和电压作为Crowbar工作时判断的基本条件。通过检测转子电压，和基准值比较后，控制Crowbar电路中的IGBT的导通，通过判断Crowbar电路交流电流，和基准值比较后，控制Crowbar电路中的IGBT的关断。详细的控制电路如图3-3所示。图3-3（a）为Crowbar单元控制电路结构，它包括Crowbar单元主电路，转子侧电压检测电路，Crowbar单元三相交流电流检测单元。图3-3（b）为IGBT的驱动电路。它包含IGBT驱动及IGBT的保护电路，基本的工作原理如下：

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　　3.3.1 Crowbar的投入

　　Crowbar投入的条件，即IGBT导通的条件为：检测到转子侧出现过压。

　　利用Crowbar单元主电路中的三相二极管，将转子电压侧三相交流电压变换为直流电压，经过适当的滤波，检测这个直流电压，并和基准电压Vref1比较，正常情况下，比较器输出为低电平，当检测到该直流电压超过一定值后，比较器动作，输出高电平，通过IGBT的驱动电路触发IGBT导体。为了提高控制电路的抗干扰能力，防止误触发，采用差分电路对直流电压进行检测。

　　3.3.2 Crowbar的切除

　　Crowbar中的IGBT导通后，转子侧的电流全部转移到Crowbar单元。全部的压降都降落在旁路电阻上。直流电压的降低将导致其失去对Crowbar的控制，而此时转子侧的电流可能仍然会超过机侧变流器的承受范围，此时需要通过判断Crowbar单元的三相交流电流作为Crowbar是否需要继续工作的条件。本文采用电流互感器检测三相交流电流，并和基准值Vref2比较。当电流高于一定值时，IGBT继续导通，当电流低于一定值后，比较器输出变为低电平，IGBT关断，Crowbar单元切除。

　　3.3.3 IGBT驱动电路

　　图3-3（b）为IGBT的驱动电路，本文选择concept公司开发的、专用于大功率IGBT的驱动芯片2SD300C17作为驱动器，设计了外围电路，包括驱动器原边的输入信号处理、电源滤波及副边的过压保护及过流保护电路。关于2SD300C17的详细介绍参见本章附录1。 （1）驱动器原边电路设计 1） 驱动板供电电源设计

　　驱动板内部共需要15V和5V两路电源，15V为驱动器内核提供电源，5V为光纤头提供供电。其中15V供电由外部的24/15V电源模块提供，5V则由三端稳压器H7805通过15V转换获得，给光纤头供电。如图3-4所示，它包含了滤波电路和保护电路。

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　　2）光纤信号接收电路

　　为了提高系统抗干扰能力，驱动信号采用光纤传输。光纤输入信号是由图3-3（a）中产生的逻辑信号经过光纤转换器转换产生，通过光纤传输至驱动板。驱动板上设计了光信号接收电路，如图3-5所示。

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　　3）故障信号处理

　　2SD300C17的SOX脚为故障信号输出端，在正常工作时该脚为高电平，出现故障封锁时或供电欠压时呈高阻态，输出为低电平。图3-6为驱动板故障信号处理电路，一方面通过LED显示故障，另一方面通过光纤把故障信号返回给柜体的主控制板。

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　　（2）驱动器副边电路设计

　　驱动器副边电路如图3-7所示。它包含驱动信号处理电路、过流过压保护电路。

　　1）过流及短路保护电路

　　2SD300C17通过检测IGBT开通后Vce的电压来判断是否出现过流或短路状态的，管子开通后，经过一定的响应时间芯片才开始检测vce的电压（该时间由图3-7中R19和C26确定），如果这个电压大于由Rth和Cth确定的动态基准电压Vth时，芯片便认为短路或过流故障发生，关闭PWM输出，同时输出故障FA信号。

　　2）有源箝位及软关断电路

　　当芯片检测到短路或过流而需要关断开关管时，较大的di/dt会在开关管两端产生较大的电压尖峰，从而可能会损坏开关管。为防止这种情况发生，2SD300C17芯片设置了软关断功能，如图3-7所示，R26即为软关断电阻，其作用是在检测到短路或过流而关断开关管时，内部输出电容反向充电，IGBT的输入电容Cies和米勒电容Cres缓慢放电，减缓驱动的关断速度，从而减小开关管的电压尖峰。软关断不是在任何情况下都可以防止过电压，例如当短路时开关管的导通时间小于检测响应时间，则软关断便不起作用。此时该芯片通过电压箝位电路来保证开关管不会关断时电压尖峰而损坏。在上图中，通过设置合适的Z4、Z5、Z7、Z8来确定电压尖峰的限值，当vce大于该值时，电流从C1端子通过R18流向门极，当该电流足够大时，会出现二次开通的现象，终目的还是减小关断尖峰。

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　　3.4 仿真与实验

　　3.4.1 驱动电路测试

　　（1）过压保护测试

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　　图3-8为驱动电路过压保护动作波形，由图可见，在IGBT关断过程中出现了较高的电压时，有源钳位电路动作，及门极驱动信号再次由低电平变为高电平，使IGBT导通，以降低过高的关断电压尖峰。 （2）短路测试

　　取Rth=12k，Cth=560pF，此时短路响应时间在6us左右。图3-9为分别在Vdc=50V和Vdc=1100V时的短路波形（CH1为驱动波形，CH3为短路电流波形，CH4为Vce波形）。

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　　从图中可以看出，短路发生5.72us后开关关断，软关断的作用使得驱动电压下降的缓慢，控制了关断时的电压尖峰。

　　3.4.2 系统实验

　　为了对上述问题的分析进行验证，在1.5MW双馈试验台上进行了实验验证。实验结果如下：

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　　实验结果表明，所设计的Crowbar在电压跌落期间反应快速，工作稳定，在对变流器实现较好的保护功能的同时，配合变流器系统实现了低电压穿越功能。

　　3.5 本章小结

　　本章详细分析了双馈风力发电系统在电压跌落期间的工作特性，在此基础上设计了Crowbar单元的主电路及其驱动电路。并以1.5MW双馈为例，为系统详细的设计了硬件电路，进行了试验验证。试验结果表明，在低电压穿越期间，所设计的Crowbar电路动作及时，不仅对变流器实现了很好的保护功能，且配合变流器系统较好的实现了低电压穿越功能，满足目前国家电网关于风电接入电网的规定。