低电压穿越控制技术..doc

电网正常条件下双馈风力发电变换器的控制技术DFIG变速恒频运行，通过控制转子侧和网侧变换器来实现有功、无功功率的独立调节。转子侧变换器的主要作用是为转子提供励磁电流，而励磁电流可以分为励磁分量和转矩分量两部分。其中调节励磁电流分量可调节定子侧所发出的无功功率，调节转矩电流分量控制电磁转矩，进而控制定子侧所发出的有功功率，使风力机运行在最佳功率曲线上，实现最大风能捕获。风速的变化会引起双馈发电机运行状态的变化，进而导致直流侧电流的变化，从而引起直流侧电压的变化。直流侧电压的变化会引起整个风力发电系统的性能恶化，所以网侧变换器的主要控制目标就是保持直流侧电压恒定而不受上述因素的影响，同时又可以控制功率因数。网侧变换器的另一任务是保证其良好的输入特性，即输入电流波形接近正弦，谐波含量少，功率因数符合要求，理论上可获得任意可调的功率因数，为整个风电系统的功率因数控制提供了另一种方法。 双馈风力发电系统是一个多变量、时变、强耦合的高阶非线性系统，其运行控制复杂。目前对于理想电网电压条件下DFIG风力发电机系统、包括网侧、转子侧变换器的控制策略业已进行了大量的研究工作Error! Reference source not found.。如经典的矢量控制(Vector Control-VC)和直接转矩控制(Direct Torque Control-DTC)在DFIG风电机组得到广泛应用。矢量控制根据定向方式的不同又可分为电压定向(SVO-VC)和磁链定向(SFO-VC)。而针对网侧变换器而言，变换器的控制就可以分为基于电网电压定的矢量控制(VOC)和直接功率控制(VDPC)以及基于虚拟磁链定向的矢量控制(VFOC)和直接功率(VFDPC)控制四种。1 矢量控制由于DFIG是个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流异步电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，即磁通和转矩之间的解耦，将整个系统分解为两个独立控制的子系统。实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著的提高和改善。因此，对双馈电机而言，采用矢量控制是极具有吸引力的，无论双馈电机是作为电动机运行还是作为发电机运行，根据不同的控制目标，可以实现速度和定子无功功率（或磁通）的解耦控制或者定子端口无功功率和有功功率的解耦控制。其控制方程为： (1-1)目前，双馈系统中可选择的定向向量有定子磁链、气隙磁链、转子磁链、定子电流和转子电流向量等。如图1-1所示为：DFIG功率解耦的矢量控制框图。图1-1 DFIG功率解耦的矢量控制框图Fig.1-1 The diagram of DFIG power decoupled vector control将矢量控制方法应用到双馈风力发电系统当中，可以大大简化控制策略。矢量控制是通过坐标变换，将定转子的电压、电流、磁链等变换到两相同步旋转坐标系当中，将双馈电机等效为它励直流电动机，从而实现对其转矩、励磁分量或有功、无功功率的解耦控制，具有良好的动态性能和抗干扰能力。以转子侧变换器定子磁链定向矢量控制(SFO-VC)为例，S. Wang和Y. DingError! Reference source not found.等利用气隙磁场定向实现了有功和无功功率的解耦控制，并分析了其稳态性能。这种励磁控制模型忽略了定子漏阻抗和转子漏感，同时近似地认为气隙磁链为常数，使励磁控制模型的精度下降。R.Pen等Error! Reference source not found.提出了并网型定子磁场定向控制的双馈发电机数学模型，背靠背变换器的控制系统构成及设计，以及在电流控制模式和速度控制模式下，获得最大风能跟踪以及有功、无功和转速的独立控制。Arantxa Tapia 等Error! Reference source not found.-30分析了基于并网型定子磁场定向控制的双馈发电机数学模型，定子有功、无功功率的负载曲线，以及系统净有功、净无功、净功率因数与定转子有功、无功及功率因数之间的关系。重庆大学的杨顺昌、廖勇等提出通过控制转子电压向量在动态同步坐标轴系上的投影来实现有功、无功和转速的独立控制。由于定子频率一般为工频，使得在推导励磁控制模型时忽略定子电阻不会带来较大的误差，并且以定子磁场定向时，控制系统可以变得较为简单，但是也存在着定子磁链近似为常数的问题。尽管双馈电机的矢量控制策略有上述局限性，但相对于其它控制策略而言，矢量控制实现起来较为容易，并且具有较强的鲁棒性，如果采用定子电压定向，其电压向量角的获得也较为容易，因此矢量控制策略目前在双馈电机的控制系统中应用较为广泛。双馈电机稳态数学模型发电机作为风力发电系统的重要设备，其动态性能直接关系到风力发电机所发出电能质量以及单机、风电场甚至整个电力系统的动态稳定性。无论是系统仿真分析研究，还是对双馈电机本身的运行控制特性进行研究的需要，都离不开双馈电机的数学模型，而且稳态电机数学模型是研究电网故障状态下电机动态性能的基础。因此这一节将给出采用双馈电机在三相静止坐标系和同步旋转坐标系下的双馈电机数学模型。三相静止坐标系下的数学模型在研究双馈电机的数学模型时，定子侧采用发电机惯例，定子电流以流出为正，转子侧采用电动机惯例，转子电流以流入为正。为了研究方便，常作如下的假设：(1) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差120电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布；(2) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；(3) 忽略铁心损耗；(4) 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。无论电机转子是绕线型还是笼型的，都将它等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数都相等。这时，根据规定的正方向，可得到双馈电机在静止三相坐标系下的数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成Error! Reference source not found.-103。 DFIG绕组可等效成图2-1所示的物理模型。图中，定子绕组轴线A、B、C在空间对称分布且固定，转子绕组轴线a、b、c亦对称分布且随转子旋转，定子A轴和转子a轴之间的夹角用r 来表示。这样，在三相静止坐标系中的数学模型可描述为：图2-1双馈发电机的物理模型Fig.2-1 The physical model of DFIG (1) 电压方程三相定子电压方程： (2-1)三相转子电压方程： (2-2)其中： ，定、转子相电压瞬时值，下标s、r分别表示定子和转子；，定、转子相电流瞬时值；，定、转子各相绕组磁链；、定、转子绕组等效电阻。(2) 磁链方程： (2-3)式中：其中：与定子绕组交链的最大互感磁通对应的定子互感；与转子绕组交链的最大互感磁通对应的转子互感，；、分别为定、转子漏电感；为转子轴和定子A轴间的位置角(电角度)，对取微分得到转子电角速度，。(3) 转矩方程： (2-4)式中，为发电机的电磁转矩，np为电机极对数。(4) 运动方程： (2-5)式中，为风力机提供的拖动转矩，为发电机的转动惯量，为与转速成正比的阻转矩阻尼系数，为扭转弹性系数。同步旋转坐标系下的数学模型对于交流励磁电机来说，在电机的运行过程中，交流励磁电机定、转子中的电流频率通常是不同的，定子中电流一般为工频交流量，而转子中电流一般为转差频率的交流量，并且整个交流励磁电机系统是一个强耦合系统，如果简单的对交流电流进行闭环控制而不进行解耦，则系统运行的效果会并不理想。在A、B、C三相坐标系下的双馈电机数学模型中，由于电机转子的旋转运动，使得定转子之间的互感为定转子间位置角的余弦函数，从而使描述电机特性的数学方程成为一组非线性、时变系数的微分方程组，不利于系统的分析研究，在对系统进行分析时通常可以借助坐标变化的方法对其进行简化。而对于对称的三相正弦量，在同步旋转d-q系中可以表示成直流量的形式，从而可以使系统的分析得到进一步简化。在功率守恒原则下，三相静止ABC坐标系到两相静止-坐标系的变换关系可用如下矩阵来表示：(2-6)对于三相无中线系统，由于iA+iB+iC=0，即有iC=-iA-iB，电流变换方程可简化写为：(2-7)同样，当uA+uB+uC=0时，电压变换矩阵与式(2-7)相同。从两相静止-坐标系到两相同步旋转d-q坐标系的变换阵为：(2-8)其中，为轴和d轴的夹角。所以，从三相静止ABC坐标系到两相同步旋转d-q坐标系的变换阵为：(2-9)利用式(2-8)和(2-9)的坐标变换关系，到两相任意速旋转d-q坐标系中的数学模型，将三相定子静止坐标系中数学模型变换如图2-2所示。图2-2双馈感应发电机在两相旋转坐标系下的模型Fig.2-2 Model of the DFIG in the d, q rotating coordinate假设两相旋转坐标系以工频1的角速度旋转，将三相静止坐标系下发电机定、转子的电压、电流、磁链转换为两相同步坐标系d-q下的数学模型可由下述电压方程、磁链方程、电磁转矩方程组成Error! Reference source not found.-103。电压方程： (2-10)磁链方程： (2-11)电磁转矩方程： (2-12)式中：，分别为定、转子d、q轴电压；，分别为定、转子d、q轴电流；，分别为定、转子d、q轴磁链；，分别为定子的电阻和自感；，分别为转子的电阻和自感；为d-q坐标系下同轴定、转子间的等效互感； 为d-q坐标系的旋转角速度；为d-q坐标系相对转子的角速度。以上方程一起构成了双馈电机在d-q坐标系下的数学模型。双馈电机仍然存在着耦合，特别是同轴的绕组之间的耦合比较密切。但是，与三相坐标系下的电机模型相比较，非线性因素明显的减少。这也是坐标变换的最终目的所在，也为以下分析双馈电机的矢量控制策略奠定了基础。网侧变换器数学模型网侧变换器的数学模型是对其实施控制的基础，其主电路拓扑结构如图2-3所示，其中ek、ik（k=1,2,3）为交流电源电压和电流， L为三相进线电感，RL为电感等效电阻，R1为开关管导通电阻，C为滤波电容。图2-3网侧PWM变频器拓扑结构图Fig.2-3 Grid-side PWM converter topology定义三相桥臂开关函数Sk(ka，b，c)： (2-13)由于每相上下桥臂的开关管不能同时导通，即在同一时刻只能有一个导通， 一个关断（这里暂不考虑“死区”），所以SkSk1，根据图2-3，对于第k相有： (2-14)其中，R1是开关管等效导通电阻，VNo是直流侧负载端到三相中点的电压。将SkSk1代入上式，整理得： (2-15)其中，RRLR1为每相总的串联电阻。对于三相无中线系统，满足，如果三相电压理想对称，则有。如果将三相电压方程相加，化简后可以推出： (2-16)因此，式(2-15)变成： (2-17)对图2-3所示电路中的滤波电容C，应用基尔霍夫电流定律有： (2-18)这样，式(2-17)和(2-18)组成的微分方程组可以完整地描述图2-3中的三相变频器电路。一般的可将其写成矩阵形式的微分方程： (2-19)其中：,，将状态方程(2-19)转换为在同步旋转坐标系d-q下的表达式(2-20)，因为在同步坐标系中各量稳态时为直流量，采用PI调节器可以实现电流的零稳态误差，电流的瞬态响应也快一些Error! Reference source not found.。 (2-20)其中，Sd、Sq是开关函数Sk(k = 1, 2,3 )变换到d-q坐标系中的d、q轴相应的开关函数。由上面的方程可得： (2-21)式中，ud、uq是变换器交流侧的输出控制电压： (2-22)双馈发电系统电网故障穿越技术的研究现状常见电网故障类型瞬态电网电压骤降或跌落指电力系统的高压端某处电压瞬时跌落10%-90%的额定电压幅值，并持续半个电网周期到几分钟时间的电网故障。它主要是由于电力系统短路故障所引起的，引起故障的主要原因有：绝缘材料的自然老化、机械损伤、雷电或操作过电压、认为操作失误等。另外，鸟、兽、树、飞行物等跨接在裸露的载流部分或者毁坏支撑设备，以及严重的风、雪、雹等自然灾害都会引起短路故Error! Reference source not found.。凡造成电力系统运行不正常的任何连接和各种操作均称为电力系统故障，这种由电网故障产生的电压跌落非常复杂，在三相系统中，其故障类型大致可以分为四种，分别为单相接地短路，两相接地短路，两相相间短路，三相短路Error! Reference source not found.-42。表1-1电网故障类型发生的百分比Table1-1 The percentage of grid failure type故障类型故障发生概率(%)单相接地故障75-80两相相间短路8-15两相接地短路4-10三相短路3-5从风力发电机的PCC点来看，电机端口电压由好多因素决定，其中包括戴维南等值电路，电网故障的位置、类型、阻抗以及接口变压器的特性等。但是不难发现，只有当电网电压发生对称的故障时，机端电压反映为三相对称电压跌落，故障后仅有正序电压成分，如图1-2(a)所示。而其它三种类型故障均产生机端负序电压，其中(b)为电网单相对地故障产生机端电压向量图，(c)为电网两相相间短路故障在电机机端产生电压向量图，(d)电网两相对地故障在电机机端产生的电压向量图。图1-2 DFIG机端故障类型Fig.1-2 DFIG stator side fault type电网电压故障对双馈电机的影响DFIG都是定子侧直接联接电网，电网电压降落直接反映在电机定子端电压上。根据楞次定律，由于定子磁链不能发生突变，所以电机中会出现直流成分。当电网发生不对称故障时还会出现负序分量。定子磁链的直流量和负序分量相对于以较高转速运转的电机转子会形成较大的转差(转差频率分别在s和2s附近，s为同步角频率)，从而感生出较大的转子电动势，并产生较大的转子电流，导致转子电路中电压和电流大幅增加Error! Reference source not found.。再由于DFIG转子励磁变换器容量有限，只能对发电机实施有限能力的控制，与基于全功率变换器的风力发电系统相比，DFIG风电系统表现出对电网故障非常敏感，承受能力也较差。定、转子过电压、过电流如若不采取改进的控制方案和正确的保护措施，容易损坏发电机的绝缘，降低发电机的使用寿命。由于半导体器件的热时间常数非常小，所以转子侧变换器极易遭受到故障电流的损坏，变换器直流过电压会对电容器造成损坏Error! Reference source not found.-45。这严重危害了风电机组核心部件的安全，导致发电系统停机、脱网。而发电机自身具有抵御短时间过流的能力，所以最根本的保护是防止转子侧变换器过流。电网稳态小值不平衡故障和不对称故障均是在DFIG机端电压产生一定的不平衡电压，即出现负序电压。如果DFIG控制系统设计中未曾考虑电压不平衡的可能，很小的不平衡电压将造成定子电流的高度不平衡、转子电流严重畸变，致使定、转子绕组产生不平衡发热，发电机电磁转矩产生脉动，导致输向电网的功率发生振荡Error! Reference source not found.-47。若相对于电网风电机组的容量足够大，这种缺乏不平衡电压控制能力的DFIG机组势必导致系统功率的波动，影响电网的稳定性，将不得不从电网中解列。国内外电网对风力发电系统低电压穿越（LVRT）相关规定以往，与常规火电、水电、核电等发电厂相比，风电容量相对很小，所以在电网发生故障时，为保证风电机组自身安全，往往简单采取脱离故障电网的自我保护措施，待电网电压恢复正常时，再投入电网运行。随着国内外大型风电场的投入运行，风力发电在电力能源所占比例越来越大，风力发电系统对电网的影响已经不能忽略Error! Reference source not found.。对于风电场容量比较大，对电网接入点潮流影响较大时，风力发电机组的离网将会造成电网电压和频率的振荡，甚至崩溃。这样会给临近风场负荷和当地的工农业生产带来巨大损失，给大规模的风力发电系统的应用带来困难，使风力发电这种洁净能源的应用受到限制。因此，要使风力发电系统成为电网的“好伙伴”，在大规模风电应用中，风力发电机组自动脱网的方法不再适合于新的电网规则。为了使风力发电机组在电网电压跌落仍能保持并网，电网要求风力发电机组具有一定的低电压穿越能力。目前，电网电压出现扰动，特别是当电网电压跌落到一定的值，风力发电机组自动脱网的方式已经不在适合新的电网运行规则了。这样这就导致电网运营部门要制定与修改现有的电网规则来适应越来越多的风电接入到电网中。新的电网导则规定风机和风场必须能够解决电网故障时的运行的问题，即在电网出现故障后一旦电网电压恢复正常，必须能够重新开始发电。目前在丹麦和德国等这些风力发电比较发达的国家已经制定出了考虑风电的电网新规则Error! Reference source not found.-52。它将会影响到将来风力发电系统的选择，这就是说将来的风力发电系统必须具有电网低电压穿越的能力，为了实现这种功能，必须要作相应的工业化研究Error! Reference source not found.。电网导则规定了并网风电场必须满足电力系统运营商制定的技术规范，以保证电力系统的安全、稳定运行。同时防止风力发电机组在外部故障影响时不发生损坏，也就是具有低电压穿越的能力Error! Reference source not found.。不同国家和地区对于风力发电机的低电压穿越能力有着不同的规范标准，主要区别在于对以下几个方面的规定：故障点电压等级(Voltage Level)：故障发生在输电系统(TS：Transmission System)或者配电系统(DS：Distribution System)；电压降落水平(Voltage drop Level)：与额定电压(Ur)的关系；故障持续时间(Fault duration)；恢复时间(Recovery time)；无功电流注入(Reactive current injection)：故障期间提供无功支持；电压分布(Voltage profile)。如图1-3为世界不同国家电网对风力发电厂低电压穿越的要求，图中显示图1-3不同国家电网对风力发电低电压穿越的要求Fig.1-3 The requirements of wind power low voltage ride through in different countries出每个国家的不同要求存在着巨大差异，这由每个国家电网特殊的运行情况所决定。在这里纵坐标代表风力发电中电网要求的电压等级的幅值，以百分比的形式显示；横坐标表示电网电压跌落的持续时间，以秒为单位显示。曲线上方的区域表示，在电网跌落期间风力发电机不允许脱离电网运行。在2009年我国也出台了相关国家试运行标准，对风力发电低电压穿越进行硬性的规定。风电场并网点电压在图中电压轮廓线及以上的区域时，场内风电机组必须保证不间断并网运行；并网点电压在图中电压轮廓线以下时，场内风电机组允许从电网中切出。其中我们国家规定：(1) 风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保持并网运行625ms的低电压穿越能力；(2) 风电场并网点电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组保持并网运行。在众多电网的低电压运行规则要求中，德国E.ON公司的标准影响力最大，其电网导则规定风电场在接入点电压降低后 0-150ms内不准脱网，电网在1.5s内恢复到原来的90%时，风力发电机组必须保持并网。丹麦对于小于100KV的电网电压跌路幅值和时间要求相对电压等级高的电网低一些。除了在低电压穿越的曲线要求的之外，丹麦电网和加拿大-魁北克电网还做了一些特殊要求，丹麦电网对电网故障的顺序做了特殊规定，而加拿大对风场并网点远距离的电网电压跌落也做出相应的规定。很多国家规定电压跌落到0%，是指的电网高压端并网点。考虑到变压器和传输线典型阻抗值，通过计算在低压侧风电场相应的并网点电压并不是0%或许会高于15%Error! Reference source not found.。在E.ON标准中，不但规定了风力发电系统低电压运行能力的范围，还对电网电压跌落时风力发电系统需要提供无功电流做出规定Error! Reference source not found.。如图1-4所示E.ON 标准中规定的不同电网电压跌落幅度下无功电流占额定电流的比例。图中图1-4德国E.ON在电网故障时对电网无功电流的要求Fig.1-4 Characteristic of reactive currents during voltage dip according to the E.on Grid Code纵坐标表示电网电压跌落幅度，横坐标表示的是无功电流应占额定电流的比例。标准中规定当电网电压跌落到10%以上时，风力发电系统需要切换无功电流支撑电网工作状态，在确定电网电压跌落20ms之内，每跌落1%的额定电压向电网补偿至少2%额定电流的无功电流。如果有必要，必须100%输出无功功率。在电网电压支撑工作状态下，系统需要首先满足无功电流的要求，根据电网电压跌落的幅度决定输送给电网的无功电流大小。电网电压恢复之后，可将系统工作模式恢复为正常工作方式。英国和爱尔兰也在他们的电网中对无功功率做出特别的规定，风电场在电网故障引起的电压跌落过程中必须注入最大的无功电流。根据西班牙国家电网规定Error! Reference source not found.，要求风电场在电压跌落100ms内停止吸收无功功率并且在150ms内迅速向电网提供无功电流。其中无功电流的大小如图1-5所示。当电网电压跌落到额定电压的50%以下时，电网要求风电场以超过额定电流的90%的无功电流。当电网电压跌落在50%-85%之间时，要求风电场必须发出无功功率，无功电流的斜率如图1-5所示。当电网电压在85%到额定定电压之间时，电网对发出的无功功率大小不做要求，但是规定不能吸收无功功率。图1-5西班牙电网无功电流的要求Fig.1-5 Reactive current requirements of Spain grid图1-3图1-5所示的标准为世界各风力发电的主要发达国家和我国出台关于风力发电系统低电压穿越的规范。这些规范对于电网故障，其中就电网电压等级，电网电压的跌落深度，持续时间以及电网故障期间风电机组无功注入等诸多点做出相关规定。这些规定，为世界各国和我国对未来大规模风力发电的实施和研究提供了目标和依据。我国目前只对电压等级和电压跌落的幅值、持续时间等做出规定，其中没有涉及到电网故障状态时刻电网对风电场发出无功情况进行要求。相信在不久的将来，随着我国风电场装机容量的不断增大，风电场较传统电力系统相比所带来的问题也会逐渐显现，这样我国对于风电场的标准也将会不断完善。所以，在现阶段开展有关风力发电的各种研究，其意义是十分巨大的，它不但有利于了解我国风力发电行业的发展，而且也将对大规模风力发电的问题，特别是对于电网电压跌落情况下的风力发电系统如何平稳穿越这个区域的研究产生重大的意义。1.3.4 DFIG低电压穿越硬件保护电路(1) 转子短路保护技术电网故障引起DFIG过流和过压，其中过流会损害变流器，而过压会损坏发电机的转子绕组。为了保护连接在转子侧的变流器，采用过压、过流保护措施势在必行。其中比较常见的保护措施便是在转子侧采用Crowbar电路，为转子侧大电流提供旁路，达到限制过电流、保护变流器的目的。Crowbar技术是较早用于DFIG 转子变流器保护的技术，目前主要分为被动式Crowbar和主动式Crowbar。被动Crowbar即所谓的“晶闸管(SCR) ”Crowbar。对风机更高的要求催生了可控关断的“主动式Crowbar”，利用强迫换流功能的SCR、GTO、IGBT 等可关断器件代替晶闸管Crowbar电路中的晶闸管。下面对几种典型的Crowbar系统进行了对比分析。 (a) (b)图1-6无源式DFIG的Crowbar电路Fig.1-6 The passive Crowbar circuit of DFIG如图1-6 (a)和(b)所示，典型的Crowbar电路由反并联晶闸管或二极管桥组成。反并联晶闸管型Crowbar电路由两对相间反并联晶闸管组成，采用这种电路时，转子电流中存在很大直流分量，这使得晶闸管过零关断的特性不再适用，可能会造成保护电路拒绝动作。况且，对于这种电路来说，晶闸管的吸收电路设计起来是比较困难的。二极管桥型Crowbar电路包含一个二极管桥和一个可控硅组成，二极管桥用来对相电流进行整流，可控硅用来实现短路控制，Crowbar电路并不工作在斩波模式。当直流侧电压达到最大值时，导通可控硅来实现短路。同时，转子电路与转子侧变流器断开，与Crowbar电路一直保持连接，直到主回路开关将定子侧与电网彻底断开为止。二级管桥形式的要优于反并联可控硅形式的，因为它采用了较少的可控硅，控制简单易行。但是，在这种电路中，流过可控硅的电流为一连续量，可控硅不能关断。DFIG系统要具备对电压跌落的旁路能力，这就要求Crowbar电路在任何需要的时刻能够马上切断短路电流，即采用有源Crowbar。对于反并联可控硅，很难做到有源。 为了尽快的能切除保护电路，可采用由GTO、IGBT等自关断器件，图1-7的(a)采用由GTO和二极管构成混合式可控整流桥，这种混合桥型Crowbar电路是在二极管桥型Crowbar电路的基础上改良得到的，每个桥臂由控制器件和二极管串联而成。(b)为IGBT型Crowbar电路，它将二极管桥型Crowbar电路的直流侧串入一个IGBT器件和一个能耗电阻，构成斩波电路。这种保护电路使转子侧变流器在电网发生故障时可以保持与转子相连接，当故障清除以后通过切除保护电路，使风力发电系统恢复正常运行。 (a) (b) (c) (d)图1-7有源式DFIG的Crowbar电路Fig.1-7 Active type Crowbar Circuit of DFIG带有旁路电阻的Crowbar电路主要包括反并联可控硅型和IGBT桥型两种，如图(c)和图(d)所示。其中(c)是采用三相双向并联可控硅和旁路电阻组成。(d)是由IGBT和旁路电阻组成，连接到转子回路中。这就为电网故障期间转子侧可能出现的大电流提供旁路，从而达到限制大电流、保护变流器的目的。采用这种电路变流器与电网、转子一直保持连接，因而在故障期间及故障切除瞬间，DFIG即可与电网一起同步运行。旁路电阻的取值比较关键，为避免在变流器端产生高压，旁路电阻应该足够小；为达到限制电流的目的，旁路电阻又应该足够大。因此确定旁路电阻值时应综合考虑。当电网故障清除时，封锁可控硅的驱动脉冲，便可将旁路电阻切除，DFIG系统可以正常运行。(2) 直流侧保护电路直流侧保护电路如图1-8所示。图(a)在直流侧增加卸荷单元，当电网电压跌落时，转子侧过电流，网侧变流器受到限制，能量在直流侧积累造成直流侧电压升高，这样可能会造成直流侧电容或桥上功率器件损坏。当电压升高时投入卸荷单元电路，消耗掉直流侧多余的能量，确保直流侧电压稳定。卸荷电路结构是由BUCK电路和卸荷电阻构成，这种保护电路只能把电压跌路时刻，直流侧的多余能量消耗掉。为了回收这部分能量，图(b)采用能量存储设备，它可以是超级电容或者是蓄电池(ESS)，通过一个能量可双向流动的DC-DC电路与直流侧电容相连接。(a) (b)图1-8直流侧DFIG的能量管理电路Fig.1-8 DC-side energy management circuit of DFIG随着DFIG转速变化，可以直流侧的多余能量存储到储能设备中。当电网故障清除时，它可以把多余的能量回馈给电网，同时当电网需要无功时，它可以支撑直流侧电压，向电网发送无功。可见此方法可解决使用Crowbar须在不同运行状态间切换的问题，既避免了工况切换造成的暂态过程，又可对系统进行持续调控。此种电