风力发电变流器IGBT的Crowbar电路设计Word文件下载.docx
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插图清单
第一章概述
1.1低电压穿越的基本要求
近年来，风力发电发展迅速。
根据中国可再生能源协会风能分会的统计，截止2010年底，我国风电累计装机容量已达到44733.29MW。
据估计，2020年将达到2亿kW、2030年达到3亿kW，2050年达到5亿kW。
随着装机容量的不断增加，风力发电在总装机容量的比例越来越大，风力发电机组具备“低电压穿越功能”已成为强制性要求[1]。
在风力发电技术较为发达的一些国家，如丹麦、德国等陆续制定了新的电网运行准则，要求风力发电系统具有一定的低电压穿越能力（1owvoltageride—through，LVRT），我国颁布的《国家电网公司风电场接入电网技术规定》对风力发电低电压穿越的能力也做了明确规定[2]。
图1-1国家电网公司对低电压穿越的规定
图1-1为国家电网公司对风电机组低电压穿越能力的规定，具体的要求如下：
（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%，风电场内的风电机组保持并网运行。
对于目前尚不具备低电压穿越能力且已投运的风电场，应积极开展机组改造工作，以具备低电压穿越能力。
变流器作为风电机组的核心部件，必须具备这个功能。
由风力发电系统基本原理可知，在电压跌落过程中，系统会产生大电流和高电压，因此必须在变流器系统中设计保护装置防止对变流器造成损坏。
1.2Crowbar电路介绍
Crowbar电路是风力发电变流器实现低电压穿越的必备电路。
当前风电领域的两个主流机型：
双馈风力发电系统和直驱型风力发电系统。
由于系统结构的差别和工作方式的不同，保护装置的设计有较大的区别。
双馈风力发电系统的结构如图1-2所示。
在电网电压瞬间跌落的情况下，定子磁链不能跟随定子端电压突变，从而会产生直流分量，由于积分量的减小，定子磁链几乎不发生变化，而转子继续旋转，会产生较大的滑差，这样便会引起转子绕组的过电压和过电流。
如果电网出现不对称故障，在定子电压中含负序分量，而负序分量可以产生很高的滑差，则会使转子过电压与过流的现象更加严重。
转子侧电流的迅速增加会导致转子励磁变流器直流侧电压升高，发电机励磁变流器的电流、有功和无功功率都会产生振荡[4][5]。
图1-2双馈风力发电系统框图
在转子侧增加保护电路是目前双馈系统中普遍采用的方法，也是增加硬件控制电路的基本做法。
由于传统的被动式撬棒已无法满足新的风力发电并网规则的要求，目前采用的自关断器件构成的主动式保护电路。
ab
图1-3crowbar电路
图1-3给出了几种常用的crowbar保护电路，通常使用晶闸管或IGBT作为Crowbar电路的主开关器件。
晶闸管的特点在于过流能力强，但它属于半控元器件，其切除依赖于电流过零点，因此其关断过程会存在一定的延迟。
而IGBT则可以很自由的控制电路的切除，随着IGBT制造技术的不断成熟，电流等级在1000A以上的IGBT已非常常见，且性价比较高。
直驱式风力发电系统如图1-4所示，正常工作时，发电机输出的功率全部经过变流器送入电网，当电网电压跌落幅度较大时，变流器输入功率和输出功率发生不平衡。
通常可以采用2种方法解决此问题：
一是减小风力机输入的功率，二是增加Crowbar保护电路吸收多余的能量。
当跌落发生时，可以减小发电机定子输出功率，从而降低其电磁转矩，在输入风能不能突变的情况下，电机转子将加速，当转速达到保护值时，控制风力机变桨以降低捕获的风能，使系统获得功率平衡。
这种方法受变桨执行机构等因素限制，响应速度较慢，当电压跌落等短时故障恢复时，系统恢复至正常运行也较慢。
因此，可通过增加Crowbar电路，使系统发生短时故障时，风力机和发电机的运行保持正常，从而使故障恢复时，风电系统能迅速恢复正常工作[29]。
图1-4全功率变流系统
在发电机定子侧增加卸荷负载也可以实现Crowbar保护功能，图1-5是定子侧Crowbar电路结构图。
卸荷电阻通过功率开关与发电机定子侧相连。
图1-5定子侧增加卸荷负载的Crowbar电路
图1-5中功率开关采用晶闸管构成的静态开关，具有较大的通流能力和较快的切换速度。
发电机定子侧Crowbar电路的具体形式可以借鉴双馈式风电系统转子侧Crowbar电路的某些结构。
这种方式实现的Crowbar保护，实现简单，缺点是对发电机输出有较大影响，变流器对发电机变速恒频运行的控制能力有限。
在直流侧增加Crowbar电路是目前最常用的一种方式。
图1-6是直流侧增加卸荷负载的Crowbar电路结构，其中图1-6（a）中卸荷电阻通过功率器件与直流侧相连，图1-6（b）中卸荷电阻通过Buck电路与直流侧相连。
系统正常工作时，Crowbar电路不起作用，当电压跌落发生时，直流侧输入功率大于输出功率，如果没有Crowbar电路，直流侧电压将会上升，可能会损坏电容，进一步造成变流器的损坏，此时投入卸荷电阻，消耗直流侧多余的能量，保持电容电压稳定在一定范围内。
图1-6（a）中卸荷电阻投入时，直接并人高压直流母线，因此需要高压负载；
图1-6（b）中通过Buck电路降压，可以使用低压直流负载，但是增加了电感等器件。
增加卸荷负载的缺点是，多余的能量纯粹被消耗，需要使用大的负载并提供散热；
优点是可靠性较高。
图1-6直流侧增加卸荷负载的Crowbar电路
此外，对于直驱式风力发电系统，也可以在直流侧增加储能装置的Crowbar电路，如采用能量可以双向流动的电力电子变换器，把直流侧电容和储能设备连接在一起，储能设备可以选用蓄电池或者超级电容。
当电网电压跌落时，为避免直流侧电压过高，通过变换器把多余的能量存储在储能设备中。
当直流侧电压不足时，可以把存贮的能量释放出来。
为电容充电，同时可以利用储能设备的能量为电网提供有功功率。
相对于增加卸荷负载，这种方式的优点是能量可以再利用，可以较好地保持直流侧电压的稳定，并且能用存储的能量为电网提供一定的有功功率。
缺点是需要额外的储能设备。
增大了结构的复杂程度，提高了系统的成本。
1.3本文的主要内容
本文以风力发电变流器中的Crowbar电路作为研究对象，主要完成了以下工作内容。
（1）通过对各种Crowbar电路的分析对比，选择IGBT作为Crowbar电路的主开关器件。
详细的分析了IGBT的工作特性，参数选择及其驱动电路设计；
（2）根据双馈风力发电系统的基本原理及其在电压跌落时的工作特性，结合国家电网关于风电机组接入电网的规定，以1.5MW双馈变流器为例，详细设计了Crowbar电路及Crowbar电路中IGBT的驱动电路，并对设计结果进行了实验验证；
（3）根据直驱式风力发电系统的基本原理及其在电压跌落期间的工作特性，结合国家电网关于风电机组接入电网的规定，以850KW全功率变流器为例，详细设计了Crowbar电路及Crowbar电路中IGBT的驱动电路和RCD保护缓冲电路，并在saber下对缓冲电路进行了仿真验证，在硬件平台上对设计的Crowbar进行了实验验证。
第二章IGBT的工作特性
2.1引言
IGBT（绝缘栅双极晶体管）作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输入阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，在各种电力变换中获得极广泛的应用。
与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术。
如英飞凌和三菱公司生产的1700V2400A的单体IGBT、英飞凌最新一代的1700V1400A的PrimePack模块等，不仅性能优越，且性价比较高。
近年来风力发电发展迅速，作为风电系统中关键的电气部件之一的变流器中，大量的使用了IGBT，尤其是随着单机容量的不断增大，变流器的容量也随之增加，大功率IGBT在风电变流器中得到了更为广泛的应用，包括变流器中的Crowbar单元。
本章详细介绍了IGBT的工作特性，分析了大功率IGBT在风电领域的应用及其在Crowabr中工作的特殊性。
2.2IGBT的工作特性
2.2.1IGBT的静态特性
图2-1给出了IGBT的转移特性和输出特性[3][6]：
图2-1IGBT的转移特性和输出特性
图2-1的a所表示的是IGBT的转移特性，它所展示的是集电极电流
与栅极和发射极电压
之间的关系。
当IGBT导通后，
与
基本呈线性关系，
为实现IGBT导通的最低栅射电压。
随温度升高略微有点下降，温度每升高一度，其值大概下降5mv左右。
当在+25℃时，
的值一般为2-6V。
图2-2的b所表示的是IGBT的输出特性，也称伏安特性，它描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流
与集电极和发射极电压
从图上可以看出来，随着
的上升，曲线是在不断的上升。
IGBT的输出特性也分为3个区域：
正向阻断区、有源区和饱和区。
因为IGBT开关管大多数时间处于开通或者关断状态，所以它的输出特性大多是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。
2.2.2IGBT的动态特性
图2-2给出了IGBT的动态特性[3]：
图2-2IGBT的开关过程
图2-2给出了IGBT开关过程的波形图。
由图所示，从驱动电压
的前沿上升至其幅值的百分之十的时刻，到集电极电流
上升至其幅值百分之十的时刻止，这段时间为开通延迟时间
。
而
从10%
上升到90%
所需要的时间为电流上升时间
开通时间为开通延迟时间和电流上升时间之和。
开通时，集射电压下降分为两个阶段
和
：
前者是IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；
后者为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。
当两者完全结束后，IGBT完全进入饱和状态。
IGBT关断的情况和开通时类似，不同的是集电极电流
在下降时分为了两个阶段
在
阶段，其对应着MOSFET的关断过程，这段时间电流下降比较快；
阶段，其对应着IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，这段时间内MOSFET已经关断，IGBT又无反向电压，所以N基区内的少子复合缓慢，造成下降较慢。
由于此时集射极电压已经建立，因此较长的电流下降时间会产生较大的关断损耗。
2.2.3IGBT驱动
针对市场上对IGBT品质要求越来越高，除了要求其本身的品质要安全可靠，对系统的功耗和可靠性等方面也有着极大的关联的驱动部分也需要重点考虑。
以下将对IGBT驱动设计时需要注意的几个问题进行阐述[26][33]：
（1）栅极驱动电压
要求驱动电路为IGBT提供一定幅值的正反向栅极电压
，理论上
>
时，IGBT即可导通，栅极电压越大，越有利于降低器件的通态损耗，但同时会使IGBT承受短路电流的时间变短，并使续流二极管反向恢复过电压增大。
因此正向偏压要适当，不宜过大，一般不超过+20V。
一般反向偏压提供—5V~—15V之间，缩短关断时间，提高耐压和抗干扰能力。
采用反偏压可以减少关断损耗，提高IGBT工作可靠性。
（2）栅极驱动功率
IGBT栅极和发射极之间是绝缘的，不需要稳态输入电流，但由于输入电容的存在，它需要动态的驱动电流。
当在高频工作时，它的驱动电流和驱动功率也相应增大，因此驱动电路必须提供足够大的驱动功率。
IGBT的功耗受栅极驱动负、正偏置电压的差值
、栅极总电荷
和工作频率
的影响。
驱动电路电源的平均功率：
（2-1）
以本次试验中所用的英飞凌系列FF1000R17IE4为例，查得技术手册，可以得到
=81nf，
=2.6nf
25*81+2.6*25=2090nC
取
=1KHZ，便可得到：
=52mw
考虑到驱动电路的损耗以及驱动功率，驱动电源的功率应大于3W。
（3）栅极电阻
选择合适的栅极电阻对驱动电路来说是非常的重要，从上面的仿真图中可以清楚看到。
较小的栅极电阻可以使栅极电容快速的充放电，从而减小开关时间和开关损耗，但与此同时，它只能承受较小的栅极噪声，并可能导致栅极-发射极之间的电容和栅极导线间的电感发生震荡。
当增大栅极电阻的时候，可以减少震荡的发生，减小开通时的di/dt，减小IGBT集电极的尖峰电压。
所以选取合适的驱动电阻对驱动电路来说非常的重要。
2.3IGBT的保护
IGBT的电压、电流和温度都有其额定值，一旦超出了它的安全工作区，器件将会损坏，所以除了器件的参数选择合适和驱动设计良好外，还要采取合理过压、过流、和过温的保护措施。
（1）过压保护
IGBT的过压保护通常有三个方面需要考虑：
1、尽量减少电路中的杂散电感；
2、采用吸收电路，在IGBT关断的时候，吸收电感中释放的能量，以降低关断过电压，图2-3为两种比较常见的吸收电路，a为充放电吸收回路，b为钳位式吸收回路；
（缓冲电路在第四章有详细介绍）3、增大栅极电阻可以有效的防止过压。
图2-3吸收电路
（2）过流保护[17]
在任何运行状态下，电力电子器件都需要受到保护以避免受到不允许的应力，也就是说，以避免离开参数表中所给定的安全工作区。
当IGBT遇到短路或是过流的时候，如不及时加以保护，很有可能将导致器件的损伤，且其寿命会由此缩短。
情况严重时还会立刻导致元件的损伤。
因此，最重要的是先检测初临界的状态和故障，然后再去恰当的响应它们。
下面介绍两种常用的电流检测电路,如图2-4：
图2-4电流检测电路
a、用镜像IGBT来检测电流
在一个镜像IGBT中，一小部分的IGBT单元和一个用于检测的发射极电阻相结合，且并联于IGBT的电流臂上。
一旦导通的集电极电流通过测量电阻，便可以获得其信息。
在Rsense=0时，两个发射极之间的电流比等于理想值，为镜像IGBT单元数和总单元数之比。
如果Rsense增大，则测量电路中导通的电流将因测量信号的反馈而减小。
因此，电阻Rsense应被控制在1-5欧内，以便获得足够准确的集电极电流测量结果。
如果用于关断的电流门限值只是略大于晶体管的额定电流，那么在IGBT开通期间，因为反向续流二极管反向恢复电流峰值的作用，电流检测需要关断。
若检测电阻趋于无穷大（Rsense→∞），则其测量电压等于集电极-发射极饱和电压。
因此，镜像电流检测转化为
检测。
b、
检测
检测应用了晶体管参数表中所给出的集电极电流和正向电压的关系（输出特性）。
一个快速的高压二极管被用来检测集电极-发射极电压，并与一个参考值相比较。
如果参考值被超过，故障记忆就会被设定，同时晶体管将被关闭。
由于短路时晶体管会迅速脱离饱和区，所以
检测非常适用于短路检测。
2.4大功率IGBT在Crowbar中应用的特点
Crowbar是风电变流器实现低电压穿越的关键部件之一。
与其它场合的应用相比，Crowbar中的IGBT的使用具有以下几方面特点。
（1）工作时间短
根据目前各国对低电压穿越的基本要求可知，Crowbar一次工作的最长时间为3秒钟。
IGBT在这么短的时间内，温度上升很少，因此Crowbar中的IGBT一般不需要设计散热器。
（2）开关频率低
对于双馈系统而言，当电网电压跌落产生大电流和高电压时，此时投入Crowbar对其进行旁路，当电流降低到安全值以后，Crowbar切除。
整个过程中IGBT在几十ms内一直处于导通状态。
对直驱系统而言，所设计的安装于直流侧的Crowbar电路工作于斩波状态，IGBT的开关频率通常为几十Hz。
（3）短时电流大
Crowbar中的IGBT在短时间内都将承受很大的冲击电流，选择IGBT时要根据系统在电压跌落时的工作特性选择适当的IGBT，既要满足系统的要求，能可靠工作，又不要裕量选择的太大，增加不必要的成本。
2.5本章小结
本章详细介绍了IGBT的工作特性，分析了IGBT在Crowbar电路中工作的特点。
为后面Crowbar的详细设计提供了理论依据。
第三章双馈系统crowbar电路设计
3.1引言
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，其最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[22][23]。
本章在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
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