基于IGBT技术风电变流器Crowbar电路设计 - 图文

基于IGBT技术风电变流器Crowbar电路设计

Technology of IGBT-based the design of wind power

converter Crowbar Circuit

作 者 姓 学 位 类 学 科、专 研 究 方 导 师 及 职

名 夏 东 旭 型 工 程 硕 士 业 电 气 工 程 向 电力电子及其传动 称

张 兴 教 授

2011年4月

合 肥 工 业 大 学

本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。

答辩委员会签名（工作单位、职称）

主席： 委员：

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独 创 性 声 明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

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本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 合肥工业大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

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基于IGBT技术风电变流器Crowbar电路设计

摘要

作为新能源行业的主力军，风力发电近年来发展迅速，装机容量不断增大，预计2020年国内装机容量累计将达到2亿千瓦，占总电力装机的8%左右。随着风电装机容量的不断提高，风力发电机组具备“低电压穿越功能”已成为国家电网的强制性要求，变流器作为风电机组的核心部件，必须具备这个功能。由风力发电系统的基本原理可知，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以防止对变流器造成损坏。

本文为以风力发电变流器的保护装置—Crowbar电路作为研究对象，选择IGBT作为Crowbar电路的主开关器件。首先详细的分析了IGBT的工作特性，IGBT驱动及其保护电路的设计。结合国家电网公司关于风电接入电网的规定以及电压跌落时双馈式和直驱式风电系统工作过程和工作方式，分别设计了适合于双馈和直驱的Crowbar电路。并以1.5MW双馈变流器和850KW全功率变流器为例，选择了主要的开关器件，设计了驱动电路及其保护电路。 并对设计结果进行了仿真和实验验证。仿真和实验结果表明，在电压跌落期间，所设计的Crowbar不仅能在电压跌落期间较好的完成对变流器的保护，同时配合变流器系统完成低电压穿越功能。

关键词：风力发电；低电压穿越；变流器；IGBT；Crowbar

Technology of IGBT-based the design of wind power converter

Crowbar Circuit

Abstract

As the main force of the new energy industry, wind power has developed rapidly in recent years, increasing installed capacity is expected to reach 200 million kilowatts in 2020, accounting for 8% of installed power. With the increasing installed capacity of wind power, “low voltage ride-through” has become a mandatory requirement for the national grid.Converter must embody this function as the core components of wind turbines. By the basic theory of wind power generation system known in the voltage drop, the system will generate large current and high voltage, so the design of the converter system protection devices to prevent damage to the converter is required.

This article makes a study based on wind power converter circuit protection device-crowbar, with the IGBT used as the main switching devices in crowbar circuit. The article detailedly analyzed the performance characteristics of the IGBT and designed the driver of IGBT and protection circuit. Based on the State Grid Corporation ’s requirement of wind power grid integration and when voltage drop the DFIG and direct drive wind power system, the work process and methods,the paper designed the direct-drive crowbar circurt and double-fed crowbar circuit. Thes paper also took the 1.5MW doubly-fed converter and 850KW full power converter for an example to make a design of the drive circuit and protection circuit,with main switching device selected. Results of simulation and verification are analyzed in paper. The simulation results show that the designed of Crowbar not only can protect the converter better,but also do a good work with the function of Low voltage ride through during the voltage drop.

Keywords: wind power, low voltage ride-through,converter,IGBT, Crowbar

致谢

在研究生阶段即将结束之际，在论文即将完成之时，首先由衷地感谢我的导师张兴教授在这二年时间里给予的关怀和帮助。在研究过程中，张老师深厚的学术功底、敏锐的研究嗅觉、以及坚韧的科研态度让我由衷钦佩，也让我受益匪浅。在张老师的指导下，我独立学习和科学研究的能力得到了较大的提高。在生活上，张老师也给予了我很多帮助，这些让我铭记于心。此外，张老师为人处世的宽宏胸襟，将使我终生受益。在此，我向他表示我最诚挚的谢意。

同样非常感谢在阳关电源股份有限公司实习的这段日子里，余勇博士、张显立经理、陈小刚同事等不论从工作、学习以及生活上无微不至的支持；感谢公司里的同事吴玉杨、张立平、康生龙等在日常学习和生活上给予的帮助和支持。

特别感谢父母这么多年的理解和支持，谢谢您们！ 最后感谢所有帮助过、关心过我的朋友们。 谢谢你们！

作者：夏东旭 2011年5月31日

目录

第一章 概述 ..................................................................................... 1 1.1 低电压穿越的基本要求 .......................................................................................... 1 1.2 CROWBAR电路介绍 .................................................................................................. 1 1.3 本文的主要内容 ....................................................................................................... 5 第二章 IGBT的工作特性 ................................................................... 6 2.1 引言............................................................................................................................. 6 2.2 IGBT的工作特性 ..................................................................................................... 6 2.2.1 IGBT的静态特性 .............................................................................................. 6 2.2.2 IGBT的动态特性 .............................................................................................. 7 2.2.3 IGBT驱动 ........................................................................................................... 8 2.3 IGBT的保护 .............................................................................................................. 9 2.4 大功率IGBT在CROWBAR中应用的特点 ........................................................ 10 2.5 本章小结 .................................................................................................................. 11 第三章 双馈系统CROWBAR电路设计 ..............................................12 3.1 引言........................................................................................................................... 12 3.2 CROWBAR主电路选择 ............................................................................................ 12 3.3 CROWBAR控制电路设计 ........................................................................................ 14 3.3.1 Crowbar的投入 ................................................................................................ 15 3.3.2 Crowbar的切除 ................................................................................................ 16 3.3.3 IGBT驱动电路 ................................................................................................. 16 3.4 仿真与实验.............................................................................................................. 19 3.4.1 驱动电路测试 .................................................................................................. 19 3.4.2 系统仿真与实验 .............................................................................................. 19 3.5 本章小结 .................................................................................................................. 20 附录1 2SD300C17核心驱动器介绍 ...................................................................... 21 第四章 直驱式系统CROWBAR单元设计 ............................................25 4.1 引言........................................................................................................................... 25 4.2 直驱系统低电压穿越特性.................................................................................... 25 4.3 CROWBAR单元的详细设计 ................................................................................... 27 4.3.1 主电路参数的选择 ......................................................................................... 27

4.3.2 IGBT驱动电路设计 ........................................................................................ 28 4.3.3 缓冲电路设计 .................................................................................................. 29 4.4 仿真与实验.............................................................................................................. 33 4.4.1 缓冲电路仿真与实验 ..................................................................................... 33 4.4.2 IGBT通流能力测试 ........................................................................................ 35 4.4.3 系统测试 ........................................................................................................... 36 4.5 本章小结 .................................................................................................................. 38 附录1 2SP0320V2AV-17驱动器简介 ................................................................... 38 第五章 总结与展望 .........................................................................41 5.1论文总结 ................................................................................................................... 41 5.2 未来工作展望 ......................................................................................................... 41 参考文献 ........................................................................................43

插图清单

图1-1 国家电网公司对低电压穿越的规定 ........................................................................ 1 图1-2 双馈风力发电系统框图 ............................................................................................ 2 图1-3 crowbar电路 ............................................................................................................... 3 图1-4 全功率变流系统 ........................................................................................................ 3 图1-5 定子侧增加卸荷负载的Crowbar电路 .................................................................... 4 图1-6 直流侧增加卸荷负载的Crowbar电路 .................................................................... 4 图2-1 IGBT的转移特性和输出特性………………………………………………………6 图2-2 IGBT的开关过程 ...................................................................................................... 7 图2-3 吸收电路 .................................................................................................................... 9 图2-4 电流检测电路 .......................................................................................................... 10 图3-1 主动式撬棒电路 ...................................................................................................... 13 图3-2 设计的Crowbar主电路 .......................................................................................... 14 图3-3 Crowbar单元控制电路图 ........................................................................................ 15 图3-4 驱动板供电电源 ...................................................................................................... 16 图3-5 光纤信号接收电路 .................................................................................................. 17 图3-6 故障处理电路 .......................................................................................................... 17 图3-7 驱动器副边电路 ...................................................................................................... 18 图3-8 过压保护波形 .......................................................................................................... 19 图3-9 短路测试波形 .......................................................................................................... 19 图3-10 系统实验结果 ........................................................................................................ 20 图4-1 直驱式风力发电系统框图 ...................................................................................... 26 图4-2 基于耗能Crowbar的低电压穿越方案示意图 ...................................................... 27 图4-3 850KW全功率变流器系统主电路结构 ................................................................. 27 图4-4 Crowbar的工作原理 ................................................................................................ 28 图4-5 几种可供选择的缓冲电路 ...................................................................................... 30 图4-6 带吸收电路并考虑寄生参数的主电路 .................................................................. 31 图4-7 采用放电阻止型吸收电路后开关管关断时电流电压示意图 .............................. 32 图4-8 仿真模型及仿真结果 .............................................................................................. 35 图4-9 双脉冲平台上测试的IGBT关断时电压尖峰 ...................................................... 35 图4-10 IGBT通流能力测试平台 ...................................................................................... 36 图4-11 测试用主电路框图 ................................................................................................ 37 图4-12 测试波形 ................................................................................................................ 37

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(1ow voltage ride—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]。

1.21.11.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10电网故障引起电压跌落并网点电压要求风电机组不间断运行风电机组可以从电网切出0.6251234

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。

1.2 Crowbar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

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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]。

叶片增速齿轮箱定子并网开关电网双馈变流器du/dt滤波器LC滤波器Crowbar 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。

双馈电机变流器转子变流器

a b

2

变流器变流器Rc图1-3 crowbar电路

d

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]。

叶片全功率变流器电网Gdu/dt滤波器LCL滤波器Crowbar

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

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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。

永磁同步发电机机侧变换器网侧变换器电网 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。

永磁同步发电机机侧变换器网侧变换器电网a永磁同步发电机机侧变换器网侧变换器电网b 图1-6 直流侧增加卸荷负载的Crowbar电路

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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。

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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1700V 2400A的单体IGBT、英飞凌最新一代的1700V 1400A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。

2.2 IGBT的工作特性 2.2.1 IGBT的静态特性

图2-1给出了IGBT的转移特性和输出特性[3][6]：

ICIC有源区URM反向阻断区饱和区正向阻断区UGE↑UGE0UGE(th)(a)UGE0(b)UCE

图2-1 IGBT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IC与栅极和发射极电压uGE之间的关系。当IGBT导通后，IC与uGE基本呈线性关系，UGE(th)为实现IGBT导通的最低栅射电压。UGE(th)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，UGE(th)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

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电压为参考变量时，集电极电流IC与集电极和发射极电压UCE之间的关系。从图上可以看出来，随着uGE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。

2.2.2 IGBT的动态特性

图2-2给出了IGBT的动态特性[3]：

UGEM90%0IC90%Td(on)10%0tontrTd(off)tfi1tofftfICMttfi2tUCEUCEMtfv1tfv2UCE(ON)0图2-2 IGBT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uGE的前沿上升至其幅值的百分之十的时刻，到集电极电流IC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td(on)。而IC从10%ICM上升到90%ICM所需要的时间为电流上升时间tr。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tfv1和tfv2：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IC在下降时分为了两

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个阶段tfi1和tfi2。在tfi1阶段，其对应着MOSFET的关断过程，这段时间电流下降比较快；在tfi2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。

2.2.3 IGBT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UGE，理论上

UGE>>UGE(th)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?UGE、栅极总电荷QC和工作频率FS的影响。驱动电路电源的平均功率：

PAV??UGE?QC?F （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Cies=81nf，Cres=2.6nf

QC?Qi?Qm??UGE?Cies?Qm?25*81+2.6*25=2090nC

取FS =1KHZ，便可得到：

PAV??UGE?QC?FS=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

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选取合适的驱动电阻对驱动电路来说非常的重要。

2.3 IGBT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。

ab

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：

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VGGIci1>>i2VCEi1VmeasRsensei2Vmeasab

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VCEsat检测。

b、VCEsat检测

VCEsat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VCEsat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。

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（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。

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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。

3.2 Crowbar主电路选择

常见的几种主动式的Crowbar电路结构如图3-1所示。

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变流器变流器aC

变流器变流器Rb图3-1 主动式撬棒电路

d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[5][25]。

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，考虑最恶劣的情况，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最大，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。

13

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工作时的最大电流，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。

690VAC转子侧变流器DFIGAC/DC网侧变流器DC/AC驱动信号Crowbar

图3-2 设计的Crowbar主电路

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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690VAC转子侧变流器网侧变流器DFIGAC/DCDC/AC驱动信号CrowbarCRRRC5V比较器-+Vref1Or比较器-+光耦输出驱动信号-+差分采样Vref2（a）Crowbar单元控制电路结构图

（b）IGBT驱动电路

图3-3 Crowbar单元控制电路图

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。

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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作为核心驱动器，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。

图3-4 驱动板供电电源

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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。

图3-5 光纤信号接收电路

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。

图3-6 故障处理电路

（2）驱动器副边电路设计

17

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，最终目的还是减小关断尖峰。

电压箝位检测过流/短路检测门极电压箝位门极电压箝位开通电阻关断电阻并联均流电阻软关断电阻设置短路过流的持续时间及门槛电压图3-7 驱动器副边电路

18

3.4 仿真与实验 3.4.1 驱动电路测试 （1）过压保护测试

图3-8 过压保护波形

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)。

（a） Vdc=50V （b） Vdc=1100V

图3-9 短路测试波形

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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(a) 电网电压跌落波形

（b）转子电流波形 图3-10 系统实验结果

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

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接入电网的规定。

附录1 2SD300C17核心驱动器介绍

2SD300C17是瑞士CONCEPT公司专为1700V高压IGBT工作可靠和安全运行而设计的驱动模块。它以专用芯片组为基础，外加所需的其它元器件组成。该模块采用脉冲变压器隔离方式，能同时驱动两个IGBT模块，可提供±15V的驱动电压和最大达到±30A的峰值电流，具有准确可靠的驱动功能与灵活可调的过流保护功能，同时可对电源电压进行欠压检测， 工作频率最高可达到60KHZ，电气隔离可以达到4000VAC[14][31]。

1、外型及管脚功能

图1为2SD300C17的外型图，它共有45个管脚，其具体功能如下：

图1 2SD300C17的外型图

1~3 VDD 信号接口电源15V 27 SensB 软关断和有源钳位 4 5 6 7 8 9 10 11

SO1 NC CA InB CB MOD SO2 InA

A状态输出信号 未连接

死区时间调节A B输入信号通道 死区时间调节B 模式选择通道 B状态输出信号 A输入信号通道 信号接口电源地 DC/DC输入15V DC/DC输入地

21

28 VB- 29 VB+ 30~31 COMB 34~35 free 36 E.A 37 VceA 38 RC A 40 VA- 41 VA+

-16VDC/DC输出 +16VDC/DC输出

B端发射极

A外部故障信号 A Vce检测通道 A端RC网络 -16VDC/DC输出 +16VDC/DC输出

32~33 Gate B B端栅极

12~13 GND 14~18 VDC 19~23 GND

39 Sense A 软关断和有源钳位

24 25 26

E.B VceB RCB

B外部故障信号 Vce检测通道B B端RC网络

42~43 44~45

COMA A端发射极

GateA A端栅极

2、主要参数：

a、主要极限参数：

★供电电压 VDD和 VDC ：16V；

★逻辑信号输入电平：InA、InB、MOD to GND：20V； ★门极峰值电流 Iout：±30A； ★内部开关电源输出功率：4W；

★输入输出隔离电压：4000VAC(50Hz/ min) ； ★工作温度:：- 40～85℃； b、主要电参数：

▲开通延迟时间（直接模式下）：690ns； ▲关断延迟时间（直接模式下）：650ns； ▲封锁时间：31ms

▲死区时间（半桥模式下）：1.5us ▲故障信号传输延迟时间：500ns 3、工作原理

图2为2SD300C17的功能框图，它主要由DC/DC转换电路、输入处理电路、驱动输出和保护电路组成：

22

图2 2SD300C17功能框图

DC/ DC转换电路的功能是将输入部分与工作部分进行隔离，其输入处理电路由LDI及其外围电路组成。由于控制电路产生的 PWM信号不能直接通过脉冲变压器，尤其是当脉冲信号的频率和占空比变化较大时，尤为困难。LDI就是专门为此而设计的，此专用集成芯片的功能主要是对输入的 PWM信号进行编码，以使之可通过脉冲变压器进行传输。由于该器件内部带有施密特触发器，因此对输入端信号无特殊的边沿陡度要求，并能提供准静态的状态信号反馈。

驱动输出及逻辑保护电路的核心芯片是IGD，它将变压器的接口、过流短路保护、供电监视等功能集成在一起。每个IGD用于一个通道，其具体功能是对脉冲变压器传来的 PWM信号进行解码，对PWM信号进行功率放大，对 IGBT的短路、过流及电源的欠压检测保护，并向LDI进行状态信息的反馈。

4、性能特点

2SD300C17和其它的驱动器相比较，具有以下几个显著的优点： （1）可自由选择工作模式；

直接模式

假设MOD端接地，则选择了直接模式，在这种模式下，两条通道间没有影响，A通道直接控制通道A，B通道直接影响通道B。当A通道或者B通道给了高电平，其相应的IGBT就会导通。只有在死区时间是由控制电路产生，

23

每条通道接受其各自的驱动信号时，才选择这种模式；

半桥模式

假设MOD端接VDD，则选择了半桥模式，在这种模式下，A、B各自控制其通道的开通或关断，但在允许时间内只有一路可以导通，而且从2SD300C17 manual中可以看出死区时间形成。死区时间可以通过管脚CA、CB进行调整。

（2）短路和过流保护功能；

根据Ic与Vce在相应范围内成正比关系，可以利用Vce检测短路电流。在导通后经过一个反应时间得到VCE的值，假设这个电压值超过了它的阀值电压Vth，驱动立即检测出相应的一个短路电流，然后传输到SOX的输出端。经过一个短暂的延迟，相应的IGBT关断。在SOX端口信号一直显示低电平，直到闭锁时间动作，当然这段时间IGBT也处于关断状态。 （3）欠压监测功能；

2SD300C17不论在原边还是在副边都有欠压监控电路。万一原边出现欠压情况，两个IGBT管子的栅极都被施加负压，使得IGBT处于关断状态，而且关断信号被传输到状态输出端SO1和 SO2上，直到信号消失为止。

万一副边出现欠压情况，两个栅极端同样会有负压，使得IGBT处于关断状态，而且关断信号被传输到与之相对应的状态输出端SO1或SO2上，输出状态端会经过闭锁时间重置（重新到达高阻抗状态）。

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第四章 直驱式系统Crowbar单元设计

4.1 引言

相较于双馈式电机，永磁直驱风机更能适应低风速，且能耗较少、后续维护成本低。此外，永磁直驱风机的应用对于我国具有更加重要的意义，我国低风速的三类风区占到全部风能资源的50%左右，更适合使用永磁直驱式风电机组。综合来看，永磁直驱风机将是我国风力发电机未来发展趋势。我国企业拥有直驱风机的自主知识产权，结合《关于风电建设管理有关要求的通知》中风机国产化率要求及我国风机应用领域逐步扩展至低风速区域的要求，据估计，我国永磁直驱风机占全国新增风机的比例不断提高。预计至2014年，我国永磁直驱风机产量将达到4,000台，占2014年新增风 机总量53%，其中1.5兆瓦永磁直驱风机和2.5兆瓦永磁直驱风机各占50%[26]。因此直驱系统的低电压穿越问题日趋重要。

对直驱式系统而言，通过控制的改进可以在一定程度上提高低电压穿越能力，但是提高的水平有限，因此需要增加应对电压跌落等故障的硬件电路-即Crowbar电路，以提高低电压穿越能力。直驱风电系统在电压跌落时，可以只在网侧变换器和直流侧采取应对措施，而不必影响到电机侧变换器以及电机系统的正常运行，这是直驱风电系统的故障穿越能力优于双馈式系统之处。当电网电压跌落时，电机侧变换器并不采取特别措施，其功能仍在于保持永磁同步发电机的正常运行，而网侧变换器输出的功率受到限制，这会造成直流侧电压的上升，因此直流侧要采取措施保持功率平衡，限制其电压的升高。

本章在分析直驱系统低电压特性的基础上，详细分析了直驱式系统Crowbar单元的设计方法。并以850KW全功率变流器为例，详细的设计了Crowbar单元的主电路和外围电路。并对设计结果进行了仿真实验验证，仿真实验结果表明，所设计的Crowbar单元满足系统要求，在电压跌落期间，不仅很好的实现了对变流器的保护，且配合变流器系统较好的实现了低电压穿越。

4.2 直驱系统低电压穿越特性

直驱式风力发电系统如图4-1所示，风力机所产生的所有能量都通过全功率变流器输入电网。正常工作时，风力机向变流器输入的功率与变流器输入电网的功率保持平衡，直流侧电压稳定。当电网电压跌落时，由于网侧变流器容量的限制，此时直流侧电容的输入和输出功率发生了不平衡，且输入功率大于输出功率。此时如果直流侧不采取一定的措施，且不限制输入功率，直流侧电压必将升高，如果通过发电机侧变流器限制风力机流入直流侧的功率，这将造成发电机定子侧输出功率的降低，同时电磁转矩也将降低。假设此时风力机输入的机械功率保持不变，则发电机转速必将升高。转速的升高受风力机系统的

25

桨距控制器的限制，当转速不能快速的限制时，需要使用一定卸荷负载消耗多余的能量。

叶片全功率变流器电网Gdu/dt滤波器LCL滤波器Crowbar图4-1 直驱式风力发电系统框图

由上述过程的分析可见，电网电压的跌落对变流器、发电机及风力机系统都产生了影响。但实际上，由于直驱式系统中的风力机与电网之间通过全功率变流器隔离。在电压跌落时，可以只在网侧变流器和直流侧采取一定的措施，而不需要影响到发电机侧变流器和发电机系统的正常运行。

目前诸多文献对风力发电机低电压技术的研究概括起来主要可以归结为以下几种方案[27]。(1)在直流母线上接耗能单元，当检测母线电压过高时消耗掉多余的能量。(2)在直流母线上接额外的储能单元，当检测直流母线电压过高时转移多余的能量，故障恢复后将所存储的能量馈入电网。(3)在网侧并联一套基于低成本电力电子器件辅助网侧变流器，当检测到电网发生跌落故障时，启用辅助变流器转移多余能量。

基于耗能 Crowbar 的低电压穿越方案常选用图4-2a)、b)两种方案，其中前者的卸荷电阻通过功率器件与直流侧连接，后者的卸荷电阻通过 Buck 电路与直流侧连接。采用 Buck 电路方式较直接连接方式可以有效的降低开关接通时的冲击电流。系统正常工作时，保护电路不起作用，当发生电压跌落时，直流侧输入功率大于输出功率，此时投入卸荷电阻，消耗直流侧多余的能量，抑制直流侧过电压[28]。

26

永磁同步发电机机侧变换器网侧变换器电网a永磁同步发电机机侧变换器网侧变换器电网b 图4-2 基于耗能Crowbar的低电压穿越方案示意图

4.3 Crowbar单元的详细设计

本章以850KW全功率变流器作为研究对象，选择卸荷电阻直接连接的方式作为Crowbar的主要方案，系统主电路结构如图4-3所示。

M电网Ls驱动信号Crowbar卸能电阻

图4-3 850KW全功率变流器系统主电路结构

直驱式Crowbar设计主要包括IGBT、卸荷电阻、驱动电路及缓冲电路设计。各功能模块的详细设计详述如下。

4.3.1 主电路参数的选择 （1）电阻的选择

系统的额定功率为850KW，直流侧正常工作时额定电压为1070V，考虑较

27

坏的情况，即在1100V时需要泄放850kW的能量，由U2R?P可以计算出R =1.43Ω，考虑到功率电阻10%的温漂，最终取放电电阻阻值为R=1.33Ω。

考虑到体积的限制及对瞬时大负载冲击的承受能力，卸荷电阻采用镍铬合金钢带电阻，该电阻过载能力强，短时间内可以承受十倍以上过载。 （2）IGBT的选择

根据系统直流侧额定电压选择IGBT的额定电压为1700V，当卸荷电阻为1.33欧姆，设定当直流电压达到1200V时IGBT导通，此时IGBT的最大电流为I=1200/1.33=900A。

此外，根据目前国家电网关于风电系统接入电网的规定，同时参考了其他国家标准关于无功支持的规定，即电网每跌落1%，向系统发2%的无功，直至变流器满载为止。因此考虑最坏的情况，即在整个电网跌落2S期间，系统的全部负载由卸荷电阻消耗。根据Crowbar工作条件的设定：当直流电压高于1200V时IGBT导通，低于1100V时IGBT关断，IGBT实际工作于斩波模式。根据IGBT的额定参数和热容量，以及实际测试的结果，选择英飞凌1400A 1700V半桥模块。

4.3.2 IGBT驱动电路设计

为了缩短开发周期，选择concept专为英飞凌公司模块开发的成熟驱动器2SP0320V-17作为驱动器，该驱动器为即插即用型，只需要提供输入光纤信号、供电电源及驱动电阻即可。关于2SP0320V-17的详细介绍参见本章附录1. （1）驱动输入信号

图4-4为Crowbar的工作原理，通过检测直流电压的高低作为IGBT投入的条件，由系统的基本原理可知，网侧变流器的功能之一即为稳定直流电压，因此通过网侧变流器控制IGBT的通断，即IGBT的输入信号由网侧变流器的控制电路实现。

检测母线电压

图4- 4 Crowbar的工作原理

（2）供电电源

为了提高可靠性，驱动电路需要的15V电源有专用的DC/DC电源模块提供。

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（3）驱动电阻选择

Rgon和Rgoff分别为驱动电路中开通和关断电阻，由IGBT的工作特性可知，开通电阻选的太大，IGBT开通的很慢，开通损耗会增大，由于开关管是在电压上限时开通，所以应尽快开通以泄能，另外，由于不存在下管二极管反恢复电流尖峰的问题，故开通速度可以选的更快，若开通电阻选的太小，一方面要考虑到驱动板的驱动能力，另外还可能会引起门极振荡。

关断电阻选的太小，关断速度变快，di/dt变大，导致关断时电压尖峰很大，特别是在这种斩波电路中，由于系统布局的原因，需要一定长度的导线从直流母线连接到Crowbar，寄生电感较大，这一点尤为突出。由于chopper电路的开关频率很低，故可通过增大关断电阻延长关断时间的方法来减小关断时的尖峰。但要注意的是，随着关断电阻的增加，关断时间增长，这样真正关断时的直流侧电压会比理想情况下低很多，这样在需要变流器恢复工作时所需的时间也会增长。通过一定的理论计算和测试，最终确定IGBT的开关电阻Rgon=1.47Ω， Rgoff=56Ω，此时开通时间约为Igon=(15V-(-10V)/(1.47+1.5)=8.4A Igoff=(15V-(-10V)/(56+1.5)=0.43A

4.3.3 缓冲电路设计

在实际系统中，Crowbar一般需要通过一定长度的导线连接到直流侧，以截面积为50mm2，长度为3m导线为例，其等效电感约为10uH，当电流为900A，关断时间为20us时，di/dt为45A/us，IGBT关断时产生的过电压为Ldi/dt=450V。这么高的过电压已超过IGBT的承受能力，因此需要为IGBT设计缓冲电路。

根据缓冲电路发挥作用的不同，可以将其分为3大类[30]： (1)开通缓冲电路(di/dt缓冲电路)

开关器件在开通的瞬间，电流在极短的时间内从0上升到负载电流，电流变化率非常大，而开关器件所承受di/dt的能力是有限的，过高的电流变化率会造成器件永久的损坏。开通缓冲电路用来限制di/dt。

(2)关断缓冲电路(du/dt缓冲电路)

开关器件在关断的瞬间，开关器件两端的电压会迅速上升， du/dt非常大。过高的电压变化率会造成器件的误导通，也会带来过大的电磁干扰，从而影响其他电路的工作。关断缓冲电路就是用来抑制开关器件在关断过程中的电压上升率。

(3)过压缓冲电路(过电压吸收电路)

用来抑制关断过程中产生的关断过电压。吸收电路可以为线路分布电感的储能提供释放回路，从而降低关断过电压。

29

1us，关断时间约为20us。

DC+ DC+VdcVdcDC- (a)

DC- (b)

DC+ DC+ L1CVdcVdcDRDC- (c)

DC+

(d)

DC+VdcDC-

(e)

DC- (f)

图4-5 几种可供选择的缓冲电路

图4-5给出了几种可供参考选用的缓冲电路：

图4-5 (a)电路是直接在上管的ce两端加一电容，在上管关断时可以减慢关断速度，从而减小上管的关断尖峰。但由于母线寄生电感较大，关断时会与该电容产生振荡导致上管有较大的电压尖峰。开通时该电容上的能量要全部放完，放电电流会全部流过上管，从而会在上管产生一个电流尖峰。

图4-5 (b)电路是在图4-5 (a)的电容上串一个电阻，可见图4-5 (a)是图4-5(b)的一种特例，电阻的存在减小了开通时的电流尖峰，同时增加了关断时由寄生

30

电感和电容振荡电路的阻尼，有利于减小关断时的振荡尖峰。但电阻的选择较为困难，如果选的太小，结果同图4-5 (a)相似，如果选的太大，又起不到缓冲电路的作用。

图4-5(c)电路为常用的单管RCD箝位电路，关断时，缓冲电流通过二极管直接给电容充电，可以很好的抑制关断尖峰，同时，由于R的存在增大了电路的阻尼，减小了振荡。开通时，电容上的能量经R全部释放，减小了上管的开通电流尖峰。但在这个电路里，上管开通后压降为0，此时母线的寄生电感与下管自身的寄生电容会发生振荡，从而导致下管的电压尖峰很大。

图4-5 (d)电路是在图4-4 (c)的原理上对结构作了一些改进，两个电路电容在开通后稳态电压值不同，从而关断时充电的起始电压值不同，关断时间不同。但由于Crowbar电路工作频率较低，在这里并不去强调其关断速度。又因为该电容能够缓冲桥臂侧母线电压，从而可以减小上管开通时下管的电压振荡尖峰。同时，对于桥臂内寄生电感引起的上管或下管的电压尖峰无法消除。

图4-5 (e)电路更直接地用来缓冲桥臂侧母线电压，可时增大母线上寄生电感与桥臂的振荡阻尼，减小振荡。同样地，它对桥臂内寄生电感引起的上管或下管电压尖峰无法消除。同时有开关行为的上管电压尖峰会比图4-5 (d)更大。

图4-5 (f)是在图4-5 (d)的基础上进一步对下管的电压尖峰进行箝位，以减小上管开通时下管的振荡电压尖峰。

考虑到Crowbar中只有上管工作，通过仿真和理论分析，最终选择的吸收电路如图4-5(d)。

图4-6为带吸收电路并且考虑主电路寄生参数的电路图：

DC+ L1R1S1 L2CoD1C1DoRoVdcL3LS2D2C2RDC-

图4-6 带吸收电路并考虑寄生参数的主电路

L1为母线上的寄生电感，L2，L3为吸收电路引线的寄生电感，L为卸荷

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电阻的寄生电感。图4-7为关断时电流电压波形示意图。

VCEIcVCESPVCEPIo

图4-7 采用放电阻止型吸收电路后开关管关断时电流电压示意图

Vcesp这一尖峰是由缓冲电路中电容或电阻寄生的电感引起，Vcep这一尖峰是由于母线寄生电感L1引起，随着电流的增大，Vcep远大于Vcesp，这样开关管的电压尖峰主要指的是Vcep。

1 吸收电容的选取

根据能量的守恒，可以得到式4-1：

112C?Up?U12??L1Ioff2 2 2 （4-1）设定

Crowabar

关断时电压为

1080V，也即

U1=1080V，又

Ioff=1080/1.33=812A，限定电压尖峰为Up=1300V。

根据直导线电感量的计算公式，对实验用两根1M长引线，总电感约为：

?????ol?2l4??10?7?1?2?1?L1?2?ln?0.75??2.8uH?ln?0.75??2??6??2??r2??35?10????? （4-2）

又考虑直流侧电容距母线连接处仍有用铜排连接的较长距离（约1.5M），再加上导线走线时并非直线，初步假定L1=10uH。根据这一值，便可由前式算出所需电容C=12.5uF。实际最终测试时，电容选取15uF。

2 吸收电阻的选取

根据放电阻止型RCD吸收电路的工作原理可知，如果R选取的过小，则在开关管关断后产生的振荡会很大，如果R选取的过大，则缓冲电容上的能量在下次开通前不能完全泄放。

根据下面公式4-3：

12850KW?toffmin?Cdc(U2?U12) （4-3）

2

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可以得到最小关断时间toffmin=2.7ms，取RC<0.6toffmin，可以得到R<108欧，这里取R=100欧。

缓冲电路电阻的功率可以由4-4确定：

PR?2L1*Ioff2Tmin （4-4）

假设chopper工作时，机侧输出的有功为PM(0

U12122PMton?Cdc?U2?U1??ton2Rch （4-5）

关断时有：

12PMtoff?Cdc?U2?U12?2 （4-6）

由这两个式子可以求出Tmin=(ton+toff)min=7mS

这样就可以求出PR=460W，考虑到Crowbar工作时间不超过3S，所以这里PR完全没有必要取这么大，最终采用20个510欧3W的电阻，其中10个并后再串联，总阻值为100欧。根据实验测试得知，3S后温升很小，满足要求。

3 二极管的选取

直流母线上最大电压为1200V，故这里选用1600V的快恢复二极管，由于缓冲电路工作时间较短，通常选择缓冲二极管的容许电流值一般不超过Ioff的1/20，实际选取DSEI60-18，其反恢复时间trr=150ns。

4.4 仿真与实验

4.4.1 缓冲电路仿真与实验

为了确定缓冲电路的基本参数，并验证其对IGBT关断时过电压的吸收效果，分别在saber2007下对图4-6所示的电路进行了仿真，并在双脉冲测试台上进行了测试验证。

双脉冲测试台是研究IGBT相关特性最为常见的测试平台，通过双脉冲测试，可以较为详细的了解IGBT工作时的动静态特性，由于论文篇幅限制，本文对双脉冲测试平台及具体测试方法不做赘述，仅给出测试结果。

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（a）仿真原理图

（b）无吸收电路和有吸收电路条件下关断电压尖峰波形

（c）R=100Ω C=10uf时 Vmax=1387V

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（d）R=100Ω C=15uf时 Vmax=1328V 图4-8 仿真模型及仿真结果

图4-8（a）为在saber仿真环境下搭建的仿真模型，图4-8（b）为不带吸收电路和带吸收电路下IGBT关断时的电压尖峰，图4-8（c）和4-8（d）为改变缓冲电路中电容参数的电压波形。由图可见，缓冲电路对IGBT关断时的电压尖峰有较好的抑制效果。IGBT关断时的电压尖峰在安全范围之内。

图4-9为双脉冲测试平台上的测试的IGBT关断时的电压尖峰，电流为1000A，IGBT关断时两端最大电压为1210V。

图4-9 双脉冲平台上测试的IGBT关断时电压尖峰

4.4.2 IGBT通流能力测试

为了验证所选择的IGBT满足系统要求，特在图4-10（a）所示的实验平台上对其进行了测试。图4-10（b）为IGBT的驱动波形。主电路输入为690V电网，采用晶闸管整流，输出接8500uF膜电容滤波，通过调节卸荷电阻Ro来改变流过开关管的电流值。工作方式为上管导通，下管通过体二极管续流，分别

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测试了2S直通情况和2S斩波(8msON，2msOFF)，通过给模块加热来模拟最高环境温度50度。

DC+L1CS1690VACVdcDCT1LS2RDC-R0

（a）测试主电路

TS1S1S20000（b）开关管驱动波形 图4-10 IGBT通流能力测试平台

调节R0使IGBT工作在最大电流900A的情况下，英飞凌FF1400R17IP4内部自带了热电阻，可以较为准确的反应IGBT内部的温度，通过测试热电阻的值，在上述两种工作模式下IGBT的温升均在理想的范围之内。测试结果表明，所选的IGBT通流能力达到设定要求。

4.4.3 系统测试

图4-11为系统测试框图，它由两台1MW的逆变器通过一台2MW的隔离变压器及相关配电设备组成。两台逆变器直流侧通过导线连接。测试时，1#逆变器工作于整流器状态，其主要功能为稳定直流电压，2#逆变器工作于逆变器状态，通过对电流的控制使能量流向直流侧。系统的能量在两台逆变器及隔离变压器之间循环。某一时刻，控制1#逆变器关机，2#逆变器继续向直流侧输入有功，此时直流电压将显著上升，当直流电压上升到设定值时，1#逆变器控制Crowbar中的IGBT导通，此时由于卸荷电阻的投入将导致直流电压的下降，当直流电压降到IGBT关断的设定值时，1#逆变器控制IGBT关断，此时直流

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电压会继续上升至开通值，如此反复。持续时间为2S。

电网 1#逆变器2#逆变器chopper电路 图4-11 测试用主电路框图

（a）直流电压及驱动波形 （b）IGBT电流波形

（c）IGBT关断时电压波形 图4-12 测试波形

图4-12（a）为工作时的直流电压波形和IGBT驱动波形，图4-12（b）为IGBT工作时的电流波形，图4-12（c）为IGBT关断时的电压波形，由图可见,IGBT工作在bang-bang控制状态，工作逻辑与设定相同。整个过程中，所选择的IGBT工作稳定，IGBT的温升均在设计范围之内，其通流能力满足系统设计要求。IGBT关断时的电压尖峰在安全范围之内，所设计的缓冲电路工作稳定可靠。

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4.5 本章小结

随着直驱式风力发电系统在风电中比例的逐渐增大，其低电压穿越能力日益重要。本章在分析了直驱式风电系统低电压穿越特性的基础上，结合目前国家电网的相关规定，以850KW全功率系统为例，为其详细设计了满足低电压穿越要求的Crowbar单元。并对设计结果进行了仿真和实验验证，仿真和实验结果表明，所设计的Crowbar可以实现在低电期间对变流器的保护功能，Crowbar工作稳定可靠。

附录1 2SP0320V2AV-17驱动器简介

2SP0320V2AV-17这种即插即用的双通道驱动芯片是专门为英飞凌公司的PrimePACK系列的IGBT模块所设计的。它包含了其它驱动芯片通常的保护功能：用于短路电流保护的Vce检测、欠压监测保护以及状态信息反馈等功能

[15][16]

。

除了以上通用的功能外，它还具有其独特的优点：紧凑的结构、安装简单—直接安装到IGBT上、改进后的有源钳位结构、非常短的延迟时间等等。 a、Vce监测短路电流保护

根据Ic与Vce在相应范围内成正比关系，可以利用Vce检测短路电流。在导通后经过一个反应时间得到VCE的值，假设这个电压值超过了它的阀值电压

Vth，驱动立即检测出相应的一个短路电流，且故障信号立即被传输到光纤反馈端。经过一个短暂的延迟，相应的IGBT关断。在故障状态清除后，故障反馈复位。在故障信号清除后，直到光纤输入端有高电平时，相应的IGBT导通。 b、欠压监测

2SP0320T不论在原边还是在副边都有欠压监控电路。万一原边出现欠压情况，故障信号被传输到状态输出端SO上，但是IGBT并没有被关断（通道并没有被锁住）。

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万一副边出现欠压情况，其对应的IGBT被施以负压，且处于关断状态(通道锁住)，故障信号也传递到光纤反馈端。 1、外型及管脚功能

下图为2SP0320V2AV-17的外部引脚图，它输入端的引脚有10个，其具体功能如下：

图1 2SP0320V2AV-17输入引脚图

表4-1 各管脚的名称及意义 管脚号 1 3 5 7 9 名称 VDC VDC SO VCC VCC 引出接线端 15V DC/DC转换 15V DC/DC转换 状态输出（供电电源） 15V 原边电子元器件 15V 原边电子元器件 10 管脚号 2 4 6 8 名称 GND GND GND GND GND 引出接线端 接地端 接地端 接地端 接地端 接地端 2、主要参数

★供电电压 VDD和 VDC ：16V； ★逻辑信号输入和输出电平：VCC+0.5； ★门极峰值电流 Iout：±20A；

★内部开关电源输出功率（环境温度小于70℃）：3W； （环境温度等于85℃）：2W ； ★输入输出隔离电压：5000VAC(50Hz/ min) ；

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★工作温度:：- 40～85℃； b、主要电参数：

▲开通延迟时间（直接模式下）：120ns； ▲关断延迟时间（直接模式下）：100ns； ▲封锁时间：90ms

▲故障状态清除延迟时间：11us ▲故障信号传输延迟时间：90ns

详细介绍请参考concept公司网站上的介绍。

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第五章 总结与展望

5.1论文总结

随着风力发电的快速发展，风电装机容量在电力装机中的占比逐渐增大，风电系统的低电压穿越功能作为一项强制性的要求已被写入并网导则中。变流器作为风电系统的关键电气部件，也必须具备低电压穿越功能。由风机系统的工作原理可知，在电压跌落过程中，系统产生的瞬时大电流和高电压对变流器具有破坏性的影响，变流器必须带有保护功能部件，即Crowbar。而传统变流器中的被动式Crowbar仅能对变流器起到保护功能，无法实现系统的低电压穿越，变流器系统必须配备主动式Crowbar。

本文以风力发电中变流器的保护装置—主动式crowbar作为研究对象，选择IGBT作为Crowbar的主开关器件。在分析了IGBT基本特性的基础上，结合国家电网关于风电接入电网的规定，完成了以下工作。

1 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；

2 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；

5.2 未来工作展望

风力发电作为新能源领域的主力军，近年来得到了长足的发展。截止2010年，我国已成为世界上年装机量世界第一，累计装机世界第二的国家。然而长期以来，我国一直以引进技术为主，一些关键的核心技术尚未掌握，风力机的低电压穿越技术便是其中之一。在一些风电发达的国家，如德国、丹麦等，早已颁布了关于低电压穿越的标准，且标准中的要求十分苛刻，如E.ON06不仅包括三相电网平衡跌落、三相不平衡跌落，还包含低电压期间无功支持功能。我国目前的并网导则中仅规定了三相平衡跌落，对不平衡跌落和无功支持的要求尚不明确。随着风电的进一步发展，这些要求将逐渐明确在并网导则中。

此外，随着风电单机容量的不断增大，目前国内5MW的机器已在试验阶段并很快实现产业化，变流器容量也相应的提高，针对3MW及其以上风机的低电压穿越特性有待于进一步研究。

本为所研究的Crowbar是基于目前国家电网的并网导则的相关规定，仅适

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