CN103545820A - 提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法，为：在不影响系统输出既定总无功要求的情况下，增加流经双馈风电变流器的电流，即增大微风或风机发电功率很小时双馈风电变流器的运行电流，避免在微风工况或风机发电功率很小时出现小电流运行情况。本发明具有原理简单、可改善双馈风电变流器在微风工况下的控制性能、提高双馈风电变流器及其功率器件的运行可靠性和延长其使用寿命等优点。

Description

提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法

技术领域

本发明主要涉及到风电技术领域，特指一种提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法。

背景技术

风力发电是目前技术最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的新能源。随着风电机组的功率不断增大，目前国内已开发出最大6兆瓦的风电机组并开始商业应用。采用双馈式风电机组发电是目前风力发电的主流方式。大容量双馈风电变流器是当前双馈式风电机组的关键部件，其控制性能决定了机组发出电能的质量，它的运行可靠性将会严重影响机组的发电量。而功率器件（当前一般采用IGBT）是双馈风电变流器的核心器件，其运行可靠性直接关系到变流器的工作可靠性和使用寿命。

IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种压控型电力电子器件，具有驱动功率小，导通压降低、开关损耗小及容量大等特点，其已广泛应用在机车牵引、工业变频、风力发电等行业。风电机组发展的趋势是单机容量越来越大，与之配套的风电变流器容量也越来越大，其中大容量IGBT得到了广泛应用。但从工业应用统计分析表明，大容量IGBT的失效率要比小容量的高很多，而且一般认为IGBT在小电流下工作电流小、发热损耗低而使用应该较安全。然而事实并非如此，统计数据表明，基于IGBT的变流器模块在小电流运行情况下的失效率明显高于运行于大电流的情况。

在文献《一种大功率变流器模块在小电流下的失效分析》（大功率变流技术2013年第1期）中指出，变流器的IGBT元件工作在小电流下有两个重要的特点：

1、工作电流较小时，FWD（Flee Wheel Diode，续流二极管）浪涌电压较高；

对于由IGBT开通时二极管反向恢复引起的FWD浪涌电压，通常集电极电流在其额定电流的几分之一到几十分之一的小电流范围内时该浪涌电压较大。如果这个尖峰电压超过逆向偏压安全工作区，该IGBT元件存在被击穿的风险。

2、工作电流较小时存在死区振荡现象，即在死区时间内，受分布电容和变流器主电路电感影响，IGBT端电压将出现振荡，死区端电压振荡可能引起FWD微小脉宽导通现象，而微小导通脉宽小到一定程度时，可能使IGBT元件FWD反向恢复时尖峰电压Vsp完全超过元件的耐压。虽然死区振荡这样的概率并不高，但在大批量产品应用下，这样的失效将会变得明显。

另外，IGBT元件在小电流下工作情况下虽然通过脉冲处理电路可以避免让IGBT元件栅极接收到窄脉冲信号，但在实际运行中仍有可能出现微小时间导通的情况。可见，变流器的IGBT元件在小电流下工作情况下可靠性将大幅下降，并大大降低了IGBT的寿命。

基于IGBT功率器件的风电变流器，无论是双馈异步风力发电机组变流器（后简称双馈风电变流器）还是同步风力发电机组变流器（一般称作全功率风电变流器），其都为背靠背的两个三相桥拓扑形式，能量能双向流动。其中，双馈风电变流器为连接于电网和双馈异步发电机转子侧之间的风电变流器，其控制发电机的转子励磁电流和有功电流，使发电机的电能可通过定子和转子同时馈送到电网。变流器按功能和位置内部可划分为网侧变流器（风电变流器连接电网侧的部分，包括滤波电路和由功率器件组成的桥臂等）和转子侧变流器（风电变流器连接发电机转子侧的部分，包括滤波电路和由功率器件组成的桥臂等）。其中，网侧变流器为PWM整流控制方式，其的控制目标是稳定直流侧的电压。在大风情况下，网侧变流器的输出电流较大而平滑，然而在小风或微风情况下，有这样一个很值得关注的问题：即小风或微风时，因风电机组转换的风功率太小，网侧变流器的电流有效值很小，在小电流下的电流集中在零点附近且经过零点正负方向频繁变化（如图1所示）；根据前面的分析情况，按照目前行业的控制方法，在微风情况下风电变流器基本上工作在小电流情况下，将大大降低变流器功率器件的可靠性和使用寿命，从业者称这种问题现象为微风工况的小电流运行现象。

由于从事变流器技术开发的人员一般对变流器在小电流运行时电流频繁过零对变流器功率器件的失效影响缺乏深入研究或忽视了该问题的影响，目前双馈风电变流器的控制中，为简化控制，无论是大风情况和微风情况，一般都是将网侧变流器的无功电流指令取为0，这样造成的结果是在微风情况下，网侧变流器将出现小电流运行情况，造成电流经常集中在零点附近且经过零点正负方向频繁变化，从而易引起功率器件过早失效。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、可改善双馈风电变流器在微风工况下的控制性能、提高双馈风电变流器及其功率器件的运行可靠性和延长其使用寿命的提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法，为：在不影响系统输出既定总无功要求的情况下，增加流经网侧变流器和转子侧变流器的无功电流，避免在微风工况或风机发电功率很小时出现小电流运行情况。

作为本发明的进一步改进：可采取增加双馈风电变流器有功电流分量或无功电流分量的方式来增大流经双馈风电变流器的电流。

作为本发明的进一步改进：具体流程为：

（1）、判断网侧变流器有功电流指令值是否小于某一阈值，如果是，则说明是处于小风或微风情况下，执行步骤（2）；

（2）、取网侧变流器的无功电流指令i_q ^*为一较大的指令值，以增加网侧变流器的无功电流；

（3）、当网侧变流器有功电流指令值大于所述阈值后，说明风速已大到一定程度，将网侧变流器的无功电流指令i_q ^*变小或重新取为零；

作为本发明的进一步改进：在增加无功电流时，转子侧变流器的无功指令电流相应进行调整；引入一个无功调节器来得到转子侧变流器的无功指令电流，即用原总无功指令值与总无功实际值的差值经比例积分调节器调节后直接得到转子侧变流器的无功指令电流，而总无功实际值通过检测网侧变流器的网侧电压和总电流采取瞬时功率法计算得到。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明原理简单、操作简便，在不影响系统既定输出总无功的情况下通过增大变流器无功电流的方法来避免在微风情况下的小电流运行情况，从而可改善双馈风电变流器在微风工况下的控制性能、提高双馈风电变流器及其功率器件的运行可靠性和延长其使用寿命的提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法。

附图说明

图1是双馈风电变流器在微风工况下电网侧变流器电流的实测波形示意图。

图2是双馈变流器在具体应用时的原理示意图。

图3是双馈变流器在具体应用时物理量参考正方向的示意图。

图4是微风工况下网侧变流器的电流仿真波形示意图。

图5是在具体应用实例中转子侧无功指令电流的获取原理示意图。

图6是本发明方法在具体应用实例中的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法，为：在不影响系统输出既定总无功要求的情况下，增加流经双馈风电变流器的电流，即增大微风或风机发电功率很小时双馈风电变流器的运行电流，避免在微风工况或风机发电功率很小时出现小电流运行情况，从而提高双馈风电变流器的可靠性，延长其使用寿命。简言之，就是加大双馈风电变流器的运行电流，使双馈风电变流器无论在大风、小风或微风情况下，只要双馈风电变流器在运行，都不会出现双馈风电变流器输出小电流（即基波有效值很小，甚至接近零）的情况。

本发明侧重于采取增加无功电流分量的方式来增大流经变流器的电流，这种方式经济合理。当然，在其他的实施例中，也可以通过增大双馈风电变流器有功电流分量的方式来增大流经变流器的电流（如为变流器装置增加一个有功负载），这也应在本发明的保护范围之内。

以下对本发明的原理做进一步分析、阐述。

如图2所示，在具体应用实例中，双馈风电变流器主要用于变速恒频双馈风力发电系统，双馈风电变流器的内部由背靠背的两个四象限变流器组成，连接发电机转子变流器一般称为转子侧变流器（RSC），连接电网的变流器一般称为网侧变流器（GSC）。网侧变流器的功能主要用于稳定直流侧的电压，另外根据需要可控制为向电网吸收或发出无功。转子侧变流器控制发电机转子的有功电流（即转矩电流分量）和无功电流（即励磁电流分量），从而使双馈异步发电机定子向电网发出有功功率和无功功率。

对于网侧变流器的控制，按图3所示的电流参考正方向，将dq同步旋转坐标系下的d轴定向于电网电压综合矢量方向上，在三相静止坐标系到同步旋转坐标系的等幅变换情况下，可得网侧变流器的有功功率P_g和无功功率Q_g为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_g=\frac{3}{2}{u}_d{i}_d\\ Q_g=-\frac{3}{2}{u}_d{i}_q\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，u_d为电网电压的d轴分量，i_d为网侧电流的有功分量，i_q为网侧电流的无功分量。

当Q_g>0时，表示变流器对外呈感性，从电网吸收无功；

当Q_g<0时，表示变流器对外呈容性，向电网提供无功。

从式（1）可见，网侧变流器的无功分量与网侧变流器的无功电流成正比的线性关系。

对网侧变流器的控制通常采取电压外环与电流内环的双闭环控制方法，如下：

电压外环控制：

${i_d}^{*}=(K_p+\frac{K_i}{S})({u_{\mathrm{dc}}}^{*}-u_{\mathrm{dc}})---\left(3\right)$

其中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，u_dc为直流侧实际电压，u_dc ^*为直流侧目标控制电压。电压外环的控制是为了稳定直流侧电压，其输出作为电流内环的有功电流指令值。而电流内环的无功指令值i_q ^*一般取为零，使网侧变流器的功率因数近似为1。

电流内环控制：

$\left\{\begin{array}{c}{v_d}^{*}=u_d+{\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{Li}}_q-(K_{\mathrm{pP}}+\frac{K_{\mathrm{iP}}}{S})({i_d}^{*}-i_d)\\ {v_q}^{*}=-{\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{Li}}_d-(K_{\mathrm{pQ}}+\frac{K_{\mathrm{iQ}}}{S})({i_q}^{*}-i_q)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，K_pP和K_pQ为比例系数，K_iP和K_iQ为积分系数，ω₁为电网角频率，i_d为网侧变流器实际有功电流，i_q为网侧变流器实际无功电流，i_d ^*为网侧变流器有功电流指令值，i_q ^*为网侧变流器无功电流指令值。电流内环的输出作为变流器的输出指令电压v_d ^*和v_q ^*。

对于转子侧变流器的控制，同样采用矢量控制方法。假定双馈异步发电机定子和转子侧正方向都按电动机惯例，由于在工频下定子绕组的电阻比其电抗小很多，可忽略不计，以定子电压综合矢量来定向，定子磁链与定子电压矢量间的相位正好差90°电角度，可使控制简单化，因此可将dq同步旋转坐标系下的d轴定向于定子电压综合矢量方向上，在三相静止坐标系到同步旋转坐标系的等幅变换情况下，可得发电机定子的有功分量P_s和无功分量Q_s为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_s=-\frac{3}{2}\frac{L_m}{L_s}{u}_m{i}_{\mathrm{dr}}/k\\ Q_s=\frac{3}{2}(\frac{{u_m}^2}{{\mathrm{\&omega;}}_1{L}_s}+\frac{L_m{u}_m}{L_s}{i}_{\mathrm{qr}}/k)\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，u_m为定子电压峰值，i_qr为转子侧变流器电流的无功分量，L_m为激磁电感，L_s为定子绕组电感，k为定转子匝数比。

P_s<0，定子向电网输出有功，为发电状态模式。

Q_s>0，定子对外呈感性，从电网吸收无功；Q_s<0时，定子对外呈容性，对外发出无功。

可见，发电机定子的无功分量与转子侧变流器的无功电流成线性关系。在正常运行情况下，网侧变流器与转子侧变流器的有功功率是相等的，不考虑发热损耗时可以推出网侧变流器的有功功率P_g与双馈风电机组向电网交互的总有功功率P_total如下：

$P_g=P_r=\frac{s}{s-1}{P}_{\mathrm{total}}---\left(6\right)$

其中，s为转差率，定义为电机同步转速与实际转速的差与同步转速的比值。

在微风情况下，因转换的风功率太小，双馈风电机组的发电功率P_total也很小，可能接近于零。从上述公式（6）可知，此时网侧变流器的功率也很小；从上述公式（1）可知，此时网侧变流器的有功电流将也非常小。在正常控制模式下，因按功率因数为1的方式控制，网侧变流器的无功分量为零，从而网侧变流器的总电流有效值很小或接近于零，如图4所示，小电流情况下电流集中在零点附近且经过零点正负方向频繁变化。

为了避免在微风情况下电流集中在零点附近且经过零点正负方向频繁变化造成变流器的IGBT器件可靠性下降，本实施例中，本发明采取的办法是在不改变总的无功Q_total的情况下设法增加网侧变流器的无功电流。

根据图3可知，总的无功为：

$Q_{\mathrm{total}}=Q_g+Q_s=-\frac{3}{2}{u}_d{i}_q+\frac{3}{2}(\frac{{u_m}^2}{{\mathrm{\&omega;}}_1{L}_s}+\frac{L_m{u}_m}{L_s}{i}_{\mathrm{qr}}/k)---\left(7\right)$

从上述公式（7）可知，微风情况下，网侧变流器不再按功率因数为1的情况来控制，可以适当增加网侧变流器的无功电流(可以是容性电流，也可以是感性电流)，而通过控制转子侧的无功电流i_qr来改变发电机定子的无功输出，从而补偿掉网侧变流器增加的无功功率，可以保证双馈风电机组总的无功功率Q_total不受网侧变流器增加的无功电流的影响。

如图6所示，在实际操作中，首先判断网侧实际有功电流是否大于某一阈值；如果过小，说明是在小风或微风情况下。此时，人为取网侧变流器的无功指令i_q ^*为一足够大的指令值，当实际有功电流大于该阈值后，说明风速已大到一定程度，网侧变流器电流在零点附近正负方向频繁变化的情况得到改善，此时，可以将人为加大的无功指令i_q ^*变小或重新取为零。

在人为增加无功电流的时候，转子侧变流器的无功指令电流相应进行调整。其实，实际控制中可以引入一个无功调节器来得到转子侧的无功指令电流，如下图5所示，用原总无功指令值与实际值的差值经比例积分（PI）调节器调节后直接得到转子侧的无功电流指令值。而总无功实际值可以通过检测的网侧电压和总电流采取瞬时功率法计算得到。

对于转子侧变流器，因

可知，在微风情况下，转子侧变流器电流的有功电流分量也接近于零，因双馈异步发电机需要吸收无功，转子侧变流器的无功电流一般都较大。如果在配套满足网侧变流器的控制要求情况下，出现转子侧无功电流指令接近于零的情况，这时可以通过调整总的无功指令

来增大转子侧无功电流指令值。当然，实际上，因双馈异步发电机的转子绕组相当于一个很大的滤波电感，转子侧变流器电流波形较平滑，在零点附近电流正负方向频繁变化的现象不太明显，不刻意增大转子侧变流器的输出电流影响不大。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法，其特征在于，在不影响系统输出既定总无功要求的情况下，增加流经双馈风电变流器的电流，即增大微风或风机发电功率很小时双馈风电变流器的运行电流，避免在微风工况或风机发电功率很小时出现小电流运行情况。

2.根据权利要求1所述的提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法，其特征在于，采取增加双馈风电变流器有功电流分量或无功电流分量的方式来增大流经双馈风电变流器的电流。

3.根据权利要求1或2所述的提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法，其特征在于，具体流程为：

（1）、判断网侧变流器有功电流指令值是否小于某一阈值，如果是，则说明是处于小风或微风情况下，执行步骤（2）；

（2）、取网侧变流器的无功指令i_q ^*为一较大的指令值，以增加无功电流；

（3）、当网侧变流器有功电流指令值大于所述阈值后，说明风速已大到一定程度，将网侧变流器的无功电流指令i_q ^*变小或重新取为零。

4.根据权利要求3所述的提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法，其特征在于，在增加无功电流时，转子侧变流器的无功指令电流相应进行调整；引入一个无功调节器来得到转子侧变流器的无功指令电流，即用原总无功指令值与无功总电流实际值的差值经比例积分调节器调节后直接得到转子侧变流器的无功指令电流，而无功总电流实际值通过检测网侧变流器的网侧电压和总电流采取瞬时功率法计算得到。

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