CN105450122A - 一种双馈风电机组机侧变流器igbt器件结温波动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制方法，包括以下步骤：利用双馈发电机转速、定子电信号、转子电信号，计算机组转差率和定子有功功率；通过附加控制外环的方式，构建基于功率、转速双控制外环的最大功率跟踪控制策略，以机组转差率和定子有功功率大小为依据，判断机组运行状态并选择不同的控制外环对机组实施功率和转速控制，最终实现对机侧变流器IGBT器件结温波动的抑制。该方法可通过附加控制外环的方式直接应用于当前风电机组普遍采用的最大功率跟踪控制策略中，可有效降低现有双馈风电机组机侧变流器在同步转速点附近结温波动，为提高IGBT器件运行可靠性及使用寿命提供技术支撑。

Description

一种双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制方法

技术领域

本发明属于新能源发电用大功率电力电子器件热管理技术领域，涉及一种双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制方法。

背景技术

近年来，双馈风力发电机组已成为我国大容量风力发电场的主要机型之一。变流器作为机组电气系统中的关键部件，成本高，且是故障频率最高的电气部件之一，特别是双馈风电机组运行在同步转速点附近，由于机侧变流器输出频率低，增大了IGBT器件的运行周期，使得其结温波动增大，导致交变热应力大幅度变化可对器件造成不可逆转的冲击，加速其老化和失效过程。目前针对该问题国内外并未见可行的解决方案报道，已有一些与变流器结温控制相关的方法主要集中在从调制策略出发的热管理方法上，如通过调节功率模块开关频率和改变调制方式，控制变流器结温波动。但对双馈风电机组机侧变流器运行于同步转速点附近的结温大幅波动问题，现有从调制策略抑制结温波动的方法并无显著效果。

因此，为了提高双馈风力发电机组机侧变流器运行可靠性，急需一种抑制其同步转速点附近IGBT器件结温波动的控制方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制方法，该方法能够有效地根据机组所在运行工况，通过机组控制策略辨识并控制电机在同步转速点附近区域的转速，有效减少机组在该区域的运行时间，实现对机侧变流器IGBT器件结温波动的抑制。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制方法，包括以下步骤：

1)通过安装在双馈风电机组上的数据采集设备采集机组当前转速、定子电信号、转子电信号，计算当前机组转差率s、定子有功功率P_s；

2)判断转差率s所属范围，当s∈[-0.05,0.05]，进入附加转速控制外环，否则，进入功率控制外环；

3)在转速控制外环内，首先以两个边界点转速构建两段恒转速区和一段转速突变区，然后判断机组处于超同步或次同步运行状态，最后通过判断定子出力P_s，确定转速控制信号ω_m ^*，对机组转速进行控制；

4)在功率控制外环内，利用基于定子磁链定向矢量控制方法，根据最大功率跟踪控制原理计算定子功率控制信号P_s ^*，控制机组输出功率。

进一步，在步骤3)中，转速控制外环给定信号的获取方法为：首先判断机组处于超同步或次同步运行状态，然后判断定子出力P_s、给定转速ω_m ^*大小；

当s>0，P_s<P_sB且ω_m ^*≠ω_C，转速给定ω_m ^*＝ω_A，否则ω_m ^*＝ω_C；当s<0，P_s>P_sB且ω_m ^*≠ω_A，转速给定ω_m ^*＝ω_C，否则ω_m ^*＝ω_A；其中，ω_A、ω_C分别为s＝-0.05、s＝0.05时机组转速大小，P_sB为同步转速点的机组定子有功功率。

进一步，在步骤4)中，最大功率跟踪控制下功率外环给定信号的获取方法为：

机组最佳功率P_opt可表示如下：

$P_{opt}=k_w\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_w^3=k_w\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_m}{N}\right)}^3$

式中，ω_m为发电机转速；ω_w为风力机转速；N为齿轮箱的增速比；k_w＝0.5ρAC_pmax(R/λopt)³是与风力机相关的常量，其中λ_opt、C_pmax分别代表该机组的最佳叶尖速比及其所对应的风能利用系数，ρ为空气密度，A＝πR²为风力机扫风面积，其中R为叶片半径；

双馈电机定子有功功率参考值P_s ^*计算表达式如下：

$P_s^{*}=\frac{1}{1-s}(p_{opt}-p_{ms})-p_{cus}$

式中，P_ms为风电机组机械损耗；P_cus定子铜耗，表达式如下：

$P_{cus}=3I_s^2{R}_s$

其中I_s、R_s分别为定子电阻和定子电流；

根据采集的转子电流i_r，求得其在同步速转旋坐标系d轴定向于定子磁链矢量时的dq轴分量i_rd、i_rq，结合P_opt与P_cus表达式，最大功率跟踪控制下的定子有功给定P_s ^*为：

$P_s^{*}=\frac{1}{1-s}(k_w{\mathrm{\&omega;}}_m^3-p_{ms})-3I_s^2{R}_s$

根据定子磁链定向矢量控制原理，得到定子有功与转子q轴电流之间关系如下：

$P_s=\frac{3L_m{\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{\&psi;}}_s}{2L_s}{i}_{rq}$

式中，ω₁为同步角速度；L_s为定子漏感；L_m为激磁电感；Ψ_s为定子磁链矢量，计算表达式如下：

ψ_s＝L_sI_s+L_mI_r

以计算的P_s ^*作为控制系统功率控制外环给定，并利用定子功率与转子电流的关系求得电流控制内环给定，即可实现基于功率反馈的机组最大功率跟踪控制。

本发明的有益效果在于：1)本方法通过转速、电流、电压传感器采集发电机转速、定子电信号、转子电信号，并以此作为控制策略输入，控制机组在同步转速附近区域的转速并减少在该区域的运行时间。2)本方法采用的转速、电流、电压传感器是风电机组自带的传感器，不需要额外安装传感器和数据采集设备，机组控制策略通过在已有控制策略基础上附加控制外环的形式实现，是一种简单易行、成本较低并能保证机组出力的机组控制方法。3)本发明通过减少机组在同步转速附近区域运行时间，抑制机侧变流器IGBT器件结温波动，并有效提升风电变流器运行可靠性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明提出控制策略下的机侧变流器外环控制流程；

图2为提出控制策略下的机组转速-风速曲线；

图3为所提控制策略下的机侧变流器控制框图；

图4为IGBT和二极管等效热网络模型；

图5为传统控制策略下机组从次同步到超同步工况下机侧变流器结温变化；

图6为提出控制策略下机组从次同步到超同步工况下机侧变流器结温变化；

图7为传统控制策略下机组从超同步到次同步工况下机侧变流器结温变化；

图8为提出控制策略下机组从超同步到次同步工况下机侧变流器结温变化。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明提出控制策略下的机侧变流器外环给定控制流程，图2为提出控制策略下的机组转速-风速曲线，图3为所提控制策略下的机侧变流器控制框图，如图所示，本发明所述的方法包括以下步骤：

1)通过安装在双馈风电机组上的数据采集设备采集机组当前转速、定子电信号、转子电信号，计算当前机组转差率s、定子有功功率P_s；

2)判断转差率s所属范围，当s∈[-0.05,0.05]，进入附加转速控制外环，否则，进入功率控制外环；

3)在转速控制外环内，首先以两个边界点转速构建两段恒转速区和一段转速突变区，然后判断机组处于超同步或次同步运行状态，最后通过判断定子出力P_s，确定转速控制信号ω_m ^*，对机组转速进行控制；

4)在功率控制外环内，利用基于定子磁链定向矢量控制方法，根据最大功率跟踪控制原理计算定子功率控制信号P_s ^*，控制机组输出功率。

其中，在步骤3)中，转速控制外环给定信号的获取方法为：首先判断机组处于超同步或次同步运行状态，然后判断定子出力P_s、给定转速ω_m ^*大小；

当s>0，P_s<P_sB且ω_m ^*≠ω_C，转速给定ω_m ^*＝ω_A，否则ω_m ^*＝ω_C；当s<0，P_s>P_sB且ω_m ^*≠ω_A，转速给定ω_m ^*＝ω_C，否则ω_m ^*＝ω_A；其中，ω_A、ω_C分别为s＝-0.05、s＝0.05时机组转速大小，P_sB为同步转速点的机组定子有功功率。

在步骤4)中，最大功率跟踪控制下功率外环给定信号的获取方法为：

机组最佳功率P_opt可表示如下：

$P_{opt}=k_w\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_w^3=k_w\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_m}{N}\right)}^3$

式中，ω_m为发电机转速；ω_w为风力机转速；N为齿轮箱的增速比；k_w＝0.5ρAC_pmax(R/λ_opt)³是与风力机相关的常量，其中λ_opt、C_pmax分别代表该机组的最佳叶尖速比及其所对应的风能利用系数，ρ为空气密度，A＝πR²为风力机扫风面积，其中R为叶片半径；

双馈电机定子有功功率参考值P_s ^*计算表达式如下：

$P_s^{*}=\frac{1}{1-s}(p_{opt}-p_{ms})-p_{cus}$

式中，P_ms为风电机组机械损耗；P_cus定子铜耗，表达式如下：

$P_{cus}=3I_s^2{R}_s$

其中I_s、R_s分别为定子电阻和定子电流；

根据采集的转子电流i_r，求得其在同步速转旋坐标系d轴定向于定子磁链矢量时的dq轴分量i_rd、i_rq，结合P_opt与P_cus表达式，最大功率跟踪控制下的定子有功给定P_s ^*为：

$P_s^{*}=\frac{1}{1-s}(k_w{\mathrm{\&omega;}}_m^3-p_{ms})-3I_s^2{R}_s$

根据定子磁链定向矢量控制原理，得到定子有功与转子q轴电流之间关系如下：

$P_s=\frac{3L_m{\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{\&psi;}}_s}{2L_s}{i}_{rq}$

式中，ω₁为同步角速度；L_s为定子漏感；L_m为激磁电感；Ψ_s为定子磁链矢量，计算表达式如下：

ψ_s＝L_sI_s+L_mI_r

以计算的P_s ^*作为控制系统功率控制外环给定，并利用定子功率与转子电流的关系求得电流控制内环给定，即可实现基于功率反馈的机组最大功率跟踪控制。

实施例：

以2MW双馈风电机组为研究对象，通过分析其动态穿越同步转速区域验证所提控制策略对双馈风电机组机侧变流器IGBT结温波动的抑制效果：

对于采用对称拓扑的变流器而言，所属同一半桥的IGBT和并联二极管等效foster热网络如图4所示。在获取器件运行损耗后，器件结温均值计算表达式如下

T_H＝P_totR_thHA+T_a

T_{j_IGBT}＝P_{loss_IGBT}·(R_thJC+R_thCH)+T_H

式中，R_thJC、R_thCH、R_thHA分别为器件结至壳、壳至散热器、散热器至外部环境的热阻；T_a代表变流器外部环境温度；P_tot为功率模块内部器件的总损耗。其中总损耗和IGBT损耗分别表示如下

P_{loss_IGBT}＝P_con+P_sw

P_tot＝N·(P_{loss_IGBT}+P_{loss_diode})

式中，P_con、P_sw分别为IGBT导通损耗、开关损耗；P_{loss_diode}为二极管总损耗(计算式与P_{loss_IGBT}计算式结构一致)；N代表变流器模块内部所含IGBT-二极管器件对数。

为体现本发明提出控制策略对机侧变流器IGBT器件结温波动的抑制效果，对机组在亚同步和超同步转速间动态往返变化的变流器电-热性能进行分析。假定该2MW机组由次同步状态过渡到超同步状态(同步风速约为10.6m/s)，在该仿真实验环境下，对机侧变流器分别采用所提控制策略和传统最大功率跟踪控制，得到如图5、6所示的机侧变流器IGBT电-热性能仿真结果。然后，使机组由超同步向次同步过渡，同样对机侧变流器分别采用所提控制策略和传统控制策略，仿真实验结果如图7、8所示。对比不同控制策略下仿真波形可知：1)当机组在次同步和超同步状态间动态往返时，采用所提控制策略可使同步转速附近的IGBT最大结温波动降低25％～41％。2)与传统控制相比，所提控制策略下的IGBT器件开关损耗得到抑制，损耗幅值和开关时间最高可分别下降约55.2％和69.9％。3)在所提控制策略下，同步转速附近的转速变化率较传统控制得到增加，机组通过s∈[-0.05,0.05]区域的时间可缩短50％以上。4)采用所提控制策略时，机组分别在超同步和次同步运行状态出现了高、低两段恒转速区域，且以P_sB作为起始点，转速开始从低恒速段向高恒速段上升(或从高恒速段向低恒速段下降)，与设计的控制流程一致。

从上面的结果可以看出，采用本发明提出的基于功率、转速双控制外环的控制策略，能在机组动态往返穿越同步转速附近区域时，缩短机组穿越时间、抑制机侧变流器内部器件的结温波动。本发明不需要额外增加传感器和数据采集设备，提出的控制策略可通过附加控制外环的方式在已有机组控制策略上实现，成本较低，是一种能够有效提高双馈风电变流器运行可靠性的控制方法。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过安装在双馈风电机组上的数据采集设备采集机组当前转速、定子电信号、转子电信号，计算当前机组转差率s、定子有功功率P_s；

2)判断转差率s所属范围，当s∈[-0.05,0.05]，进入附加转速控制外环，否则，进入功率控制外环；

3)在转速控制外环内，首先以两个边界点转速构建两段恒转速区和一段转速突变区，然后判断机组处于超同步或次同步运行状态，最后通过判断定子出力P_s，确定转速控制信号ω_m ^*，对机组转速进行控制；

4)在功率控制外环内，利用基于定子磁链定向矢量控制方法，根据最大功率跟踪控制原理计算定子功率控制信号P_s ^*，控制机组输出功率。

2.根据权利要求1所述的一种双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制方法，其特征在于：在步骤3)中，转速控制外环给定信号的获取方法为：首先判断机组处于超同步或次同步运行状态，然后判断定子出力P_s、给定转速ω_m ^*大小；

当s>0，P_s<P_sB且ω_m ^*≠ω_C，转速给定ω_m ^*＝ω_A，否则ω_m ^*＝ω_C；当s<0，P_s>P_sB且ω_m ^*≠ω_A，转速给定ω_m ^*＝ω_C，否则ω_m ^*＝ω_A；其中，ω_A、ω_C分别为s＝-0.05、s＝0.05时机组转速大小，P_sB为同步转速点的机组定子有功功率。

3.根据权利要求1所述的一种双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制方法，其特征在于：在步骤4)中，最大功率跟踪控制下功率外环给定信号的获取方法为：

机组最佳功率P_opt可表示如下：

$P_{opt}=k_w\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_w^3=k_w\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_m}{N}\right)}^3$

式中，ω_m为发电机转速；ω_w为风力机转速；N为齿轮箱的增速比；k_w＝0.5ρAC_pmax(R/λ_opt)³是与风力机相关的常量，其中λ_opt、C_pmax分别代表该机组的最佳叶尖速比及其所对应的风能利用系数，ρ为空气密度，A＝πR²为风力机扫风面积，其中R为叶片半径；

双馈电机定子有功功率参考值P_s ^*计算表达式如下：

$P_s^{*}=\frac{1}{1-s}(p_{opt}-p_{ms})-p_{cus}$

式中，P_ms为风电机组机械损耗；P_cus定子铜耗，表达式如下：

$P_{cus}=3I_s^2{R}_s$

其中I_s、R_s分别为定子电阻和定子电流；

根据采集的转子电流i_r，求得其在同步速转旋坐标系d轴定向于定子磁链矢量时的dq轴分量i_rd、i_rq，结合P_opt与P_cus表达式，最大功率跟踪控制下的定子有功给定P_s ^*为：

$P_s^{*}=\frac{1}{1-s}(k_w{\mathrm{\&omega;}}_m^3-p_{ms})-3I_s^2{R}_s$

根据定子磁链定向矢量控制原理，得到定子有功与转子q轴电流之间关系如下：

$P_s=\frac{3L_m{\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{\&psi;}}_s}{2L_s}{i}_{rq}$

式中，ω₁为同步角速度；L_s为定子漏感；L_m为激磁电感；Ψ_s为定子磁链矢量，计算表达式如下：

ψ_s＝L_sI_s+L_mI_r

以计算的P_s ^*作为控制系统功率控制外环给定，并利用定子功率与转子电流的关系求得电流控制内环给定，即可实现基于功率反馈的机组最大功率跟踪控制。