CN107612357A - 一种基于无功环流控制的主动防凝露方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于无功环流控制的主动防凝露方法，所述方法针对双馈机型全封闭式风电变流器，包括：按照变流器柜内空气湿度及温度计算凝露点温度，并作为热控制闭环的温度设定值，热控制闭环输出经计算得到无功环流设定值；依据风功率变化情况进行基于无功环流的热控制，使柜内散热器等温度始终高于柜内空气的凝露点温度，从而防止了变流器柜内凝露的发生。本发明无需增加任何辅助装置，只需修改变流器的控制策略；基于双馈式感应发电机(DFIG)和变流器联合无功环流控制的损耗控制技术，动态响应快；温度控制精度高，特别柜内湿度非常大时，温差较小，该方法依然适合；该技术方案简单，不需要对变流器及机组进行改造，同时能够很好地实现防凝露。
Description
技术领域
本发明涉及变流器控制技术领域，具体地，涉及一种基于无功环流控制的主动防凝露方法。
背景技术
目前，风电大规模发展，覆盖地区包括海上、滩涂等高湿、高盐雾地区。潮湿、高盐雾的环境不但容易造成变流器系统柜体的锈变、老化，降低结构和绝缘强度，还将严重影响电气设备及开关器件的工作寿命。因此海上风电变流器的柜体结构需满足对微尘、湿气、盐雾的防护需求。在海上风电机组运行环境中，如果变流器采用风冷却模式，必然会吸入大量带有盐雾、潮气的腐蚀性空气，对变流器器件、内部结构件等寿命产生不利影响，因此风冷却方式不适用于海上风电变流器系统。变流器柜体采用全封闭式设计，可以有效地与外界高盐雾、潮湿的环境隔离，但也造成了柜内热量无法和外部空气通过空气对流的方式排出机柜，因此需要采用全封闭式水冷却作为系统冷却方案。
由于风能的波动性和随机性，风速可能发生骤降，此时变流器功率下降，这就意味着损耗及由此产生的热量降低，在外部水冷散热功率恒定的情况下，此时水冷板和水循环管道温度急剧下降，而散热效率的问题，柜内空气温度下降较慢，将使柜内水冷板和水循环管道成为柜内的局部冷点。若局部冷点温度低于柜内的凝露点温度，则在水冷板和水循环管道上出现凝露现象。凝露会在电气设备金属表面发生电化腐蚀，损坏金属强度和性能，影响其使用寿命，而当凝露严重时可能会引起电气短路，若发生在功率模块表面上的凝露可能结合表面尘埃，在栅极和漏极之间形成导电通道，导致整个功率器件失效损坏，而控制器表面的凝露有可能造成短路、元件失效或信号混乱的情况，这些问题都将给变流器的控制和运行造成严重影响。
从凝露发生机理出发，水冷变流器中消除凝露两种有效方法：湿度控制法和温度控制法。湿度控制法是指降低空气中的绝对湿度，现有湿度控制防凝露技术主要是通过增加额外除湿机、干燥剂或吸附膜等除湿器件来降低空气中的绝对湿度，均需增加除湿装置，增加了成本，降低设备的可靠性。温度控制技术指控制水冷板的温度高于柜内空气的凝露点温度，从而避免凝露的产生。现有温度控制技术一般有两种：一种是启停外水冷装置，在水冷回路上加上带控制功能的旁通阀，水冷板温度变低时，将流入水冷板的水冷回路旁路掉，使冷却水温度高于凝露点温度，这种方式需要加装带控制功能的旁通阀，这将增加故障点，同时这种方法无法保证温度调节精度；另外一种是在水箱加热装置，通过控制加热装置确保冷却液的温度高于柜内空气的凝露点温度，但这种方法响应速度比较慢，需要配置额外的设备，同样增加了成本，增加了系统运行的故障点。
曹国荣等发表的“变频器的除湿防凝露研究”(变频器世界,2011,(6):129-132)，该论文总结归纳了现有的一些防凝露的方法，这些方法一个共有特点就是需要外加装置。这相对于风电尤其是海上风电15-30年的寿命来说都是一个薄弱点，而且大多数加装装置需要维护。这样增加成本，同时也降低了装置的可靠性。
中国公开号为CN103023277A的专利，公开了一种水冷变流器的防凝露的控制方法及装置，该专利温控方式采用增加加热器，当所述水箱的出水口的温度值t1低于凝露点温度值t0时对外部水箱加热，需要增加加热设备，在增加了成本的同时也降低了设备的可靠性。采用对水箱的水采用加热装置加热，由于水的比热容比较大，对水加热升温的速度非常缓慢。当检测到水温低于柜内的凝露点温度后然后对水进行加热，由于动态响应速度的问题，可能柜内局部冷点已经发生了凝露现象。
中国公开号为CN103616909A的专利，公开了一种水冷变流器功率柜控制方法、装置，该方法采用启停热交换装置，但没有明确如何启停热交换装置，一般情况下有两种：一种是将热交换装置的外风机停止运行，降低热交换能力，另外一种是将热交换装置通过水阀关闭。第一种需根据需要启停外风机，这对风机的运行寿命是有影响的；第二种需加装三通阀，同样三通阀的寿命直接影响了装置的运行。这些降低了装置运行的可靠性。采用启停的方式不能实现无级平滑调温，无法保证温控的分辨率。所以在该发明中需要保证柜内在一定的相对湿度，这样只要柜内温度与回水温度相差一个相对较大的值才能防凝露现象。而保证相对湿度需要采用加热，当绝对湿度相对较高时，需保证柜内的温度也相对较高，那么此时对柜内的一些的元器件的热寿命是有一定影响的。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无功环流控制的主动防凝露方法。该方法是针对双馈机型全封闭式风电变流器的一种基于变负载电流的损耗控制技术，并通过损耗控制技术实现变流器的主动防凝露，仅需对变流器的控制策略进行修改，无需增加其他设备，并且动态响应快，具有无级温控能力。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明所述的无功环流控制的主动防凝露方法，所述方法针对双馈机型全封闭式风电变流器，所述双馈机型全封闭式风电变流器包括双馈式感应发电机，电网经过一个双向变流器与双馈式感应发电机的转子相连；
所述方法包括：
按照变按照变流器柜内的空气湿度RH、柜内空气温度T计算凝露点温度Ts,ref，并将凝露点温度Ts,ref作为变流器热控制闭环的温度设定值，热控制闭环输出为变流器输出的总负载电流Ig，变流器输出d轴电流Id，通过式计算得到无功环流控制的设定值Iq,ref；
依据风功率变化情况进行基于无功环流的热控制，使柜内散热器温度始终高于柜内空气的凝露点温度Ts,ref，从而防止变流器柜内凝露的发生。
优选地，所述方法通过预先装有的柜内湿度、温度传感器获得柜内空气湿度和温度，并通过计算获得柜内空气的凝露点温度，将该凝露点温度作为变流器热控制闭环中的温度外环的设定值Ts,ref。
所述方法通过预先装有的柜内湿度及温度传感器获得柜内空气湿度及空气温度，并根据空气湿度及温度与凝露点温度关系获得柜内空气的凝露点温度Ts,ref，并将该凝露点温度作为变流器热控制闭环中的温度外环的设定值。
更优选地，所述根据空气湿度及温度与凝露点温度对应关系获得柜内空气的凝露点温度，是指：变流器柜内的湿度RH、柜内空气温度T根据饱和水汽压计算公式计算得到柜内空气的凝露点温度Ts,ref：
其中，常数β＝17.62，γ＝243.12℃。
优选地，所述方法在水冷散热器处预先安装温度传感器，用于获得散热器温度T，将散热器温度T与Ts,ref进行比较：
如果散热器温度T高于Ts,ref，此时散热器的温度高于凝露点温度，并不会发生凝露现象，温度控制器退出运行，系统负载电流不变；
如果散热器温度T不高于Ts,ref，将测量获得的散热器温度T与Ts,ref作为温度控制器输入，输出为变流器输出的总负载电流Ig，计算得到无功环流控制的设定值Iq,ref；；
通过变流器有功无功解耦控制，使水冷散热器的温度始终保持在Ts,ref以上，保证水冷散热器的温度高于凝露点温度，防止凝露现象发生。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)本发明无需增加任何辅助装置，只需修改变流器的控制策略；
2)本发明是基于双馈式感应发电机(DFIG)和变流器联合无功环流的损耗控制技术，动态响应快；
3)本发明温度控制精度高，特别柜内湿度非常大时，温差较小，该方法依然适合；
该技术方案简单，不需要对变流器及机组进行改造，同时能够很好地实现防凝露。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为Foster热阻抗网络模型图；
图2为双馈机型全封闭式风电变流器结构示意图；
图3为DFIG和变流器联合无功环流控制的功率流通示意图；
图4为基于DFIG和变流器联合无功环流控制的热控制技术电流矢量图；
图5为基于DFIG和变流器联合无功环流控制的主动防凝露控制框图；
图6为柜内空气温度、湿度、凝露点温度关系图；
图7为用于仿真的风速曲线；
图8为基于DFIG和变流器联合无功环流控制的三相电流波形，其中：(a)电网侧三相电流，(b)变流器输出三相电流；
图9为基于DFIG和变流器联合无功环流控制的三相电流放大波形，其中：(b)电网侧三相电流，(b)变流器输出三相电流；
图10为防凝露控制前后温度情况，其中：(a)防凝露控制前温度情况(b)防凝露控制后温度情况。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
基于损耗的热控制技术是通过对功率模块的损耗控制，改变功率器件的热环境。功率器件IGBT和DIODE的损耗由导通损耗和开关损耗组成。在功率器件定型及直流母线电压恒定的情况下，IGBT导通损耗只与负载电流机调制方式有关系，而开关损耗与负载电流、开通损耗能量ESW(on)、关断损耗能量ESW(OFF)、开关频率fSW、调制方式及直流母线电压相关。其中ESW(on)、ESW(OFF)除了与IGBT开关器件本身特性相关外，还与温度、电压、电流、驱动电阻(开关脉冲的波形)相关。DIODE是被动开关器件，它的开关损耗除了其本身特性以外，只与温度、直流母线电压、负载电流相关。因此可以通过调整调制方式、开关频率、驱动波形(通过驱动电阻调节上升、下降斜率)、负载电流及直流母线电压控制变流器损耗。从图1功率器件的Foster热阻抗模型可以看出，控制变流器损耗PIGBT，可以控制散热器温度TH，从而实现了变流器的主动热控制。
如图2所示，双馈机型风电变流器的系统结构示意图，包括双馈式感应发电机(DFIG)，电网经过一个双向变流器与双馈式感应发电机的转子相连。从该图中看出，通过变流器控制可以实现双馈电机定子及网侧变流器有功、无功电流解耦控制。
如图3所示，DFIG和变流器联合无功环流控制的功率流通示意图，其中：DFIG定子侧发出一定的无功电流Q，变流器吸收一定得无功功率Q，让变流器和双馈电机之间实现无功环流，从而即可在保证整个风电机组并网电流不变的前提下，调节变流器上负载电流大小，改变功率模块的导通和开关损耗，实现对变流器的热控制，同时不影响风电机组与电网的功率交互。
变流器热控制闭环是指通过变流器损耗及散热条件等的闭环控制调整变流器的热状态，从而提高变流器的健康运行水平。
如图4所示，基于DFIG和变流器联合无功环流控制的热控制技术电流矢量图，其中：变流器的初始电流幅值为Ig0，在电网电压定向的同步旋转坐标系下，得到dq轴电流为Id0、Iq0，此时假设功率因数为cosθ。当风电功率跌落时，风机按照最大功率跟踪的方式运行，则变流器的输出的d轴电流减小为Id1，此时变流器输出电流变小，此时引入无功环流控制技术，变流器吸收无功电流，保持变流器的负载电流幅值不变，则变流器的q轴电流控制为Iq1即：
控制Ig0＝Ig1，则增加的无功电流为：
IQ＝Iq1-Iq0
从上式可知，变流器通过增加无功电流IQ，风功率跌落前后流过变流器的电流Ig0和Ig1幅值相同，能够保证风功率波动之后，变流器的负载电流幅值一致，这意味着通过无功电流的控制实现了变流器的损耗控制，从而实现了热调节。同时DFIG定子端发出同样大小的无功电流，使DFIG与变流器的无功电流在内部循环，并不改变整个风电机组的输出功率及功率因数。
如图5所示，基于上述原理说明，本发明提供的基于DFIG和变流器联合无功环流控制的主动防凝露方法的原理图，其中：
按照变流器柜内的空气湿度RH、柜内空气温度T计算得到柜内空气的凝露点温度Ts,ref；
采集所有散热器温度，并可以采用一定低通滤波器滤除温度采集通道的高频干扰，选取散热器最小温度值Ts与Ts,ref比较：
当Ts大于Ts,ref时，不会发生凝露现象，无功电流环不投入；
当Ts小于或等于Ts,ref时，存在发生凝露的风险，将Ts与Ts,ref差值输入到温度控制器，输出为变流器的负载电流，与变流器输出d轴电流Id的矢量差为变流器吸收相应的无功电流Iq,ref，而DFIG定子输出相同的无功电流，风电机组总电流输出不变，保持Ts等于Ts,ref直到无功电流再次为零，此时在工作点时Ts始终不小于Ts,ref，无功电流环再次退出，结束主动防凝露控制。
因此基于无功电流的主动放凝露控制只是在Ts小于或等于Ts,ref时候起作用，作用时间短，对于机组的整体效率影响不大。
具体的，图5中：变流器柜内的湿度RH、柜内空气温度T根据饱和水汽压计算公式(马格纳斯公式)计算得到柜内空气的凝露点温度Ts,ref：
其中，常数β＝17.62，γ＝243.12℃。
如图6所示，为根据上述公式计算出来的变流器柜内的湿度RH、柜内空气温度T与柜内空气的凝露点温度Ts,ref对应关系图；当然，该图中仅是部分数据关系，根据上述公式，可以计算出所需各种情况下的柜内空气温度、湿度、露点温度关系。
以下提供本发明上述方法的仿真例：
如图2所示，采用350kW双馈风电变流器为例，接口电网电压为690V/50Hz，直流母线电容器组为38.8mF，直流母线电压给定值为1100V，开关频率为3kHz。
建立的Matlab/Simulink 350kW双馈发电机组仿真平台上。为了能够体现DFIG和变流器联合无功环流控制的作用，仿真中所采用的风速曲线是简化的阶跃式风速模型，如图7所示，共分为三个阶段：
(1)第一阶段：[0,1s]区间风速为6m/s；
(2)第二阶段：[1s,3.5s]区间风速增大到10m/s，此时风电变流器有功电流变大，结温上升，从图5热控制框图来看，无功电流调整值为0；
(3)第三阶段：[3.5s,5.5s]区间风速从10m/s减小到8m/s，依据图5的上述温度判断准则，此时加入DFIG和变流器联合无功环流控制；
(4)第四阶段：[5.5s,8s]区间风速从8m/s再次增加到10m/s，依据图5的上述温度判断准则，DFIG和变流器联合无功环流控制不起作用。
依照图7的风速变化曲线，第三阶段为变流器处于DFIG和变流器联合无功环流控制的状态，基于DFIG和变流器联合无功环流控制，如图8和图9所示：
从图8中(a)、图9中(a)可以看出变流器输出有功电流随着风速变化而变化，电流环响应速度很快。
从图8中(b)、图9中(b)可以看出在第三阶段，变流器吸收无功电流使得变流器的电流大小不变，维持功率开关器件的结温稳定。
为了验证防凝露控制技术，基于PLECS和Matlab/Simulink350kW双馈风电机组电热仿真平台进行仿真分析。仿真结果如图10所示。假定正常运行中水冷板温度与柜内控制保持在同一温度，当风速突然下降时，变流器功率及损耗下降，水冷板温度将很快下降，柜内空气由于散热条件限制，其温度缓慢下降，如图10中(a)所示。此时水冷板温度比柜内控制温度低达到十多度，从图6可知，当柜内空气湿度为Φ＝80％，此时水冷板将会发生凝露现象。而湿度Φ＝80％是风电变流器装备湿度范围之内，这种工况在实际运行中是可能出现的，那么如果不进行热控制的话，水冷板上将出现凝露，对变流器的可靠运行产生不利的影响。
使用基于DFIG和变流器联合无功环流控制的热控制技术，在风功率降低后先使用DFIG发出无功功率，变流器吸收无功电流的方法增加变流器器件损耗，然后通过检测水冷板温度和柜内空气温度，得到一定的调节率逐步降低无功电流注入的大小，保证两者的温差在一定的范围内，同时控制两者温度最终稳定于相同的稳定值，然后再结束基于DFIG和变流器联合无功环流控制的热控制，使变流器再次处于高效的工作状态。如图10中(b)所示，此时温差控制3℃以内，那么从图6可知，在柜内空气湿度为Φ＝80％时，水冷板上不会发生凝露现象。由此可知通过基于变负载电流的热控制技术，避免凝露现象发生，实现了变流器的防凝露状态控制，从而提高了变流器的可靠性。
本发明是针对水冷变流器，采用基于DFIG和变流器联合无功环流控制的损耗控制技术，在变流器功率下降的时候，DFIG发出无功功率，变流器吸收无功功率，通过短时提高变流器的损耗，控制水冷板高于柜内空气的凝露点温度，避免凝露现象的发生。本发明通过变流器本身的控制技术实现防凝露，不需要增加任何辅助设备；能够实现连续可调，实现温度准确控制，实现柜内高湿度时候基于温度控制的防凝露技术；响应速度快。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种基于无功环流控制的主动防凝露方法，其特征在于：所述方法针对双馈机型全封闭式风电变流器，所述双馈机型全封闭式风电变流器包括双馈式感应发电机，电网经过一个双向变流器与双馈式感应发电机的转子相连；
所述方法包括：
按照变按照变流器柜内的空气湿度RH、柜内空气温度T计算凝露点温度Ts,ref，并将凝露点温度Ts,ref作为变流器热控制闭环的温度设定值，热控制闭环输出为变流器输出的总负载电流Ig，变流器输出d轴电流Id，通过式计算得到无功环流控制的设定值Iq,ref；
依据风功率变化情况进行基于无功环流的热控制，使柜内散热器温度始终高于柜内空气的凝露点温度Ts,ref，从而防止变流器柜内凝露的发生。
2.根据权利要求1所述的基于无功环流控制的主动防凝露方法，其特征在于：所述方法通过预先装有的柜内湿度及温度传感器获得柜内空气湿度及空气温度，并根据空气湿度及温度与凝露点温度关系获得柜内空气的凝露点温度Ts,ref，并将该凝露点温度作为变流器热控制闭环中的温度外环的设定值。
3.根据权利要求2所述的基于无功环流控制的主动防凝露方法，其特征在于：所述根据空气湿度及温度与凝露点温度对应关系获得柜内空气的凝露点温度，是指：变流器柜内的湿度RH、柜内空气温度T根据饱和水汽压计算公式计算得到柜内空气的凝露点温度Ts,ref：
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其中，常数β＝17.62，γ＝243.12℃。
4.根据权利要求1所述的基于无功环流控制的主动防凝露方法，其特征在于：所述方法在水冷散热器处预先安装温度传感器，用于获得散热器温度T，将散热器温度T与Ts,ref进行比较：
如果散热器温度T高于Ts,ref，此时散热器的温度高于凝露点温度，并不会发生凝露现象，温度控制器退出运行，系统负载电流不变；
如果散热器温度T不高于Ts,ref，将测量获得的散热器温度T与Ts,ref作为温度控制器输入，输出为变流器输出的总负载电流Ig，计算得到无功环流控制的设定值Iq,ref；；
通过变流器有功无功解耦控制，使水冷散热器的温度始终保持在Ts,ref以上，保证水冷散热器的温度高于凝露点温度，防止凝露现象发生。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于无功环流控制的主动防凝露方法，其特征在于：所述方法基于双馈式感应发电机和变流器联合无功环流控制的热控制技术，其中：
设变流器的初始电流幅值为Ig0，在电网电压定向的同步旋转坐标系下，得到dq轴电流为Id0、Iq0，此时假设功率因数为cosθ；当风电功率跌落时，风机按照最大功率跟踪的方式运行，则变流器的输出的d轴电流减小为Id1，变流器输出电流变小，此时引入无功环流控制技术，变流器吸收无功电流，保持变流器的负载电流幅值不变，则变流器的q轴电流控制为Iq1即：
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控制Ig0＝Ig1，则增加的无功电流为：
IQ＝Iq1-Iq0
从上式可知，变流器通过增加无功电流IQ，风功率跌落前后流过变流器的电流Ig0和Ig1幅值相同，能够保证风功率波动之后，变流器的负载电流幅值一致，这意味着通过无功电流的控制实现了变流器的损耗控制，从而实现了热调节；同时双馈式感应发电机定子端发出同样大小的无功电流，使双馈式感应发电机与变流器的无功电流在内部循环，并不影响整个风电机组的输出功率及功率因数。
6.根据权利要求1-4任一项所述的基于无功环流控制的主动防凝露方法，其特征在于：所述双馈式感应发电机定子侧发出一定的无功电流Q，变流器吸收一定的无功功率Q，让变流器和双馈式感应发电机之间实现无功环流，从而在保证整个风电机组并网电流不变的前提下，调节变流器上负载电流大小，改变功率模块的导通和开关损耗，实现对变流器的热控制，同时不影响风电机组与电网的功率交互。
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