雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電熱特性分析

王傳東，向大為，王騰（同濟(jì)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，上海 201804）

雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電熱特性分析

王傳東，向大為，王騰
（同濟(jì)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，上海 201804）

雙饋風(fēng)機(jī)（DFIG:doubly-fed induction generator）轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電氣和熱特性直接影響系統(tǒng)運(yùn)行性能與可靠性。為提高雙饋風(fēng)機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，論文對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電熱運(yùn)行特性進(jìn)行了分析。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究了系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)對(duì)于發(fā)電機(jī)PWM諧波以及變流器功率器件結(jié)溫的影響。研究結(jié)果表明：雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，PWM諧波與器件結(jié)溫主要受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差和變流器開(kāi)關(guān)頻率的影響。深入理解轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電熱特性有助于進(jìn)一步提高雙饋發(fā)電機(jī)以及轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的設(shè)計(jì)與控制。

雙饋風(fēng)機(jī)；IGBT可靠性；開(kāi)關(guān)頻率；PWM諧波；功率器件結(jié)溫

0　引言

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，已經(jīng)成為人類(lèi)解決能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題的重要手段[1]。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，市場(chǎng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能要求越來(lái)越高。提高可靠性可有效降低風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維成本、增加利用率，是目前風(fēng)電行業(yè)廣泛關(guān)注的重要技術(shù)[2]。特別對(duì)海上風(fēng)電，由于環(huán)境惡劣、可達(dá)性差，風(fēng)機(jī)運(yùn)維困難、成本高、停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，這些都對(duì)機(jī)組運(yùn)行可靠性提出了新的挑戰(zhàn)[2]。

由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器產(chǎn)生的PWM諧波對(duì)于雙饋發(fā)電系統(tǒng)有著重要的影響，為了抑制PWM諧波就必須要了解PWM諧波的運(yùn)行特性。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于諧波的研究主要分為三個(gè)方面：第一，諧波分析方法即通過(guò)建模、等效電路模型來(lái)計(jì)算分析和推導(dǎo)諧波[3-5]；第二，諧波消除控制，通過(guò)對(duì)DFIG系統(tǒng)的控制來(lái)消除低次諧波從而減少自身的諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高輸出電能品質(zhì)[6-7]；第三，基于諧波的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)諧波特性和信號(hào)處理算法來(lái)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和DFIG的故障診斷[8-9]。上述對(duì)于諧波的研究很少將關(guān)注點(diǎn)放在PWM高次諧波上，而本文在系統(tǒng)運(yùn)行范圍內(nèi)從仿真到實(shí)驗(yàn)對(duì)PWM諧波的運(yùn)行特性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：PWM諧波隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差的減小明顯減小。

另一方面，變流器是風(fēng)電機(jī)組中故障率最高的部件之一[2，10-11]。雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器容量較小且運(yùn)行頻率很低，其運(yùn)行可靠性倍受關(guān)注[12-14]。隨著變流器運(yùn)行頻率減小，功率器件（包括IGBT和二極管）暫態(tài)熱阻抗增大，使得結(jié)溫（包括最高溫度、平均溫度和溫度波動(dòng)）上升，影響變流器短期（主要受最高結(jié)溫影響）及長(zhǎng)期（主要受結(jié)溫波動(dòng)及平均結(jié)溫影響）運(yùn)行可靠性。因此，研究轉(zhuǎn)子側(cè)變流器功率器件在運(yùn)行范圍內(nèi)的溫度特性有助于于提高變流器運(yùn)行可靠性。

本文通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地分析了雙饋發(fā)電系統(tǒng)的PWM諧波以及變流器功率器件的結(jié)溫（包括最高溫度、平均溫度和溫度波動(dòng)）在系統(tǒng)運(yùn)行范圍內(nèi)的運(yùn)行特性，相關(guān)研究工作有助于提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制。

1　理論分析

雙饋風(fēng)機(jī)PWM諧波的運(yùn)行特性可利用圖1-2進(jìn)行說(shuō)明。根據(jù)雙饋風(fēng)機(jī)PWM諧波等值電路（圖1）可知：作為諧波源，發(fā)電機(jī)各變量的PWM諧波均取決于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸出電壓諧波的大小。運(yùn)行過(guò)程中，雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓及轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的調(diào)制系數(shù)將隨轉(zhuǎn)差率降低成比例下降。相應(yīng)地，轉(zhuǎn)子電壓PWM諧波（主要集中在1倍和2倍開(kāi)關(guān)頻率附近）也明顯減?。ㄒ?jiàn)圖2），特別在同步速工作點(diǎn)，理論上講發(fā)電機(jī)中所有變量的PWM諧波均會(huì)減小到零。

轉(zhuǎn)子電壓PWM諧波由高頻PWM載波與轉(zhuǎn)子電壓基波共同調(diào)制產(chǎn)生的，隨著轉(zhuǎn)差率下降，轉(zhuǎn)子電壓基波幅值下降，輸出電壓越接近于PWM載波?？紤]到發(fā)電機(jī)的三相對(duì)稱(chēng)性，PWM載波為零序分量，不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)造成影響，因此發(fā)電機(jī)中的有效PWM諧波會(huì)隨轉(zhuǎn)差率下降而明顯減小。

雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器由于運(yùn)行在轉(zhuǎn)差頻率（如0～15Hz），在這樣低頻范圍內(nèi)，功率器件（包括IGBT和二極管）暫態(tài)熱阻抗增大，使得結(jié)溫（包括最高溫度、平均溫度和溫度波動(dòng)）上升，減小IGBT與二極管溫度循環(huán)次數(shù)，降低變流器的可靠性。

圖1　雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與諧波等值電路Fig.1 System structure and harmonic equivalent circuit of DFIG wind turbine

2　建模與仿真

論文利用MATLAB/PLECS搭建了一個(gè)典型的2MW的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型[15-17]，并在此模型上進(jìn)行了電—熱仿真分析。

2.1PWM諧波特性

圖3為PWM諧波在不同運(yùn)行條件下的仿真結(jié)果。從圖中可以看出：PWM諧波隨著轉(zhuǎn)差的變化最為明顯，定子無(wú)功的影響相比較小，PWM諧波最大的點(diǎn)（critical point）發(fā)生在轉(zhuǎn)差最大且過(guò)勵(lì)運(yùn)行工作點(diǎn)；圖3（b）中，電流PWM諧波隨著開(kāi)關(guān)頻率的下降而增大，但是定子電壓的PWM諧波保持不變。

圖2　轉(zhuǎn)子電壓PWM諧波與調(diào)制系數(shù)的關(guān)系Fig.2 The relationship between rotor voltage PWM harmonic and modulation index

2.2轉(zhuǎn)子變流器熱特性

圖4為PLECS仿真模型中采用的IGBT模塊的損耗模型，圖5為變流器功率器件IGBT的溫度穩(wěn)態(tài)特性的仿真結(jié)果。由圖可以看出：IGBT的溫度波動(dòng)在同步運(yùn)行點(diǎn)附近較大，這是由于同步點(diǎn)附件功率器件的暫態(tài)熱阻增大造成的，而隨著轉(zhuǎn)速的增加，功率增加，所以最大溫度是隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加的。圖6為轉(zhuǎn)速?gòu)念~定運(yùn)行點(diǎn)的ωr=1.2pu下降到次同步運(yùn)行點(diǎn)ωr=0.8pu時(shí)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果。與穩(wěn)態(tài)特性相同，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步運(yùn)行點(diǎn)時(shí)，變流器功率器件（包括IGBT與二極管）結(jié)溫波動(dòng)明顯增加，這不利于變流器長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

圖3　不同運(yùn)行條件下PWM諧波仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of PWM harmonics under different operation conditions

圖4　PLECS中IGBT模塊損耗模型Fig.4 IGBT module loss model in PLECS

3　實(shí)驗(yàn)研究

為進(jìn)一步研究雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電熱特性，我們搭建了一套7.5kW/380V的雙饋風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖5　IGBT結(jié)溫穩(wěn)態(tài)特性Fig.5 Steady-state characteristics of IGBT junction temperature

圖6　系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of system dynamic-state performance

3.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖7為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖，包括：一臺(tái)7.5kW的繞線(xiàn)式感應(yīng)電機(jī)作為雙饋電機(jī)，原動(dòng)機(jī)采用由11kW變頻器驅(qū)動(dòng)的7.5kW感應(yīng)電機(jī)；轉(zhuǎn)子側(cè)變流器為15kW自制三相PWM變流器，網(wǎng)側(cè)變流器采用15kW臺(tái)達(dá)有源前端經(jīng)電抗器連接電網(wǎng)；控制器基于DSP TMS320F28335開(kāi)發(fā)而成，而IGBT芯片溫度則由MAGNITY公司紅外熱像儀測(cè)量。

圖7　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖Fig.7 Picture of test rig

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8為PWM諧波在不同轉(zhuǎn)差和開(kāi)關(guān)頻率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)差與開(kāi)關(guān)頻率對(duì)PWM諧波有著明顯影響。圖9-10分別為紅外熱像儀測(cè)得的IGBT芯片結(jié)溫穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果顯示在同步點(diǎn)附近結(jié)溫波動(dòng)和平均溫度都達(dá)到最大。圖10為實(shí)驗(yàn)所測(cè)得IGBT結(jié)溫的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。

4　結(jié)論

論文對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)PWM諧波和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器器件結(jié)溫特性進(jìn)行了研究并得出以下結(jié)論：

1）轉(zhuǎn)差對(duì)PWM諧波的影響最大，PWM諧波隨轉(zhuǎn)差的減小而減小，但此時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器功率器件的結(jié)溫最高；

2）開(kāi)關(guān)頻率對(duì)于PWM諧波和功率器件結(jié)溫也有較大的影響，隨著開(kāi)關(guān)頻率下降，PWM諧波增大（除定子電壓PWM諧波），器件溫度下降；

深入理解PWM諧波和變流器器件的熱特性有助于提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及變流器的設(shè)計(jì)與控制。

圖8　不同運(yùn)行條件下PWM諧波實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experiment results of PWM harmonics under different operation conditions

圖9　IGBT結(jié)溫特性Fig.9 IGBT junction temperature characteristics

圖10　系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experiment results of system dynamic-state performance

[1] WU B，LANG Y，KOURO S，et al. Power conversion and control of wind energy systems[M]. NJ:Wiley，2011.

[2] TAVNER P. Offshore wind turbines: reliability，availability and maintenance[M]. London: CPI Group，2012.

[3] FAN L，YUVURAJAN S，KAVASSERI R. Harmonic analysis of a DFIG for a wind energy conversion system[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion，2010， 25（1）: 181-190.

[4] HERNANDEZ E，MADRIGAL M. A step forward in the modeling of the doubly-fed induction machine for harmonic analysis[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion，2014，29（1）: 149-157.

[5] FANG J，STAUDT V，STEIMEL A. Modeling of doubly-fed induction generator with strong slot harmonic[R]. Vienna: IECON，2013，2989-2994.

[6] LIU C，BLAABJERG F，CHEN W，et al. Stator current harmonic control with resonant controller for doubly fed induction generator[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（7）: 3207-3220.

[7] XU H，HU J，HE Y. Operation of wind-turbine-driven DFIG systems under distorted grid voltage conditions: analysis and experimental validations[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（5）: 2354-2366.

[8] STEFANI A，YAZIDI A，ROSSI C，et al. Doubly Fed Induction Machines Diagnosis Based on Signature Analysis of Rotor Modulating Signals[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2009，44（6）: 1711-1721.

[9] GRITLI Y，ZARRI L，ROSSI C，et al. Advanced Diagnosis of Electrical Faults in Wound-Rotor Induction Machines[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（9）: 4012-4024.

[10] BLAABJERG F，LISERRE M，MA K. Power electronics converters for wind turbine systems [J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2012，48（2）:708-718.

[11] YANG S，XIANG D，BRYANT A，et al. Condition monitoring for device reliability in power electronic converters: A review [J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（11）: 2734-2752.

[12] BRUNS M，RABELO B，HOFMANN W. Investigation of doubly-fed induction generator drives behaviour at synchronous operating point in wind turbines [R]. Barcelona: EPE，2009，1-10.

[13] ZHOU D，BLAABJERG F. Thermal analysis of two-level wind power converter under symmetrical grid fault [R]. Vienna: IECON，2013，1904-1909.

[14] ZHOU D，BLAABJERG F，TONNES M. Thermal cycling overview of multi-megawatt two-level wind power converter at full grid code operation [J]. IEEJ Journal of Industry Applications，2013，2（4）: 173-182.

[15] 向大為，王傳東，劉也可. 一種雙饋風(fēng)電變流器開(kāi)關(guān)頻率的控制方法及系統(tǒng) [P]. 中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)枺?01510136652.2，2015.3.26

XIANG Da-wei，WANG Chuan-dong，LIU Ye-ke. A method of control and system for DFIG converter switching frequency[P]. Chinese invention patent，Application Number: 201510136652.2，2015.3.26

[16] 陳麗娟，唐勇奇，林軒，等. 永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器仿真分析[J]. 新型工業(yè)化，2015，5（6）：19-26.

CHEN Li-juan，TANG Yong-qi，LIN Xuan，et al. Simulation of the Converter of the Permanent Magnet Direct-drive Wind Power Generation System[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（6）：19-26.

[17] 谷雅瓊，于惠鈞，鄧棟，等. 基于MATLAB的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越仿真[J].新型工業(yè)化，2014，4（10）：18-22.

GU Ya-qiong，YU-Hui-jun，DENG Dong，et al. Wind Turbine Generator Low Voltage Ride Through Based on MATLAB[J]. The Journal of New Industrialization，2014，4（10）: 18-22.

Analysis of Electric and Thermal Characteristics of Rotor-Side Converter of the Doubly-fed Induction Generator System

WANG Chuan-dong, XIANG Da-wei, WANG Teng
(School of Electrical and Information Engineering, Tongji university, Shanghai 201804, China)

The electrical and thermal characteristics of rotor-side converter directly affect the performance and reliability of the doubly-fed induction generator（DFIG）system. This paper research on electrical and thermal characteristics of rotor-side converter（RSC）to improve the technical and economic performance of DFIG. Simulation and experiment have been done to study the system operation point’s influence on generator pulse-width modulation（PWM） harmonics and power device junction temperature of rotor-side converter. The results showed that PWM harmonics and junction temperature is mainly affected by generator slip and converter switching frequency during the operation of DFIG system. It’s helpful to improve the design and control of DGIG and RSC by understanding electrical and thermal characteristics of rotor-side converter deeply.

DFIG;IGBT reliability;Switching frequency; PWM harmonics; Power device junction temperature

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.10.004

WANG Chuan-dong, XIANG Da-wei, WANG Teng. Analysis of Electric and Thermal Characteristics of Rotor-Side Converter of the Doubly-fed Induction Generator System[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5 （10）: 21-26.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51207110），（51137006）

王傳東（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡p饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制與應(yīng)用，變流器可靠性研究；向大為（1977-），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電的控制和檢測(cè)，電力電子器件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和可靠性提升；王騰（1993-）男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電的控制

本文引用格式：王傳東，向大為，王騰.雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電熱特性分析[J]. 新型工業(yè)化，2015，5（10）：21-26.