風(fēng)電變流器的性能對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的影響分析

楊立娟

摘要：隨著全球氣候變暖和能源短缺等問題的日益嚴(yán)峻，風(fēng)能已成為全球發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)方向之一。作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件，風(fēng)電變流器的性能直接影響電能質(zhì)量和電網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。隨著電網(wǎng)并網(wǎng)導(dǎo)則和機(jī)組可靠性要求的日益嚴(yán)苛，大容量風(fēng)電機(jī)組采用全功率變換是趨勢(shì)所在。全功率變換風(fēng)電機(jī)組采用同步發(fā)電機(jī)或鼠籠異步電機(jī)為發(fā)電機(jī)，發(fā)電功率經(jīng)變流器全功率變換后接入電網(wǎng)，變流器的容量與發(fā)電機(jī)容量相匹配。全功率變流器使得發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)完全解耦，提升了風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組;變流器;電網(wǎng)異常

風(fēng)能作為一種可再生能源，已經(jīng)引起了國內(nèi)外的高度關(guān)注，裝機(jī)量逐年增加。作為風(fēng)電機(jī)組核心部件的并網(wǎng)變流器是影響風(fēng)電系統(tǒng)可靠性最重要的因素之一，因而得到廣泛研究。風(fēng)電機(jī)組變流器容易出現(xiàn)極端高、低溫現(xiàn)象，由于安裝空間有限，如何在有限空間內(nèi)對(duì)高頻、大電流的IGBT模塊、電容部件等進(jìn)行散熱成為變流器散熱設(shè)計(jì)和溫升研究的關(guān)鍵。作為發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的接口，風(fēng)電變流器是風(fēng)電機(jī)組中的核心設(shè)備，是機(jī)組電氣性能、變換效率、可用度的主要決定因素之一，是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵與核心。隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，風(fēng)電變流器的大容量化是發(fā)展趨勢(shì)。由于風(fēng)電功率波動(dòng)劇烈，風(fēng)電變流器的電熱應(yīng)力變化劇烈，給變流器的安全可靠帶來威脅。隨著風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)滲透率的不斷提高，需要風(fēng)電變流器有較高的電網(wǎng)適應(yīng)性和電網(wǎng)故障支撐能力，滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求。變流器實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率的安全可靠并網(wǎng)，需要滿足一系列基本要求：機(jī)側(cè)變流器用于控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，變速運(yùn)行實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤捕獲。網(wǎng)側(cè)變流器用于滿足相關(guān)并網(wǎng)導(dǎo)則，具有快速的有功功率響應(yīng)和無功控制能力。

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

雙饋風(fēng)電機(jī)組（DFIG）是最早的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)型。相對(duì)于其他風(fēng)電機(jī)型，它的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：變流器容量僅為發(fā)電機(jī)額定容量的25%～30%，功率損耗和成本較小。系統(tǒng)允許在限定的大范圍內(nèi)連續(xù)變速運(yùn)行（-30%～20%），風(fēng)能利用率高，可實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)交換的有功和無功功率的解耦控制。同時(shí)，它具有極數(shù)少、體積小、并網(wǎng)簡單等優(yōu)點(diǎn)，是目前市場(chǎng)上的主要機(jī)型。

當(dāng)風(fēng)速滿足啟動(dòng)條件時(shí)，風(fēng)力機(jī)葉片帶動(dòng)低速齒輪以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通過齒輪箱變速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

二、風(fēng)電機(jī)組變流器結(jié)構(gòu)

雙饋機(jī)組變流器系統(tǒng)是由網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子側(cè)系統(tǒng)和直流母線三部分組成。網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)包括網(wǎng)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)濾波器以及交流大電網(wǎng)。其中轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器各自由六個(gè)可控半導(dǎo)體開關(guān)器件構(gòu)成，這樣可以使能量雙向流動(dòng)。當(dāng)電流從直流母線流向網(wǎng)側(cè)變流器時(shí)，它將直流電流和電壓變化為一定頻率的交流電壓和電流，此時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器處于逆變模式，反之，當(dāng)電流從網(wǎng)側(cè)變流器流向直流母線時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器處于整流模式，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器處于逆變模式。總體來說，雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器是等價(jià)的。它們結(jié)構(gòu)上關(guān)于直流母線左右對(duì)稱，只是工作模式時(shí)刻相反。為保護(hù)發(fā)電機(jī)免受變流器引起的容性漏電流、軸電流和絕緣應(yīng)力增加等不利因素，一般在電機(jī)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器間安裝dv/dt濾波器。直流母線是由單個(gè)或多個(gè)電容構(gòu)成，主要是維持其端電壓的穩(wěn)定。

三、風(fēng)速變化對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器的影響

風(fēng)力發(fā)電裝置中，變流器作為風(fēng)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的中樞，是影響機(jī)組運(yùn)行安全和入網(wǎng)穩(wěn)定的關(guān)鍵器件。但風(fēng)電機(jī)組變流器不同于普通的電力拖動(dòng)所用的變流器。因?yàn)轱L(fēng)速時(shí)刻在變化，為了捕獲最大風(fēng)能，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流電壓以及頻率需要隨風(fēng)而波動(dòng)，而為了保證向電網(wǎng)輸送頻率和電壓穩(wěn)定的電能，網(wǎng)側(cè)變流器的電流同樣需要隨風(fēng)速而波動(dòng)。變流器的頻率、電壓和電流的不斷變化，將在功率模塊上產(chǎn)生劇烈的熱循環(huán)。現(xiàn)有文獻(xiàn)表明變流器失效故障中大部分是因IGBT功率循環(huán)損壞引起的。因此，精確估算風(fēng)電機(jī)組變流器功率模塊的損耗，分析其在不同風(fēng)速下的變化規(guī)律，準(zhǔn)確評(píng)估IGBT所受熱應(yīng)力并提高風(fēng)電變流器的可靠性，進(jìn)而保證風(fēng)電機(jī)組安全工作。

功率模塊損耗數(shù)學(xué)模型。在風(fēng)電變流器設(shè)計(jì)中，其功率模塊一般為多個(gè)芯片相并聯(lián)組成。通常多組IGBT和續(xù)流二極管（FWD）一起被封裝在模塊內(nèi)，模塊內(nèi)部用硅膠填充，然后整體進(jìn)行封裝。因此，IGBT和FWD管子的功率損耗是封裝模塊的最主要熱源。計(jì)算變流器功率模塊結(jié)溫，第一步是對(duì)IGBT和FWD的工作特性進(jìn)行分析，進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算IGBT和FWD上各自的功率損耗。某1.5MW雙饋風(fēng)機(jī)變流器轉(zhuǎn)子側(cè)IGBT模塊內(nèi)部等效電路，由單元模塊并聯(lián)構(gòu)成。IGBT和FWD型號(hào)相同，工作特性一致，因此在計(jì)算功率模塊損耗時(shí)，可拿出一組IGBT的工作過程進(jìn)行分析。

對(duì)于FWD器件，其損耗由通態(tài)損耗和反向恢復(fù)損耗兩部分構(gòu)成。在t0-t1的導(dǎo)通期間，由于通態(tài)電壓Vf和導(dǎo)通電流If的存在，產(chǎn)生了通態(tài)損耗cond-FWDP。在t1-t2的關(guān)斷期間，由于其反向阻斷能力的恢復(fù)需要過渡時(shí)間，此過程中流經(jīng)FWD的電流與其截至壓降同時(shí)存在，產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗sw-FWD P。現(xiàn)在電力電子器件中，反并聯(lián)二極管具有快速恢復(fù)特性，開通時(shí)間極短，開通損耗很小，約為關(guān)斷損耗的1%。對(duì)于IGBT器件，其損耗由開通損耗、通態(tài)損耗和關(guān)斷損耗三部分構(gòu)成。在t3-t4的導(dǎo)通期間，由于通態(tài)電阻的存在，它與飽和壓降Vce在通態(tài)電流Ic的作用下，產(chǎn)生了通態(tài)損耗cond-IGBT P。在t1-t3的開通期間和在t3-t4的關(guān)斷期間，IGBT所承受的電壓Vce和IGBT上集電極電流Ic有一段時(shí)間的重疊，將兩者瞬時(shí)值的乘積做分段積分運(yùn)算，可以看出，由于拖尾電流的存在，關(guān)斷時(shí)間要遠(yuǎn)大于開通時(shí)間，所以其關(guān)斷損耗遠(yuǎn)高于開通損耗。

結(jié)語：

綜上所述，IGBT器件功率損耗主要是由IGBT芯片的功率損耗和反并聯(lián)續(xù)流二極管（FWD）功率損耗兩部分構(gòu)成，而各元件的損耗又分為通態(tài)損耗和開關(guān)損耗兩部分，這些損耗就是IGBT器件結(jié)溫的熱源。

參考文獻(xiàn)

[1]孫祖勇，楊飛，孫遠(yuǎn).風(fēng)電變流器IGBT散熱性能研究[J].電力電子技術(shù)，2019（1）：47-49.