基于无功环流的风电变流器热负荷优化控制唐毅刚.docx

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基于无功环流的风电变流器热负荷优化控制唐毅刚

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摘要：大容量风电变流器的设计寿命决定了其可靠性，非常关键，而变流器中功率半导体器件的结温将随着风速变化，即随变流器运行功率的变化而波动，这将增加器件的失效率，从而影响到变流器的可靠性。针对这个问题，提出了一种基于无功环流的风电变流器热负荷优化控制策略，首先以双馈风电机组作为研究对象，对其变流器转子侧和网侧的无功环流运行边界范围进行了计算，然后分析了无功环流对变流器中各个功率器件的电流和热负荷分布的影响，从而设计了将额外的无功功率注入以在风速变化时保持功率器件热稳定的优化控制方法。最后，基于Matlab/Plecs的仿真平台建立了风电机组仿真模型并进行了对比计算。结果表明，风速变化时新控制方法使变流器的功率器件最大结温波动较传统方法减小了4℃，从而验证了其有效性。

关键词：风电变流器；双馈感应发电机；无功功率；热循环；结温

引言

近年来，由于传统能源存在的不可持续问题，新能源得到了广泛使用，尤其是风力发电增长迅猛。随着装机容量的增长，单个风力发电机组的容量也在快速持续增加，陆基风电也逐步发展到海上风电，甚至发展到中压系统，但也存在成本高和维护性差的缺点，因此目前主流的商业化机型仍是低压系统。而在低压风电机组中，基于双馈感应电机DFIG（doublyfedinduc-tiongenerator）和半功率变流器的机型得到了广泛的使用。其研究重点集中在机组的可靠运行上，比如风电变流器的设计使用寿命常常达到20-25a。对于风电变流器而言，从可靠性设计的角度，功率半导体器件是薄弱环节，相关研究表明其热性能，尤其是平均结温和结温波动对其可靠性有显著影响。

1风力发电与风电变流器的发展状况

与其他可再生能源发电相比，人们对于风能发电的基础较为成熟，就要来一电的规模化开发条件和产业化发展前景，而风能发电作为一项走在科学眼沿的产业，被我国定为战略性的新型产业。在世界中，我国是风电装机持续增长速度最快，持续增长风电装机容量最大的国家。早在2012年，我国就成为了世界第一风电并网大国。成功的超越了核能发电，成为水力发电，火力发电之后的第三大电源。随着中国科学技术的不断发展，相关行业的技术也得到了世界前列。在风力发电的过程中，风电变流器就是风力发电的一个核心部件，在这一项技术上中国已经走上了成熟，为中国经济的快速发展和人民生活水平的提高提供了强有力的保证。

2无功功率对电流特性的影响

2.1GSC侧的无功功率运行边界

图2为GSC单相简化等效电路图，其中Lg为滤波电感，ug为电网相电压，uC为GSC的输出电压。根据图1中功率方向的定义，可绘制施加容性无功功率的GSC矢量图如图3所示。因为DFIG在亚同步和超同步工作模式下具有相反的有功功率方向，其有功电流参考分别如图3a和图3b所示。如果引入感性无功功率，则可以将原图中的q轴电流旋转180°得到新矢量图。

2.2风电变流器的电流运行特征

电流幅值和功率因数角是背靠背风电变流器功率器件负荷相关的2个指标，因此，有必要研究在无功功率允许运行范围内对电流特性的影响。如果选择风速5.9m/s和10.1m/s作为亚同步和超同步2种工作模式下的典型运行风速，则通过计算可以得到GSC和RSC的无功功率的运行范围，如表1所示。

3基于无功环流的热负荷优化控制策略

3.1正常工况下的功率器件热负荷分布

功率半导体器件IGBT和二极管的损耗可分为导通损耗和开关损耗这2类。根据相关文献，导通损耗和开关损耗都是和流过功率器件的电流相关的，可以用分段线性函数拟合建模，并结合数据手册提供的参数进行仿真计算。而变流器功率器件的热传导模型可采用经典的Cauer模型，即4级RC网络模型，具体的参数也可以从器件手册上获取。

3.2注入无功后的功率器件热负荷分布

根据表1中计算的DFIG系统允许无功功率范围，可以分析计算出注入感性无功、容性无功和不注入无功时的功率器件热负荷分布。图8所示为风速10.1m/s时，即超同步工作模式下，在注入感性无功、容性无功和不注入无功时的GSC和RSC侧的IGBT和二极管结温曲线。可以看出，对于GSC侧而言，在没有无功注入时，其功率器件结温波动和最大平均结温都最小，这也是和图6b中电流特性是一致的。还可以看出，对于RSC侧，当注入最大允许容性无功时，其功率器件结温波动和最大平均结温都达到最小，但可以注意到，注入容性无功与没有无功注入和注入感性无功时的结温特性差别不大，这是因为变流器容性无功运行边界较小，感性无功和有功功率占主导地位。

结语

本文主要对基于无功环流的大容量风电变流器热负荷优化控制策略进行了研究。首先分析了DFIG风电机组变流器GSC侧和RSC侧的无功功率运行边界，然后计算了注入无功环流后功率器件的热负荷分布，之后设计了热负荷