风电机组变流器技术特点和可靠性分析

陈铁华，腾依海

（1.长春工程学院能源动力工程学院；2.吉林龙源风力发电有限公司，长春130012）

风电是可再生的无污染能源，也是目前唯一技术成熟并已大规模开发利用的新能源，我国政府明确宣布要坚定不移地发展风电，并将2015年的发展目标提高到100GW。

目前，1.5MW等级的风电机组已成为主流，而1.5MW及以上功率等级的风电机组成为新建风场的首选［1］。在运行的风电机组中，主要是双馈型和直驱（半直驱）型两种，双馈型电机定子通过接触器并网而转子则通过变流器并网。直驱型发电机直接通过变流器并网。两种型式的风电机组现阶段大量存在，在未来也将长期共存。双馈型的风电机组对变流器容量要求相对较小，通常为总容量的30%左右；而直驱型的风电机组则要求全额变流器。风力发电变流器属可再生能源领域的高科技产品。

1 变流器运行

风电机组变流器是风力发电机组核心部件之一，是风力发电系统不可缺少的能量变换环节，它将风机发出的电压和频率随风速变化的电能，经过交直转换变为电压和频率都稳定的电能馈入电网。为了使风机实现最佳风能捕获，风电机组一般采用变速恒频技术，使发电机的转速随风力的大小而变化，在较宽转速范围内维持最佳叶尖速比，同时保证发电机的输出电压频率与电网频率相同。

根据风力发电机产生能量馈入电网的方式，风力发电系统主要分为以下3种类型：

（1）直接并网。这种风电系统技术简单，成本低，可靠性高，但其缺点是功率因数低，受电网影响大，风能利用率低，随着风电技术的发展已逐渐被淘汰。

（2）部分功率变流并网。系统原理如图1。该系统可根据需要对风机输出的电能在一定范围内进行调节和控制，因此在输出电能质量、风能利用率等方面，与直接并网技术相比，具有明显的优势，是目前风电领域里的主要机型，即双馈电机。

图1 部分功率变流器风力发电系统

（3）全功率变流并网。该系统原理见图2。其最大特点在于风机产生的全部电能都需经并网变流器处理后并网。因此，该技术具有下述优势：（a）风机输出电压频率不再受电网频率的限制。这不仅允许风力发电机有更大的转速变化范围（提高风能的利用效率），而且可采用额定转速比双馈电机低得多的直驱或半直驱风力发电机，从而避免或减少齿轮箱带来的效率和可靠性等方面的问题。（b）利用并网变流器可对输出能量进行更加灵活自如的控制，不仅可按要求随时调控风力发电系统的输出功率大小，甚至还能人为地调节输出的有功或无功功率，提高风力发电系统的稳定性和综合功效。（c）风机输出电压和频率与电网完全无关，所有单机的运行都能随意控制，大大提高了发电系统的可靠性和稳定性［2］。

从图1和图2可见，无论是部分功率变流器还是全功率变流器，都承担着风机输出能量的转换和控制任务，因此变流器是并网风力发电系统中最关键的设备之一。MW级风电并网变流器中，对变流器性能影响最大的半导体开关器件是IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）。

2 风电变流器应用特点及技术要求

2.1 风电变流器应用特点

风电变流器作为风力发电系统与电网的接口，其性能直接关系到风力发电系统的可靠性和稳定性，是保障风电电能质量，实现风电接入电网的关键。风电变流器与应用于一般工业中的传统变频器有很大不同，有其自身的行业应用特点。

2.1.1 工作环境恶劣

风力发电机的工作环境较为恶劣，在运行过程中还会遇到各种复杂的、极端天气状况，一些风电场湿度很大，极易引起凝露造成变流器故障；一些风电场风沙较大，长期大风沙极易损坏变流器；建在潮间带及海上的风电场，变流器极易遭受盐雾的侵蚀而失效；建在极端温度区域的风场，极端的低温或高温气候会造成变流器的结构损坏。这些恶劣的应用环境极大地增加了风电变流器的设计难度和故障率，风机整机厂家都对变流器的防护等级提出了较高要求，目前一般要求达到IP54等级［3］。

2.1.2 要求高可靠性

多数风电场位于交通不便的偏远地区或海上，风电设备及部件的维修和更换较为困难，有些变流器模块布置于塔顶的机舱中，更是增加了吊装和拆卸的难度。此外，风电机组要求具有20年以上的寿命［4］。因此，对风电变流器的可靠性要求极高，在出厂前需要对变流器进行严格的安全性和稳定性测试。近两年国内发生的风机烧毁事件或安全事故，多数与风电变流器的质量缺陷有关。

2.1.3 低电压穿越能力

火力发电和水力发电是可控发电能源，并入电网的机组相当于电压源，机组本身有励磁调节系统，能够维持机端电压的稳定。而风力发电则不同，风是不可控能源，瞬间变化的风速可引起发电机转速在大范围内变化。风力发电机多数是异步或永磁式发电机，机组本身无励磁调节系统，并入电网的风力发电机组相当于电流源，其输出电压取决于电网电压。为保持电力系统稳定运行，要求风电机组在并网点电压跌落时能够保持不脱网，甚至还能向电网提供一定的无功功率，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间（区域）。高电压穿越则要求在电网短时出现高压的情况下不能脱网［5］。

当电网电压跌落或恢复时，不具备低电压和高电压穿越功能的风电变流器会引起交流侧过流或直流侧过压保护而脱网。风电机组的发电机、变压器等设备要消耗无功，当大量机组跳闸，会因无功消耗设备的减少以及送电线路产生的充电功率而使系统电压升高，很多风机又会因过电压而跳闸，使事故扩大。

2.2 风电变流器技术要求

对风电变流器的技术要求主要集中在系统集成设计、大功率电力电子设计技术以及各种风况下系统软件的动态响应能力上。对于海上风电变流器，高可靠性、易维护性、防盐雾等是至关重要的。具体体现在以下几个方面。

2.2.1 并网电能质量

并网电流谐波是变流器关键技术指标之一，根据国家标准，应小于5%，但为了减少电网污染，使并网电能更清洁，一般均要求小于3%，这使变流器网侧滤波器的设计标准提高。

2.2.2 过载能力

风电机组并网功率直接关系到电场的经济效益，大部分风电场一年中大风季节不多，大风到来时，要求变流器能够过载运行。因此，一般要求变流器有110%的过载裕量，另外还应能短时承受120%过载［6］。

2.2.3 低电压穿越功能

图2 全功率变流器风力发电系统

随着风力发电在电网中所占比例的加大，风电场对电网安全运行的影响越来越大。风电机组是否具有低电压穿越功能已成为最关键的技术指标之一。因此，要求变流器必须具备低电压穿越功能。国家能源局已经明确要求，自2011年1月1日起，新核准风电项目的并网风电机组必须通过相关测试，其中就包括低电压穿越测试［7］。

2.2.4 保护和协调功能

由于风电机组工作环境恶劣，要求变流器在各种复杂工况下具备较强的适应能力，保证正常并网发电，同时和风电机组总控系统联合保护整个风电机组的平稳运行。

2.2.5 快速响应功能

为了提高发电效率，变流器在接到总控的功率指令后，应该快速响应，将发电机发出的电能高效安全地馈入电网。在响应过程中，变流器的转矩跟踪要快速、平稳，以减少风电机组的振动和载荷突变引起的机械应力，保护整个发电系统平稳地运行，实现安全、高效和高产。

3 变流器可靠性分析

变流器装置的基本元件是电力电子功率器件，其可靠性决定着变流器的可靠性，也进一步决定着风电机组是否能够稳定、可靠的运行。对于功率半导体器件，风电变流器运行的特殊性，对变流器的可靠性有着重要影响。

3.1 变流器可靠性影响因素

我国风电变流器中（包括5MW风机）使用的功率器件全部是IGBT，导致IGBT失效的因素有很多，主要是器件缺陷、控制系统问题和应用问题及其他一些影响因素。

3.1.1 器件缺陷

器件缺陷主要由器件制造厂家的质量控制手段来决定，器件厂商通过严格的质量控制流程、工艺和先进的设备来发现有缺陷的器件，让合格的器件流向市场和用户。一般由于器件缺陷而引起IGBT失效的几率比较低。

3.1.2 控制系统问题

变流器控制系统故障也会导致IGBT工作不正常。如误动作、保护不及时等，应该通过提高控制系统的可靠性来降低这部分因素引起的器件失效。

3.1.3 特殊应用

在IGBT的实际应用中，器件会承受各种各样的温度变化。风电变流器中的功率半导体器件工作于野外，其环境温度由于昼伏及四季更迭的影响变幅很大，还会受到停电、低温启动、高温运行等情况的影响，长期频繁的温度波动，对其结构产生热疲劳损伤，寿命逐渐消耗。

另一方面，风机为了最大可能地捕获风能，实现最大的发电量，机侧变流器的频率、电压和电流需要随风速的波动而变化，造成功率器件的结温在较大范围内持续、频繁波动，逐渐消耗功率器件的功率循环寿命。

此外，宇宙射线也是电力半导体器件损坏的重要因素，海拔越高宇宙射线强度越大。在同样电气条件下，海拔越高，由于宇宙射线而造成的半导体开关失效的几率越大。但也有研究表明［8］，宇宙射线对变流器可靠性的影响在可接受范围内。

3.1.4 IGBT自身工作特性

IGBT器件工作时存在开关及导通损耗，器件会发热，温度升高。在另半周期内，模块处于续流状态，二极管工作，而IGBT处于阻断状态，损耗很小，IGBT芯片温度下降。因此，在工作中，IGBT芯片的温度不停变化。而模块中，各种材料的膨胀系数都不相同，致使器件内部存在应力，该应力持续反复作用，最终导致模块失效［9］。

3.1.5 其他因素

如不正确的输运中产生的静电，不正确的安装压力，过大的振动，运行中的过电压，过高的dv／dt，过高的di／dt，过高的导通电流，过高的短路电流等都会引起器件不正常的失效。

3.2 提高变流器可靠性措施

提高风电变流器运行可靠性的有效措施主要是保证变流器中IGBT在各种风况下运行的实际环境条件和工作参数都低于器件额定技术条件的要求，而IGBT的额定能力要高于变流器本身技术条件的要求，这是确保IGBT具备较高可靠性的基本条件，在此基础上再采取各项措施来提高变流器的可靠性。

3.2.1 改善运行环境

温度、污染、海拔及湿度对IGBT运行影响很大，因此应努力改善运行环境条件。如改善柜内小环境的条件，尽量提高通风过滤网的滤尘效果，加强屏柜密封以防止灰尘或湿气的侵袭。对局部过热区间，根据具体情况，采用通风、水冷、水热交换器冷却等方法提高散热效率。

3.2.2 恰当选择定值

宇宙射线对全控型器件工作直流电压失效率影响很大，应结合具体使用的海拔高度，选择合适的直流电压值。这个值过高，将带来高的失效率；过低，器件的能力得不到充分发挥，对器件造成浪费。正确的选择IGBT的工作电压、核算由功率循环／热循环决定的器件的运行寿命，可相应增加变流器的可靠性。

3.2.3 改进驱动控制板加工工艺

风机变流器控制驱动电路板的制作工艺也是关系到变流器的安全稳定运行的重要因素之一。电路板的制作工艺，绝缘漆喷涂、耐腐蚀、防潮、防尘、短接、放电、漏电等方面都需要采取有效措施，增强电路板可靠性，延长使用寿命。

此外，进口风机变流器驱动控制电路硬件接口多采用接插件连接方式，这种方式适用于一般工业环境，而风电机组则裸露于空气中运行，经常会遇到极端恶劣的天气，致使变流器驱动控制电路接触处产生氧化膜，造成驱动电路接触不良，频发报警信号迫使风机停机。因此，应改进接触件连接方式，增大接触点面积，降低接触电阻，保证任何季节良好接触。

4 结语

功率器件是变流器装置中可靠性最低的部分，其可靠性直接关系到整个风力发电系统运行的可靠性。国内外正积极开展功率变流器的可靠性研究，同时，以提高设备运行可靠性为目标的变流器状态控制技术也正逐步成为研究的热点，代表着变流器可靠性研究的又一个发展方向［10］。该项研究将大大提升功率变流器的运行可靠性，有利于延长设备的使用寿命。随着风电技术的不断完善和深入发展，风电变流器将会朝着电网友好型、智能型、高可靠型的方向不断发展。

［1］杨校生，祁和生，徐涛.2013年风电产业发展展望［J］.风能产业，2013（4）：7－11.

［2］宋亦旭.风力发电机的原理与控制［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［3］覃韩.风电机组变流系统驱动及保护电路设计［J］.能源研究与信息，2007（4）：221－224.

［4］屠运武，盛运，马金龙，等.我国风电变流器产业的现状及分析［J］.调研，2011（7）：44－48.

［5］周鹏.双馈异步风力发电系统低电压穿越技术研究［D］.杭州：浙江大学，2011.

［6］周雒维，吴军科，杜熊，等.功率变流器的可靠性研究现状及展望［J］.电源学报，2013（1）：1－15.

［7］国家电监会.风电安全监管报告2011［R］.SERC，2011：22－23.

［8］赵燕峰，曹国荣，蒋耀生，等.风电变流器中IGBT的可靠性研究［J］.电力电子技术，2011（8）：104－106.

［9］张立.现代电力电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［10］冯江华.风电变流器的技术现状与发展［J］.大功率变流技术，2013（3）：5－11.