双馈风机转子侧变流器电热特性分析

王传东，向大为，王腾（同济大学电气与信息工程学院，上海 201804）

双馈风机转子侧变流器电热特性分析

王传东，向大为，王腾
（同济大学电气与信息工程学院，上海 201804）

双馈风机（DFIG:doubly-fed induction generator）转子侧变流器的电气和热特性直接影响系统运行性能与可靠性。为提高双馈风机的技术经济性能，论文对转子侧变流器的电热运行特性进行了分析。通过仿真和实验研究了系统运行工作点对于发电机PWM谐波以及变流器功率器件结温的影响。研究结果表明：双馈风机运行过程中，PWM谐波与器件结温主要受发电机转差和变流器开关频率的影响。深入理解转子侧变流器的电热特性有助于进一步提高双馈发电机以及转子侧变流器的设计与控制。

双馈风机；IGBT可靠性；开关频率；PWM谐波；功率器件结温

0　引言

风能作为一种清洁的可再生能源，已经成为人类解决能源危机与环境问题的重要手段[1]。随着技术不断进步，市场对风电机组的技术经济性能要求越来越高。提高可靠性可有效降低风电机组的运维成本、增加利用率，是目前风电行业广泛关注的重要技术[2]。特别对海上风电，由于环境恶劣、可达性差，风机运维困难、成本高、停机时间长，这些都对机组运行可靠性提出了新的挑战[2]。

由转子侧变流器产生的PWM谐波对于双馈发电系统有着重要的影响，为了抑制PWM谐波就必须要了解PWM谐波的运行特性。目前国内外对于谐波的研究主要分为三个方面：第一，谐波分析方法即通过建模、等效电路模型来计算分析和推导谐波[3-5]；第二，谐波消除控制，通过对DFIG系统的控制来消除低次谐波从而减少自身的谐波和转矩脉动，提高输出电能品质[6-7]；第三，基于谐波的状态监测，通过谐波特性和信号处理算法来进行状态监测和DFIG的故障诊断[8-9]。上述对于谐波的研究很少将关注点放在PWM高次谐波上，而本文在系统运行范围内从仿真到实验对PWM谐波的运行特性进行了分析。研究结果表明：PWM谐波随着发电机转差的减小明显减小。

另一方面，变流器是风电机组中故障率最高的部件之一[2，10-11]。双馈风机转子侧变流器容量较小且运行频率很低，其运行可靠性倍受关注[12-14]。随着变流器运行频率减小，功率器件（包括IGBT和二极管）暂态热阻抗增大，使得结温（包括最高温度、平均温度和温度波动）上升，影响变流器短期（主要受最高结温影响）及长期（主要受结温波动及平均结温影响）运行可靠性。因此，研究转子侧变流器功率器件在运行范围内的温度特性有助于于提高变流器运行可靠性。

本文通过仿真和实验，系统地分析了双馈发电系统的PWM谐波以及变流器功率器件的结温（包括最高温度、平均温度和温度波动）在系统运行范围内的运行特性，相关研究工作有助于提高系统的设计与控制。

1　理论分析

双馈风机PWM谐波的运行特性可利用图1-2进行说明。根据双馈风机PWM谐波等值电路（图1）可知：作为谐波源，发电机各变量的PWM谐波均取决于转子侧变流器输出电压谐波的大小。运行过程中，双馈发电机转子电压及转子侧变流器的调制系数将随转差率降低成比例下降。相应地，转子电压PWM谐波（主要集中在1倍和2倍开关频率附近）也明显减小（见图2），特别在同步速工作点，理论上讲发电机中所有变量的PWM谐波均会减小到零。

转子电压PWM谐波由高频PWM载波与转子电压基波共同调制产生的，随着转差率下降，转子电压基波幅值下降，输出电压越接近于PWM载波。考虑到发电机的三相对称性，PWM载波为零序分量，不会对发电机造成影响，因此发电机中的有效PWM谐波会随转差率下降而明显减小。

双馈风机转子侧变流器由于运行在转差频率（如0～15Hz），在这样低频范围内，功率器件（包括IGBT和二极管）暂态热阻抗增大，使得结温（包括最高温度、平均温度和温度波动）上升，减小IGBT与二极管温度循环次数，降低变流器的可靠性。

图1　双馈风机系统结构图与谐波等值电路Fig.1 System structure and harmonic equivalent circuit of DFIG wind turbine

2　建模与仿真

论文利用MATLAB/PLECS搭建了一个典型的2MW的双馈风力发电系统模型[15-17]，并在此模型上进行了电—热仿真分析。

2.1PWM谐波特性

图3为PWM谐波在不同运行条件下的仿真结果。从图中可以看出：PWM谐波随着转差的变化最为明显，定子无功的影响相比较小，PWM谐波最大的点（critical point）发生在转差最大且过励运行工作点；图3（b）中，电流PWM谐波随着开关频率的下降而增大，但是定子电压的PWM谐波保持不变。

图2　转子电压PWM谐波与调制系数的关系Fig.2 The relationship between rotor voltage PWM harmonic and modulation index

2.2转子变流器热特性

图4为PLECS仿真模型中采用的IGBT模块的损耗模型，图5为变流器功率器件IGBT的温度稳态特性的仿真结果。由图可以看出：IGBT的温度波动在同步运行点附近较大，这是由于同步点附件功率器件的暂态热阻增大造成的，而随着转速的增加，功率增加，所以最大温度是随着转速的增加而增加的。图6为转速从额定运行点的ωr=1.2pu下降到次同步运行点ωr=0.8pu时，风机系统动态仿真结果。与稳态特性相同，当转速接近同步运行点时，变流器功率器件（包括IGBT与二极管）结温波动明显增加，这不利于变流器长期可靠运行。

图3　不同运行条件下PWM谐波仿真结果Fig.3 Simulation results of PWM harmonics under different operation conditions

图4　PLECS中IGBT模块损耗模型Fig.4 IGBT module loss model in PLECS

3　实验研究

为进一步研究双馈风机转子侧变流器的电热特性，我们搭建了一套7.5kW/380V的双馈风力发电实验平台。

图5　IGBT结温稳态特性Fig.5 Steady-state characteristics of IGBT junction temperature

图6　系统动态仿真结果Fig.6 Simulation results of system dynamic-state performance

3.1实验平台

图7为实验平台实物图，包括：一台7.5kW的绕线式感应电机作为双馈电机，原动机采用由11kW变频器驱动的7.5kW感应电机；转子侧变流器为15kW自制三相PWM变流器，网侧变流器采用15kW台达有源前端经电抗器连接电网；控制器基于DSP TMS320F28335开发而成，而IGBT芯片温度则由MAGNITY公司红外热像仪测量。

图7　实验平台图Fig.7 Picture of test rig

3.2实验结果

图8为PWM谐波在不同转差和开关频率下的实验结果，结果显示转差与开关频率对PWM谐波有着明显影响。图9-10分别为红外热像仪测得的IGBT芯片结温稳态与动态特性，结果显示在同步点附近结温波动和平均温度都达到最大。图10为实验所测得IGBT结温的动态实验结果。实验结果与仿真结果吻合。

4　结论

论文对双馈风机PWM谐波和转子侧变流器器件结温特性进行了研究并得出以下结论：

1）转差对PWM谐波的影响最大，PWM谐波随转差的减小而减小，但此时转子侧变流器功率器件的结温最高；

2）开关频率对于PWM谐波和功率器件结温也有较大的影响，随着开关频率下降，PWM谐波增大（除定子电压PWM谐波），器件温度下降；

深入理解PWM谐波和变流器器件的热特性有助于提高双馈风力发电机以及变流器的设计与控制。

图8　不同运行条件下PWM谐波实验结果Fig.8 Experiment results of PWM harmonics under different operation conditions

图9　IGBT结温特性Fig.9 IGBT junction temperature characteristics

图10　系统动态实验结果Fig.10 Experiment results of system dynamic-state performance

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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.

国家自然科学基金项目（51207110），（51137006）

王传东（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为双馈风力发电机的控制与应用，变流器可靠性研究；向大为（1977-），男，副教授，博士，主要研究方向为新能源发电的控制和检测，电力电子器件的状态监测和可靠性提升；王腾（1993-）男，硕士研究生，主要研究方向为新能源发电的控制

本文引用格式：王传东，向大为，王腾.双馈风机转子侧变流器电热特性分析[J]. 新型工业化，2015，5（10）：21-26.