风电变流器的性能对风电机组发电量的影响分析

杨立娟

摘要：随着全球气候变暖和能源短缺等问题的日益严峻，风能已成为全球发展低碳经济的重点方向之一。作为风电机组的核心部件，风电变流器的性能直接影响电能质量和电网系统的安全可靠运行。随着电网并网导则和机组可靠性要求的日益严苛，大容量风电机组采用全功率变换是趋势所在。全功率变换风电机组采用同步发电机或鼠笼异步电机为发电机，发电功率经变流器全功率变换后接入电网，变流器的容量与发电机容量相匹配。全功率變流器使得发电机和电网完全解耦，提升了风电机组的电网适应性。

关键词：风电机组;变流器;电网异常

风能作为一种可再生能源，已经引起了国内外的高度关注，装机量逐年增加。作为风电机组核心部件的并网变流器是影响风电系统可靠性最重要的因素之一，因而得到广泛研究。风电机组变流器容易出现极端高、低温现象，由于安装空间有限，如何在有限空间内对高频、大电流的IGBT模块、电容部件等进行散热成为变流器散热设计和温升研究的关键。作为发电机和电网的接口，风电变流器是风电机组中的核心设备，是机组电气性能、变换效率、可用度的主要决定因素之一，是整个风力发电系统的关键与核心。随着风电机组单机容量的不断增大，风电变流器的大容量化是发展趋势。由于风电功率波动剧烈，风电变流器的电热应力变化剧烈，给变流器的安全可靠带来威胁。随着风电机组并网渗透率的不断提高，需要风电变流器有较高的电网适应性和电网故障支撑能力，满足电网电能质量要求。变流器实现风电功率的安全可靠并网，需要满足一系列基本要求：机侧变流器用于控制发电机转矩，变速运行实现最大功率跟踪捕获。网侧变流器用于满足相关并网导则，具有快速的有功功率响应和无功控制能力。

一、风力发电机系统

双馈风电机组（DFIG）是最早的变速恒频风力发电机型。相对于其他风电机型，它的优点主要表现为：变流器容量仅为发电机额定容量的25%～30%，功率损耗和成本较小。系统允许在限定的大范围内连续变速运行（-30%～20%），风能利用率高，可实现与电网交换的有功和无功功率的解耦控制。同时，它具有极数少、体积小、并网简单等优点，是目前市场上的主要机型。

当风速满足启动条件时，风力机叶片带动低速齿轮以一定的转速旋转，通过齿轮箱变速后带动发电机高速旋转，实现机械能到电能的转换。

二、风电机组变流器结构

双馈机组变流器系统是由网侧系统、转子侧系统和直流母线三部分组成。网侧系统包括网侧变流器、网侧滤波器以及交流大电网。其中转子侧和网侧变流器各自由六个可控半导体开关器件构成，这样可以使能量双向流动。当电流从直流母线流向网侧变流器时，它将直流电流和电压变化为一定频率的交流电压和电流，此时网侧变流器处于逆变模式，反之，当电流从网侧变流器流向直流母线时，网侧变流器处于整流模式，转子侧变流器处于逆变模式。总体来说，双馈风电机组转子侧变流器和网侧变流器是等价的。它们结构上关于直流母线左右对称，只是工作模式时刻相反。为保护发电机免受变流器引起的容性漏电流、轴电流和绝缘应力增加等不利因素，一般在电机和转子侧变流器间安装dv/dt滤波器。直流母线是由单个或多个电容构成，主要是维持其端电压的稳定。

三、风速变化对双馈风电机组变流器的影响

风力发电装置中，变流器作为风电转换系统的中枢，是影响机组运行安全和入网稳定的关键器件。但风电机组变流器不同于普通的电力拖动所用的变流器。因为风速时刻在变化，为了捕获最大风能，转子侧变流器的电流电压以及频率需要随风而波动，而为了保证向电网输送频率和电压稳定的电能，网侧变流器的电流同样需要随风速而波动。变流器的频率、电压和电流的不断变化，将在功率模块上产生剧烈的热循环。现有文献表明变流器失效故障中大部分是因IGBT功率循环损坏引起的。因此，精确估算风电机组变流器功率模块的损耗，分析其在不同风速下的变化规律，准确评估IGBT所受热应力并提高风电变流器的可靠性，进而保证风电机组安全工作。

功率模块损耗数学模型。在风电变流器设计中，其功率模块一般为多个芯片相并联组成。通常多组IGBT和续流二极管（FWD）一起被封装在模块内，模块内部用硅胶填充，然后整体进行封装。因此，IGBT和FWD管子的功率损耗是封装模块的最主要热源。计算变流器功率模块结温，第一步是对IGBT和FWD的工作特性进行分析，进而准确计算IGBT和FWD上各自的功率损耗。某1.5MW双馈风机变流器转子侧IGBT模块内部等效电路，由单元模块并联构成。IGBT和FWD型号相同，工作特性一致，因此在计算功率模块损耗时，可拿出一组IGBT的工作过程进行分析。

对于FWD器件，其损耗由通态损耗和反向恢复损耗两部分构成。在t0-t1的导通期间，由于通态电压Vf和导通电流If的存在，产生了通态损耗cond-FWDP。在t1-t2的关断期间，由于其反向阻断能力的恢复需要过渡时间，此过程中流经FWD的电流与其截至压降同时存在，产生反向恢复损耗sw-FWD P。现在电力电子器件中，反并联二极管具有快速恢复特性，开通时间极短，开通损耗很小，约为关断损耗的1%。对于IGBT器件，其损耗由开通损耗、通态损耗和关断损耗三部分构成。在t3-t4的导通期间，由于通态电阻的存在，它与饱和压降Vce在通态电流Ic的作用下，产生了通态损耗cond-IGBT P。在t1-t3的开通期间和在t3-t4的关断期间，IGBT所承受的电压Vce和IGBT上集电极电流Ic有一段时间的重叠，将两者瞬时值的乘积做分段积分运算，可以看出，由于拖尾电流的存在，关断时间要远大于开通时间，所以其关断损耗远高于开通损耗。

结语：

综上所述，IGBT器件功率损耗主要是由IGBT芯片的功率损耗和反并联续流二极管（FWD）功率损耗两部分构成，而各元件的损耗又分为通态损耗和开关损耗两部分，这些损耗就是IGBT器件结温的热源。

参考文献

[1]孙祖勇，杨飞，孙远.风电变流器IGBT散热性能研究[J].电力电子技术，2019（1）：47-49.