永磁直驅風電變流器功率器件損耗分析

景巍，譚國俊，馬小平

（中國礦業大學信息與電氣工程學院，徐州 221008）

永磁直驅風電變流器功率器件損耗分析

景巍，譚國俊，馬小平

（中國礦業大學信息與電氣工程學院，徐州 221008）

永磁直驅風力發電系統在低電壓等級下多采用兩電平變流器并聯運行，而在中壓等級下采用三電平變流器較為合適。在分析絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊損耗的基礎上，根據兩電平和三電平變流器的工作機理，建立了一套考慮結溫效應的變流器損耗計算公式。對永磁直驅風力發電系統中并聯兩電平和三電平變流器的損耗進行了對比分析，分析結果表明，相對于并聯兩電平結構，三電平變流器的總損耗可減少27%。實驗驗證了三電平變流器功率器件開關狀態的正確性，損耗分析為MW級風力發電系統中三電平變流器散熱設計奠定了基礎。

永磁直驅；風力發電系統；兩電平；三電平；損耗

近年來，隨著傳統能源問題的日益嚴峻，以及國家對開發可再生能源的激勵政策，風力發電及其相關技術得到了迅速發展，MW級風力發電系統已成為市場主流。相對于目前廣泛應用的雙饋風力發電系統，采用全功率變流器的永磁直驅技術可省去價格昂貴且難以維護的齒輪箱，同時可較為容易地實現低電壓穿越要求，因此逐漸受到風電制造廠商的青睞[1，2]。

目前我國風力發電系統基本均采用690 V額定電壓的兩電平變流器，對于單機容量超過750 kW的系統采用變流器并聯運行，隨著單機容量不斷提升，變流器的數量也隨之增多[3]。為了減小機艙的體積和重量，通常將變流器和升壓變壓器安裝在塔底，連接發電機和變頻器的電纜較多，成本和損耗較大。在單機大容量的發展趨勢下，歐美一些風力發電研究機構和企業已陸續開發出中壓三電平風電變流器，通過提升電壓等級來減小系統電流應力，可使機組的性價比提高2.5%，甚至更高[4]。

對于三電平變流器在永磁直驅風力發電系統中的應用，國內外研發機構已在主電路設計和功能實現方面做了大量的研究工作[5～7]。本文以一臺容量3 MW的永磁風力發電機為原型，從功率器件損耗方面對兩電平和三電平變流器進行了比較分析，得出了一些有用結論。

1 永磁直驅系統結構

永磁直驅風力發電系統結構如圖1所示，機側變流器主要有二極管整流加Boost升壓和脈寬調制PWM（pulse width modulation）整流兩種結構，后者控制靈活且可實現功率雙向流通[8]。網側變流器需要具備和電網功率交換的能力，一般采用PWM結構。本文所研究的風力發電系統采用back-to-back結構的雙PWM變流器。

圖1 永磁直驅系統結構Fig.1Structure of permanent magnet direct-drive system

圖2（a）為兩電平變流器拓撲，由4個單元并聯組成，每個單元的功率為750 kW；圖2（b）為中點鉗位式NPC（neutral point clamped）三電平變流器拓撲，單臺功率3 MW。兩電平和三電平變流器的主要電氣參數見表1。

圖2 變流器拓撲Fig.2Converter’s Topologies

表1 兩電平和三電平變流器電氣參數Tab.1Electrical parameters of two-level and three-level converters

表1中，兩電平拓撲中IGBT模塊采用英飛凌FZ1200R17KE3；三電平拓撲中IGBT模塊和快速恢復二極管分別采用英飛凌FZ1500R33HE3和DD1200S33K2C。

2 變流器損耗

2.1 IGBT模塊損耗計算

IGBT模塊是變流器的基本單元，功率器件的損耗由導通損耗和開關損耗組成，即

式中，X表示IGBT或者快速恢復二極管。

由于存在初始飽和壓降和導通電阻，功率器件在導通過程中會產生導通損耗，同時初始飽和壓降和導通電阻的大小隨溫度近似線性變化，因此功率器件的初始飽和壓降、導通電阻和導通損耗可分別表示為

式中：U0，X_25℃和RX_25℃分別為功率器件在25℃下的初始飽和壓降和導通電阻；KU0，X和KR，X分別為初始飽和壓降和導通電阻的溫度修正系數；TUj，X為功率器件的結溫；I為功率器件的瞬時電流值。

功率器件IGBT在開通和關斷過程中會產生開關損耗，快速恢復二極管開通過程中的損耗非常小，可忽略不計，而在關斷的時會產生反向恢復損耗。在器件承受不同電壓時，能量損耗可通過器件實際承受電壓和測試電壓比值的冪函數進行修正，同時其近似隨功率器件的結溫線性變化。因此，開關能量損耗可表示為

式中：Asw，X、Bsw，X和Csw，X為測試條件下開關能量損耗隨電流變化的二次擬合曲線系數；Dsw，X為測試電壓Ubase的修正系數；Ksw，X為開能量損耗的溫度修正系數；Uce為器件實際承受電壓。

在一個開關周期內，功率器件的平均損耗為

式中，fsw為開關頻率。

2.2 變流器損耗計算

變流器的調制方法有正弦波脈寬調制SPWM（sinusoidal PWM）和空間矢量脈寬調制SVPWM（space vector PWM）兩種，相比于SPWM，SVPWM具有更高的直流母線利用率和較優的諧波輸出特性，在實際工程應用中較多。文獻[9]深入分析了SPWM和SVPWM的區別，認為SVPWM在本質上可以等價于正弦波注入零序分量的脈寬調制方法，在穩態情況下此零序分量可近似采用三次諧波表示。為了方便分析功率器件的開關狀態，本文在計算變流器損耗時采用此方法。

變流器的調制電壓和負載電流的相位關系如圖3所示，其表達式分別為

式中：m為調制度；θ為負載阻抗角；Im為負載電流的峰值。

圖3 調制電壓和負載電流的相位關系Fig.3Phase relationship between modulation voltage and load current

兩電平變流器負載電流在正半周期內通過T1和D2管換流，在負半周期通過T2和D1管換流。在一個調制周期內，T1管的導通損耗和開關損耗分別為

式中：τ（α）為一個開關周期內T1管導通時間占空比；k為一個調制周期內T1管的開關次數；f0為調制頻率。

當開關頻率遠大于調制頻率時，可認為τ（α）= D（α），離散的開關損耗表達式也可以轉化為連續的積分形式。因此，T1管的導通損耗和開關損耗可重新表示為

由于兩電平模塊單元上下橋臂功率器件對稱，因此4個模塊單元的總損耗為

NPC三電平變流器由于鉗位二極管的作用，使得每相橋臂可以輸出+Udc/2，0，-Udc/2三種電位，對應于P、O、N三種狀態。相對于兩電平結構，三電平的電流通路有本質變化，其功率損耗也相差甚遠。

當變流器工作在0～θ區域，橋臂輸出狀態在P和O之間切換，電流在P狀態通過D1和D2流進，在O狀態通過T3和D6流進。在此工作過程中，D1和D2會產生導通損耗，同時D1在關斷時承受反壓，因此會產生反向恢復損耗，而D2在關斷的同時T2開通，其并沒有承受反壓，無反向恢復損耗。

變流器工作在另外3個區域時，功率器件損耗分析方法和上面類似，不再贅述。需要指出的是，當變頻器工作在π～（π+θ）區域，D5在關斷時其兩端電位相等，并未承受反向電壓，無反向恢復損耗。

上橋臂5個功率器件的導通損耗和開關損耗分別為同樣，NPC三電平拓撲上下橋臂功率器件對稱，因此變流器的總損耗為

表2為3 MW風力發電系統采用并聯兩電平和三電平變流器的損耗情況，其中機側和網側變流器都工作在單位功率因素下，調制度為1。由于并聯兩電平變流器的功率器件要多于三電平結構，同時為了滿足并網電流諧波指標，其功率器件開關頻率也較高，因此，并聯兩電平結構的功率損耗較大，為61.3 kW，而三電平結構下功率器件的損耗為44.5 kW，相對于并聯兩電平結構減少了27.4%。

表2 兩電平和三電平變流器損耗Tab.2Powerlossesoftwo-levelandthree-levelconverters

4 實驗分析

實驗采用back-to-back雙三電平結構，兩端分別經變壓器后連接在6 kV的電網上，實現能量雙向流動。其中機側變流器負責調節母線電壓，網側變流器負責調節有功和無功功率。圖4為三電平變流器局部圖。

圖4 三電平變流器局部圖Fig.4Part map of three-level converter

圖5是機側和網側變流器功率器件電流的實驗結果，通道1和通道2分別為T1/D1和T2/D2的電流，上半周是流過IGBT的電流，下半周是流過二極管的電流，通道3和通道4分別為變流器的相電流和相電壓。從圖5（a）看出，機側變流器中T1管在電壓正半周期頻繁開關切換，而T2則一直處于導通狀態，D1和D2不參與工作。而在網側變流器中，在電壓正半周期D1和D2頻繁開關動作，在負半周期T2則不斷的開關切換，T1不參與工作，如圖5（b）所示，功率器件流過電流的實驗結果和理論分析一致。值得注意的是，圖中IGBT在開通過程中的尖峰電流是由二極管的反向恢復電流引起的；而二極管在關斷時出現的反向尖峰電流則是其自身反向恢復電流。

圖5 三電平變流器功率器件電流Fig.5Currents of three-level converter power device

4 結語

本文對3 MW永磁直驅風力發電系統中并聯兩電平和三電平變流器功率器件損耗進行了比較分析，在分析IGBT模塊損耗的基礎上，根據兩電平和三電平變流器的工作機理，建立了一套實用的損耗計算公式，計算結果表明，相對于并聯兩電平系統，三電平變流器的總損耗可減少27%。實驗驗證了三電平變流器功率器件開關狀態的正確性，損耗分析為MW級風力發電系統中三電平變流器散熱設計奠定了基礎。

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[2]楊曉萍，郭鑫（Yang Xiaoping，Guo Xin）.直驅式永磁風力發電機組并網控制（Control strategy of direct-drive permanent magnet synchronous generators wind turbine connected to grid）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2011，23（6）：121-126.

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Analysis of Converter Losses for Permanent Magnet Direct-Drive Wind Power

JING Wei，TAN Guo-jun，MA Xiao-ping
（School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China）

Paralleled two-level converters are widely used in permanent magnet direct-drive wind power generation systems under low voltage level，while three-level converters are more suitable for medium-voltage systems.Based on the analysis of single IGBT module losses，the loss calculation method which took the junction temperature effect into consideration was derived according to the operating principle of the two-level or three-level converters.Losses were compared between paralleled two-level and three-level converters in permanent magnet direct-drive wind power generation systems.Calculation results show that，the losses of three-level converters can reduce 27 percent compared to that of paralleled two-level converters.Experiments verified the validity of the device switching states for three-level converters and the loss analysis laid the foundations for the heat dissipation system design of the three-level converter.

permanent magnet direct-drive；wind power generation system；two-level；three-level；power loss

TM46；TM614

A

1003-8930（2013）03-0094-04

景巍（1982—），男，博士，研究方向為風電變流器控制。Email：jingwei_cumt@163.com

2010-11-15；

2012-03-26

江蘇省重大科技成果轉化資金項目（BA2008029）

譚國俊（1962—），男，教授，博士生導師，研究方向為電力電子與電力傳動。Email：gjtan@cumt.edu.cn

馬小平（1961—），男，教授，博士生導師，研究方向為控制理論及應用。Email：xpma@cumt.edu.cn