雙饋風機轉子側變流器電熱特性分析

王傳東，向大為，王騰（同濟大學電氣與信息工程學院，上海 201804）

雙饋風機轉子側變流器電熱特性分析

王傳東，向大為，王騰
（同濟大學電氣與信息工程學院，上海 201804）

雙饋風機（DFIG:doubly-fed induction generator）轉子側變流器的電氣和熱特性直接影響系統運行性能與可靠性。為提高雙饋風機的技術經濟性能，論文對轉子側變流器的電熱運行特性進行了分析。通過仿真和實驗研究了系統運行工作點對于發電機PWM諧波以及變流器功率器件結溫的影響。研究結果表明：雙饋風機運行過程中，PWM諧波與器件結溫主要受發電機轉差和變流器開關頻率的影響。深入理解轉子側變流器的電熱特性有助于進一步提高雙饋發電機以及轉子側變流器的設計與控制。

雙饋風機；IGBT可靠性；開關頻率；PWM諧波；功率器件結溫

0　引言

風能作為一種清潔的可再生能源，已經成為人類解決能源危機與環境問題的重要手段[1]。隨著技術不斷進步，市場對風電機組的技術經濟性能要求越來越高。提高可靠性可有效降低風電機組的運維成本、增加利用率，是目前風電行業廣泛關注的重要技術[2]。特別對海上風電，由于環境惡劣、可達性差，風機運維困難、成本高、停機時間長，這些都對機組運行可靠性提出了新的挑戰[2]。

由轉子側變流器產生的PWM諧波對于雙饋發電系統有著重要的影響，為了抑制PWM諧波就必須要了解PWM諧波的運行特性。目前國內外對于諧波的研究主要分為三個方面：第一，諧波分析方法即通過建模、等效電路模型來計算分析和推導諧波[3-5]；第二，諧波消除控制，通過對DFIG系統的控制來消除低次諧波從而減少自身的諧波和轉矩脈動，提高輸出電能品質[6-7]；第三，基于諧波的狀態監測，通過諧波特性和信號處理算法來進行狀態監測和DFIG的故障診斷[8-9]。上述對于諧波的研究很少將關注點放在PWM高次諧波上，而本文在系統運行范圍內從仿真到實驗對PWM諧波的運行特性進行了分析。研究結果表明：PWM諧波隨著發電機轉差的減小明顯減小。

另一方面，變流器是風電機組中故障率最高的部件之一[2，10-11]。雙饋風機轉子側變流器容量較小且運行頻率很低，其運行可靠性倍受關注[12-14]。隨著變流器運行頻率減小，功率器件（包括IGBT和二極管）暫態熱阻抗增大，使得結溫（包括最高溫度、平均溫度和溫度波動）上升，影響變流器短期（主要受最高結溫影響）及長期（主要受結溫波動及平均結溫影響）運行可靠性。因此，研究轉子側變流器功率器件在運行范圍內的溫度特性有助于于提高變流器運行可靠性。

本文通過仿真和實驗，系統地分析了雙饋發電系統的PWM諧波以及變流器功率器件的結溫（包括最高溫度、平均溫度和溫度波動）在系統運行范圍內的運行特性，相關研究工作有助于提高系統的設計與控制。

1　理論分析

雙饋風機PWM諧波的運行特性可利用圖1-2進行說明。根據雙饋風機PWM諧波等值電路（圖1）可知：作為諧波源，發電機各變量的PWM諧波均取決于轉子側變流器輸出電壓諧波的大小。運行過程中，雙饋發電機轉子電壓及轉子側變流器的調制系數將隨轉差率降低成比例下降。相應地，轉子電壓PWM諧波（主要集中在1倍和2倍開關頻率附近）也明顯減小（見圖2），特別在同步速工作點，理論上講發電機中所有變量的PWM諧波均會減小到零。

轉子電壓PWM諧波由高頻PWM載波與轉子電壓基波共同調制產生的，隨著轉差率下降，轉子電壓基波幅值下降，輸出電壓越接近于PWM載波。考慮到發電機的三相對稱性，PWM載波為零序分量，不會對發電機造成影響，因此發電機中的有效PWM諧波會隨轉差率下降而明顯減小。

雙饋風機轉子側變流器由于運行在轉差頻率（如0～15Hz），在這樣低頻范圍內，功率器件（包括IGBT和二極管）暫態熱阻抗增大，使得結溫（包括最高溫度、平均溫度和溫度波動）上升，減小IGBT與二極管溫度循環次數，降低變流器的可靠性。

圖1　雙饋風機系統結構圖與諧波等值電路Fig.1 System structure and harmonic equivalent circuit of DFIG wind turbine

2　建模與仿真

論文利用MATLAB/PLECS搭建了一個典型的2MW的雙饋風力發電系統模型[15-17]，并在此模型上進行了電—熱仿真分析。

2.1PWM諧波特性

圖3為PWM諧波在不同運行條件下的仿真結果。從圖中可以看出：PWM諧波隨著轉差的變化最為明顯，定子無功的影響相比較小，PWM諧波最大的點（critical point）發生在轉差最大且過勵運行工作點；圖3（b）中，電流PWM諧波隨著開關頻率的下降而增大，但是定子電壓的PWM諧波保持不變。

圖2　轉子電壓PWM諧波與調制系數的關系Fig.2 The relationship between rotor voltage PWM harmonic and modulation index

2.2轉子變流器熱特性

圖4為PLECS仿真模型中采用的IGBT模塊的損耗模型，圖5為變流器功率器件IGBT的溫度穩態特性的仿真結果。由圖可以看出：IGBT的溫度波動在同步運行點附近較大，這是由于同步點附件功率器件的暫態熱阻增大造成的，而隨著轉速的增加，功率增加，所以最大溫度是隨著轉速的增加而增加的。圖6為轉速從額定運行點的ωr=1.2pu下降到次同步運行點ωr=0.8pu時，風機系統動態仿真結果。與穩態特性相同，當轉速接近同步運行點時，變流器功率器件（包括IGBT與二極管）結溫波動明顯增加，這不利于變流器長期可靠運行。

圖3　不同運行條件下PWM諧波仿真結果Fig.3 Simulation results of PWM harmonics under different operation conditions

圖4　PLECS中IGBT模塊損耗模型Fig.4 IGBT module loss model in PLECS

3　實驗研究

為進一步研究雙饋風機轉子側變流器的電熱特性，我們搭建了一套7.5kW/380V的雙饋風力發電實驗平臺。

圖5　IGBT結溫穩態特性Fig.5 Steady-state characteristics of IGBT junction temperature

圖6　系統動態仿真結果Fig.6 Simulation results of system dynamic-state performance

3.1實驗平臺

圖7為實驗平臺實物圖，包括：一臺7.5kW的繞線式感應電機作為雙饋電機，原動機采用由11kW變頻器驅動的7.5kW感應電機；轉子側變流器為15kW自制三相PWM變流器，網側變流器采用15kW臺達有源前端經電抗器連接電網；控制器基于DSP TMS320F28335開發而成，而IGBT芯片溫度則由MAGNITY公司紅外熱像儀測量。

圖7　實驗平臺圖Fig.7 Picture of test rig

3.2實驗結果

圖8為PWM諧波在不同轉差和開關頻率下的實驗結果，結果顯示轉差與開關頻率對PWM諧波有著明顯影響。圖9-10分別為紅外熱像儀測得的IGBT芯片結溫穩態與動態特性，結果顯示在同步點附近結溫波動和平均溫度都達到最大。圖10為實驗所測得IGBT結溫的動態實驗結果。實驗結果與仿真結果吻合。

4　結論

論文對雙饋風機PWM諧波和轉子側變流器器件結溫特性進行了研究并得出以下結論：

1）轉差對PWM諧波的影響最大，PWM諧波隨轉差的減小而減小，但此時轉子側變流器功率器件的結溫最高；

2）開關頻率對于PWM諧波和功率器件結溫也有較大的影響，隨著開關頻率下降，PWM諧波增大（除定子電壓PWM諧波），器件溫度下降；

深入理解PWM諧波和變流器器件的熱特性有助于提高雙饋風力發電機以及變流器的設計與控制。

圖8　不同運行條件下PWM諧波實驗結果Fig.8 Experiment results of PWM harmonics under different operation conditions

圖9　IGBT結溫特性Fig.9 IGBT junction temperature characteristics

圖10　系統動態實驗結果Fig.10 Experiment results of system dynamic-state performance

[1] WU B，LANG Y，KOURO S，et al. Power conversion and control of wind energy systems[M]. NJ:Wiley，2011.

[2] TAVNER P. Offshore wind turbines: reliability，availability and maintenance[M]. London: CPI Group，2012.

[3] FAN L，YUVURAJAN S，KAVASSERI R. Harmonic analysis of a DFIG for a wind energy conversion system[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion，2010， 25（1）: 181-190.

[4] HERNANDEZ E，MADRIGAL M. A step forward in the modeling of the doubly-fed induction machine for harmonic analysis[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion，2014，29（1）: 149-157.

[5] FANG J，STAUDT V，STEIMEL A. Modeling of doubly-fed induction generator with strong slot harmonic[R]. Vienna: IECON，2013，2989-2994.

[6] LIU C，BLAABJERG F，CHEN W，et al. Stator current harmonic control with resonant controller for doubly fed induction generator[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（7）: 3207-3220.

[7] XU H，HU J，HE Y. Operation of wind-turbine-driven DFIG systems under distorted grid voltage conditions: analysis and experimental validations[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（5）: 2354-2366.

[8] STEFANI A，YAZIDI A，ROSSI C，et al. Doubly Fed Induction Machines Diagnosis Based on Signature Analysis of Rotor Modulating Signals[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2009，44（6）: 1711-1721.

[9] GRITLI Y，ZARRI L，ROSSI C，et al. Advanced Diagnosis of Electrical Faults in Wound-Rotor Induction Machines[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（9）: 4012-4024.

[10] BLAABJERG F，LISERRE M，MA K. Power electronics converters for wind turbine systems [J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2012，48（2）:708-718.

[11] YANG S，XIANG D，BRYANT A，et al. Condition monitoring for device reliability in power electronic converters: A review [J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（11）: 2734-2752.

[12] BRUNS M，RABELO B，HOFMANN W. Investigation of doubly-fed induction generator drives behaviour at synchronous operating point in wind turbines [R]. Barcelona: EPE，2009，1-10.

[13] ZHOU D，BLAABJERG F. Thermal analysis of two-level wind power converter under symmetrical grid fault [R]. Vienna: IECON，2013，1904-1909.

[14] ZHOU D，BLAABJERG F，TONNES M. Thermal cycling overview of multi-megawatt two-level wind power converter at full grid code operation [J]. IEEJ Journal of Industry Applications，2013，2（4）: 173-182.

[15] 向大為，王傳東，劉也可. 一種雙饋風電變流器開關頻率的控制方法及系統 [P]. 中國發明專利，申請號：201510136652.2，2015.3.26

XIANG Da-wei，WANG Chuan-dong，LIU Ye-ke. A method of control and system for DFIG converter switching frequency[P]. Chinese invention patent，Application Number: 201510136652.2，2015.3.26

[16] 陳麗娟，唐勇奇，林軒，等. 永磁直驅同步風力發電機變流器仿真分析[J]. 新型工業化，2015，5（6）：19-26.

CHEN Li-juan，TANG Yong-qi，LIN Xuan，et al. Simulation of the Converter of the Permanent Magnet Direct-drive Wind Power Generation System[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（6）：19-26.

[17] 谷雅瓊，于惠鈞，鄧棟，等. 基于MATLAB的風力發電機組低電壓穿越仿真[J].新型工業化，2014，4（10）：18-22.

GU Ya-qiong，YU-Hui-jun，DENG Dong，et al. Wind Turbine Generator Low Voltage Ride Through Based on MATLAB[J]. The Journal of New Industrialization，2014，4（10）: 18-22.

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.

國家自然科學基金項目（51207110），（51137006）

王傳東（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為雙饋風力發電機的控制與應用，變流器可靠性研究；向大為（1977-），男，副教授，博士，主要研究方向為新能源發電的控制和檢測，電力電子器件的狀態監測和可靠性提升；王騰（1993-）男，碩士研究生，主要研究方向為新能源發電的控制

本文引用格式：王傳東，向大為，王騰.雙饋風機轉子側變流器電熱特性分析[J]. 新型工業化，2015，5（10）：21-26.