風電變流器的性能對風電機組發電量的影響分析

楊立娟

摘要：隨著全球氣候變暖和能源短缺等問題的日益嚴峻，風能已成為全球發展低碳經濟的重點方向之一。作為風電機組的核心部件，風電變流器的性能直接影響電能質量和電網系統的安全可靠運行。隨著電網并網導則和機組可靠性要求的日益嚴苛，大容量風電機組采用全功率變換是趨勢所在。全功率變換風電機組采用同步發電機或鼠籠異步電機為發電機，發電功率經變流器全功率變換后接入電網，變流器的容量與發電機容量相匹配。全功率變流器使得發電機和電網完全解耦，提升了風電機組的電網適應性。

關鍵詞：風電機組;變流器;電網異常

風能作為一種可再生能源，已經引起了國內外的高度關注，裝機量逐年增加。作為風電機組核心部件的并網變流器是影響風電系統可靠性最重要的因素之一，因而得到廣泛研究。風電機組變流器容易出現極端高、低溫現象，由于安裝空間有限，如何在有限空間內對高頻、大電流的IGBT模塊、電容部件等進行散熱成為變流器散熱設計和溫升研究的關鍵。作為發電機和電網的接口，風電變流器是風電機組中的核心設備，是機組電氣性能、變換效率、可用度的主要決定因素之一，是整個風力發電系統的關鍵與核心。隨著風電機組單機容量的不斷增大，風電變流器的大容量化是發展趨勢。由于風電功率波動劇烈，風電變流器的電熱應力變化劇烈，給變流器的安全可靠帶來威脅。隨著風電機組并網滲透率的不斷提高，需要風電變流器有較高的電網適應性和電網故障支撐能力，滿足電網電能質量要求。變流器實現風電功率的安全可靠并網，需要滿足一系列基本要求：機側變流器用于控制發電機轉矩，變速運行實現最大功率跟蹤捕獲。網側變流器用于滿足相關并網導則，具有快速的有功功率響應和無功控制能力。

一、風力發電機系統

雙饋風電機組（DFIG）是最早的變速恒頻風力發電機型。相對于其他風電機型，它的優點主要表現為：變流器容量僅為發電機額定容量的25%～30%，功率損耗和成本較小。系統允許在限定的大范圍內連續變速運行（-30%～20%），風能利用率高，可實現與電網交換的有功和無功功率的解耦控制。同時，它具有極數少、體積小、并網簡單等優點，是目前市場上的主要機型。

當風速滿足啟動條件時，風力機葉片帶動低速齒輪以一定的轉速旋轉，通過齒輪箱變速后帶動發電機高速旋轉，實現機械能到電能的轉換。

二、風電機組變流器結構

雙饋機組變流器系統是由網側系統、轉子側系統和直流母線三部分組成。網側系統包括網側變流器、網側濾波器以及交流大電網。其中轉子側和網側變流器各自由六個可控半導體開關器件構成，這樣可以使能量雙向流動。當電流從直流母線流向網側變流器時，它將直流電流和電壓變化為一定頻率的交流電壓和電流，此時網側變流器處于逆變模式，反之，當電流從網側變流器流向直流母線時，網側變流器處于整流模式，轉子側變流器處于逆變模式。總體來說，雙饋風電機組轉子側變流器和網側變流器是等價的。它們結構上關于直流母線左右對稱，只是工作模式時刻相反。為保護發電機免受變流器引起的容性漏電流、軸電流和絕緣應力增加等不利因素，一般在電機和轉子側變流器間安裝dv/dt濾波器。直流母線是由單個或多個電容構成，主要是維持其端電壓的穩定。

三、風速變化對雙饋風電機組變流器的影響

風力發電裝置中，變流器作為風電轉換系統的中樞，是影響機組運行安全和入網穩定的關鍵器件。但風電機組變流器不同于普通的電力拖動所用的變流器。因為風速時刻在變化，為了捕獲最大風能，轉子側變流器的電流電壓以及頻率需要隨風而波動，而為了保證向電網輸送頻率和電壓穩定的電能，網側變流器的電流同樣需要隨風速而波動。變流器的頻率、電壓和電流的不斷變化，將在功率模塊上產生劇烈的熱循環。現有文獻表明變流器失效故障中大部分是因IGBT功率循環損壞引起的。因此，精確估算風電機組變流器功率模塊的損耗，分析其在不同風速下的變化規律，準確評估IGBT所受熱應力并提高風電變流器的可靠性，進而保證風電機組安全工作。

功率模塊損耗數學模型。在風電變流器設計中，其功率模塊一般為多個芯片相并聯組成。通常多組IGBT和續流二極管（FWD）一起被封裝在模塊內，模塊內部用硅膠填充，然后整體進行封裝。因此，IGBT和FWD管子的功率損耗是封裝模塊的最主要熱源。計算變流器功率模塊結溫，第一步是對IGBT和FWD的工作特性進行分析，進而準確計算IGBT和FWD上各自的功率損耗。某1.5MW雙饋風機變流器轉子側IGBT模塊內部等效電路，由單元模塊并聯構成。IGBT和FWD型號相同，工作特性一致，因此在計算功率模塊損耗時，可拿出一組IGBT的工作過程進行分析。

對于FWD器件，其損耗由通態損耗和反向恢復損耗兩部分構成。在t0-t1的導通期間，由于通態電壓Vf和導通電流If的存在，產生了通態損耗cond-FWDP。在t1-t2的關斷期間，由于其反向阻斷能力的恢復需要過渡時間，此過程中流經FWD的電流與其截至壓降同時存在，產生反向恢復損耗sw-FWD P。現在電力電子器件中，反并聯二極管具有快速恢復特性，開通時間極短，開通損耗很小，約為關斷損耗的1%。對于IGBT器件，其損耗由開通損耗、通態損耗和關斷損耗三部分構成。在t3-t4的導通期間，由于通態電阻的存在，它與飽和壓降Vce在通態電流Ic的作用下，產生了通態損耗cond-IGBT P。在t1-t3的開通期間和在t3-t4的關斷期間，IGBT所承受的電壓Vce和IGBT上集電極電流Ic有一段時間的重疊，將兩者瞬時值的乘積做分段積分運算，可以看出，由于拖尾電流的存在，關斷時間要遠大于開通時間，所以其關斷損耗遠高于開通損耗。

結語：

綜上所述，IGBT器件功率損耗主要是由IGBT芯片的功率損耗和反并聯續流二極管（FWD）功率損耗兩部分構成，而各元件的損耗又分為通態損耗和開關損耗兩部分，這些損耗就是IGBT器件結溫的熱源。

參考文獻

[1]孫祖勇，楊飛，孫遠.風電變流器IGBT散熱性能研究[J].電力電子技術，2019（1）：47-49.