提高全功率風電變流器功率器件在微風下可靠性的方法與流程
2023-08-03 06:22:56
本發明主要涉及風電
技術領域：
，特指一種提高全功率風電變流器功率器件在微風下可靠性的方法。
背景技術：
：風力發電是目前技術最成熟、最具規模化開發條件和商業化發展前景的新能源，風電機組的功率不斷增大，目前國內開發出的5兆瓦的風電機組開始商業應用。「十三五」期間還將研製8～10兆瓦海上風電機組。目前基於同步發電機的風電機組和基於雙饋異步發電機的風電機組各有優勢，同為現在和未來的主流機型。全功率風電變流器是同步發電機型風電機組的關鍵設備，發電機發出的電能需要全部通過該變流器送到電網。除了配套同步發電機外，目前也有部分大功率風電機組採用的普通異步發電機，也是通過全功率風電變流器將電能送到電網。風電變流器的運行可靠性嚴重影響機組的發電量。隨著風電機組容量的不斷越大，以及風電機組開始大規模應用於海上風力發電，對設備的運行可靠性就要求越高，而功率器件(如IGBT)等又是變流器實現電流轉換的核心器件，其運行可靠性直接關係到變流器的工作可靠性和使用壽命。IGBT(絕緣柵雙極電晶體)是一種壓控型電力電子器件，具有驅動功率小，導通壓降低、開關損耗小及容量大等特點，其已廣泛應用在機車牽引、工業變頻、風力發電等行業。風電機組發展的趨勢是單機容量越來越大，與之配套的風電變流器容量也越來越大，其中大容量IGBT得到了廣泛應用。但從工業應用統計分析表明，大容量IGBT的失效率要比小容量的高很多，而且一般認為IGBT在小電流下工作電流小、發熱損耗低而使用應該較安全，然而事實並非如此，統計數據表明，基於IGBT的變流器模塊在小電流運行情況下的失效率明顯高於運行於大電流的情況。在《一種大功率變流器模塊在小電流下的失效分析》(大功率變流技術2013年第1期)一文指出，變流器的IGBT元件工作在小電流下有兩個重要的特點：1)工作電流較小時FWD(FleeWheelDiode，續流二極體)浪湧電壓較高；對於由IGBT開通時二極體反向恢復引起的FWD浪湧電壓，通常集電極電流在其額定電流的幾分之一到幾十分之一的小電流範圍內時該浪湧電壓較大。如果這個尖峰電壓超過逆向偏壓安全工作區，該IGBT元件存在被擊穿的風險。2)工作電流較小時存在死區振蕩現象，即在死區時間內，受分布電容和變流器主電路電感影響，IGBT端電壓將出現振蕩，死區端電壓振蕩可能引起FWD微小脈寬導通現象，而微小導通脈寬小到一定程度時，可能使IGBT元件FWD反向恢復時尖峰電壓Vsp完全超過元件的耐壓。雖然死區振蕩這樣的概率並不高，但在大批量產品應用下，這樣的失效將會變得明顯。另外，IGBT元件在小電流工作情況下雖然通過脈衝處理電路可以避免讓IGBT元件柵極接收到窄脈衝信號，但在實際運行中仍有可能出現微小時間導通的情況。可見，變流器的IGBT元件在小電流下工作情況下可靠性將大幅下降，並大大降低了IGBT的壽命。基於IGBT功率器件的風電變流器為背靠背的兩個三相橋拓撲形式，能量能雙向流動。變流器按功能和位置內部可劃分為電網側變流器和發電機側變流器。其中電網側的變流器一般為PWM整流控制方式，其控制目標是穩定直流側的電壓。在大風情況下，電網側變流器的輸出電流較大而平滑，然而在小風或微風情況下，因風電機組轉換的風功率太小，電網側變流器的電流有效值很小，由於功率開關器件的頻繁通斷，在小電流下的電流集中在零點附近且經過零點正負方向頻繁變化(如圖1所示)，根據前面的分析情況，按照目前行業的控制方法，在微風情況下風電變流器基本上工作在小電流情況下，將大大降低變流器功率器件的可靠性和使用壽命，這種現象不妨稱為微風工況的小電流運行現象，至於發電機側變流器，由於發電機一般運行在非單位功率因數的情況下，即使在微功率運行情況下，發電機側變流器由於要輸出無功電流，不會出現長時間小電流運行情況。專利CN103545820B針對雙饋風電變流器，提出了提高其功率器件在微風工況下可靠性的方法，其策略是根據雙饋風電變流器運用的技術特點，在不影響系統輸出既定總無功要求的情況下，通過協調增加電網側變流器和電機側變流器無功電流的方法來或增大微風或風機發電功率很小時雙饋風電變流器的流經電流，從而避免小電流運行情況而易於造成功率器件損害的情況。全功率風電變流器與雙饋風電變流器由於在運用方式的不同，上述專利方法難以照搬運用。技術實現要素：本發明要解決的技術問題就在於：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種操作簡便、提高系統運行可靠性以及延長器件使用壽命的提高全功率風電變流器功率器件在微風下可靠性的方法。為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：一種提高全功率風電變流器功率器件在微風下可靠性的方法，在微風工況下，在不影響系統輸出既定總無功的情況下，利用併網電壓器為三角形/星形接法能阻斷三倍頻電流諧波的特點，對各個網側變流器側增加一個網壓基波頻率的三倍頻無功電流分量，以增加流經網側變流器的電流，從而避免微風工況下出現小電流運行情況；或者在多個網側變流器並聯時，在不影響系統輸出既定總無功的情況下，在各網側變流器之間增加一個循環無功電流，增加流經網側變流器的電流、以避免微風工況下出現小電流運行情況。作為上述技術方案的進一步改進：在兩個網側變流器並聯時，其中一個網側變流器發出疊加無功分量，另一個網側變流器吸收等量的無功分量，以使無功分量在兩網側變流器之間交換以增加電流，並保證對外輸出的總無功不變。微風工況的判斷條件為：網側變流器的有功電流小於預設閾值。在dq同步旋轉坐標系中對網側變流器的無功電流指令疊加一個2倍頻分量的方式來實現輸出3倍頻無功電流。在多個網側變流並聯的情況下，各個網側變流器增加的無功電流分量相同或不相同。所述全功率風電變流器由IGBT或IGCT或IEGT組成。與現有技術相比，本發明的優點在於：本發明的提高全功率風電變流器功率器件在微風下可靠性的方法，不影響系統既定輸出總無功的情況下，對各網側變流器，通過增加3的整數次無功電流的方法來避免在微風情況下的小電流運行情況；或者在多個網側變流器並聯時，增加相互之間流動的無功電流，從而提高全功率風電變流器的功率器件運行可靠性和延長產品壽命。附圖說明圖1為現有技術中微風工況下網側變流器的輸出波形圖。圖2為本發明的多個網側變流器的並聯結構示意圖。圖3為本發明的單個網側變流器結構示意圖。圖4為本發明的全功率風電變流器應用示意圖。圖5為本發明的全功率風電變流器物理量參考正方向示意圖。圖6為本發明的網側變流器控制原理圖。圖7為本發明並聯結構的網側變流器控制原理圖。圖8為本發明並聯結構時網側無功指示電流控制邏輯圖。圖9為本發明單變流器櫃的網側變流器控制原理圖。圖10為本明單變流器櫃的電網側無功指示電流控制邏輯圖。圖11為本發明在微風工況下增加三倍頻無功電流的仿真波形。具體實施方式以下結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步描述。如圖2至11所示，本實施例的提高全功率風電變流器功率器件在微風下可靠性的方法，具體過程為：在微風工況下，在不影響系統輸出既定總無功的情況下，利用併網電壓器為三角形/星形接法能阻斷三倍頻電流諧波的特點，對各個網側變流器側增加一個網壓基波頻率的三倍頻無功電流分量，以增加流經網側變流器的電流，從而避免微風工況下出現小電流運行情況；或者在多個網側變流器並聯時，在不影響系統輸出既定總無功的情況下，在各網側變流器之間增加一個循環無功電流，增加流經網側變流器的電流、以避免微風工況下出現小電流運行情況。本發明的提高全功率風電變流器功率器件在微風下可靠性的方法，不影響系統既定輸出總無功的情況下，對各網側變流器，通過增加網壓基波頻率的3的整數次無功電流的方法來避免在微風情況下的小電流運行情況；或者在多個網側變流器並聯時，增加相互之間流動的無功電流，從而提高全功率風電變流器的功率器件運行可靠性和延長產品壽命。本實施例中，微風工況的判斷條件為：網側變流器的有功電流小於預設閾值。以下對本發明的原理進行進一步分析及說明：全功率風電變流器主要用於變速恆頻同步發電機或普通異步發電機型風力發電系統，如圖4所示，全功率風電變流器內部由背靠背的兩個四象限變流器組成，連接發電機定子的變流器一般稱為電機側變流器(SSC)，連接電網的變流器一般稱為電網側變流器(GSC)。電網側變流器的功能主要用於穩定直流側的電壓，另外，根據電網調度中心需要可控制為向電網吸收或發出無功。電機側變流器控制發電機定子的有功電流(即轉矩電流分量)和無功電流(即勵磁電流分量)。對於網側變流器的控制，按圖5所示的電流參考正方向，將dq同步旋轉坐標系下的d軸定向於電網電壓綜合矢量方向上，在三相靜止坐標繫到同步旋轉坐標系的等幅變換情況下，可得電網側變流器的有功功率Pg和無功功率Qg為：Pg=32udidQg=-32udiq---(1)]]>其中，ud為電網相電壓的d軸分量，id為電網側線電流的有功分量。iq為電網側線電流的無功分量。當Qg＞0時，表示變流器對外呈感性，從電網吸收無功，當Qg其中Kp比例係數，Ki為積分係數，udc為直流側實際電壓，udc*為直流側目標控制電壓。電壓外環的控制是為了穩定直流側電壓，其輸出作為電流內環的有功電流指令值。而電流內環的無功指令值一般iq'一般為零，即使網側變流器的功率因數近似為1，只有在電網調度公司為穩定電網電壓而強制要求風電機組對電網提供無功支持的情況下，該無功指令將按整機控制系統傳送來的無功量Qg*或無功電流量iq*要求取值，目前運行的風機電網側變流器基本上都是工作在iq*為0的情況。其中電流內環控制為vd′=ud+ω1Liq-(KpP+KiPs)(id′-id)vq′=-ω1Lid-(KpQ+KiQs)(iq′-iq)---(4)]]>其中，KpP和KpQ為比例係數，KiP和KiQ為積分係數，ω1為電網角頻率，id為網側變流器實際有功電流，iq為網側變流器實際無功電流，id*為網側變流器有功電流指令值，iq*為網側變流器無功電流指令值。電流內環的輸出作為變流器的輸出控制指令電壓vd′和vq′。對於電機側變流器的控制，同樣採用矢量控制方法，實現有功與無功的解耦控制。對於普通異步風力發電機，由於其不管是在微風或大風情況下工作都會需要吸收無功，無功電流需要由電機側變流器提供，故電機側變流器不會出現小電流運行情況。而對於同步風力發電機的控制，通常的控制方法是將定子勵磁電流控制為零，為了避免在微風下小電流運行情況，可人為增加機側變流器的無功電流，使同步發電機工作在輕微弱磁或增磁狀態。因此對於機側變流器可以很方便地避免小電流運行情況，因此本發明的重點是放在電網側變流器如何避免小電流運行情況方面。針對全功率風電變流器的兩種不同結構形式，下面分別給出其電網側變流器在微風情況下避免小電流運行的不同控制策略。如圖2所示，對於兩子變流器並聯的系統結構，dq同步旋轉坐標系下的電網側變流器無功電流指令按以下方式設定：如圖7虛框所示的改進部分所示，電網側變流器控制原理圖取其中子變流器1#的無功指令電流為：iq′=-Qg*3ud+iqw]]>則取另一個子變流器2#的無功指令電流為：iq*=-Qg*3ud-iqw]]>其中，Qg*為電網調度要求風電機組發無功時的無功指令。iqw為避免小電流運行而疊加的無功電流(在同步旋轉指標系下為直流分量)，這樣保證疊加的無功只在子變流器間交換，一個子變流器發出疊加無功的同時，另一個子變流器吸收等量的無功。而網側變流器1#輸出電流幅值為：Im1=id′2+(-Qg*3ud+iqw)2]]>另一個網側變流器2#輸出電流幅值為：Im2=id′2+(-Qg*3ud-iqw)2]]>為了避免兩個子變流器電網側小電流運行，設輸出電流幅值至少要達到Iw，即需同時滿足Im1≥Iw及Im2≥Iw，id'為電壓控制環PI調節器的輸出，其為內部電流控制環的輸入，當電流環得到有效控制時，可以認為電網側變流器的電流有功分量大小就是id'。當|id'|≥Iw時，顯然滿足條件，則取iqw＝0；而當|id'|<Iw且可取iqw＝0。而|id'|如果Im≥Iw，就無需疊加無功分量，即取iq+＝0，否則，可取q+＝Iwsin[(3k-1)ω1t]，其中k為大於0的整數。考慮到大功率全功率變流器的開關頻率不會太高，這裡可取k＝1，實現的方法是在dq同步旋轉坐標系中對原直流無功指令疊加一個2倍頻分量，這樣網側輸出的實際就是3倍頻無功電流。上述簡單控制邏輯可用如下10所示邏輯控制流程圖來描述：如圖11所示，給出了在微風時小功率情況下電網側增加3倍頻(即頻率為網壓基波頻率的3倍)無功電流前後變流器輸出電流對比的仿真波形，前半部分為未增加的波形，後半部為增加後的波形，可見，增加3倍頻無功電流後，流過變流器功率開關器件的電流頻繁過零的次數明顯減少了，功率開關器件的運行可靠性和使用壽命將得到提高。當然，這裡給出的針對非並聯結構變流器的控制改進方法同樣可以應用於並聯結構變流器的情況。亦即對於並聯結構的變流器，每個子變流器網側控制都可以像前面提到的非並聯結構情況一樣，可以各自疊加相同或不同的3倍頻無功電流分量以達到避免小電流運行現象的目的。另外對並聯結構或非並聯結構全功率風電變流器中的電機側變流器，也可以採取上述類似的方法，通過增加電機側變流器內部流動的基波無功電流來避免小電流運行情況，而不影響發電機的轉矩控制。本實施例中，本發明的方法適用於基於IGBT或IGCT或IEGT等各種電壓的功率開關器件構成的一切全功率風電變流器。而且對於電機側變流器，同樣可採取上述類似控制方法，可以增加電機側變流器內部流動的無功電流來避免小電流運行情況，從而不影響發電機的轉矩控制。本發明的方法不需要新增設備，利用全功率風電變流器自身的特點和併網變壓器的技術特點，僅需對控制策略進行改進就可避免全功率風電變流器的功率開關器件的小電流運行惡劣工況，有助於提高功率器件使用壽命和增強變流器的運行可靠性；而且操作簡便，不會影響系統對外輸出的總有功和無功大小。以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護範圍。當前第1頁1 2 3