基于无功环流的风电变流器热负荷优化控制

大容量风电变流器的设计寿命决定了其可靠性,非常关键,而变流器中功率半导体器件的结温将随着风速变化,即随变流器运行功率的变化而波动,这将增加器件的失效率,从而影响到变流器的可靠性。针对这个问题,提出了一种基于无功环流的风电变流器热负荷优化控制策略,首先以双馈风电机组作为研究对象,对其变流器转子侧和网侧的无功环流运行边界范围进行了计算,然后分析了无功环流对变流器中各个功率器件的电流和热负荷分布的影响,从而设计了将额外的无功功率注入以在风速变化时保持功率器件热稳定的优化控制方法。最后,基于Matlab/Plecs的仿真平台建立了风电机组仿真模型并进行了对比计算。结果表明,风速变化时新控制方法使变流器的功率器件最大结温波动较传统方法减小了4℃,从而验证了其有效性。     

考虑基频结温波动的风电变流器可靠性评估

目前风电变流器可靠性评估,无法在考虑实际风速、气温等外部环境长期随机变化的情况下考虑基频结温波动对变流器可靠性的影响。文中提出一种结温迭代算法,可以快速数值计算出功率模块结温。该方法与结温电热仿真方法相比,在保证计算精度的同时能大大缩短计算时间。文中以1.2MW直驱风力发电系统为例,利用提出的结温数值计算方法并结合实际风速和气温数据快速计算整年器件结温,采用Bayerer寿命模型和线性累计损伤理论实现了计入基频结温波动的风电变流器可靠性评估。最后还对可靠性计算结果进行了验证,对比分析了机侧和网侧变流器的可靠性差异、低频和基频结温波动对变流器可靠性的影响。结果表明,大功率直驱风力发电系统,机侧变流器可靠性问题更为严重,且基频结温波动对变流器可靠性的影响不容忽视。     

兆瓦级风电变流器在低穿时热负荷再分配调制策略研究

多电平拓扑结构风电变流器中,三电平中点钳位型拓扑是在海上兆瓦级风电系统中最有应用前景的。然而,随着风电机组电网适应性的需求越来越多,对变流器系统的可靠性要求也越来越高。针对这个问题,本文首先对兆瓦级三电平中点钳位型风电变流器在低电压穿越时的热负荷分布进行了分析,然后提出了一种改进的空间矢量调制方法,在该方法作用下可以使得各个功率器件热负荷重新分布。为了验证该调制方法的有效性,设计了相关试验,试验结果表明,在新的调制策略作用下,变流器在低电压穿越时各个功率器件的热负荷趋于均衡,最大热应力功率器件的结温也在正常范围内,该方法在改变热负荷的同时,还增强了对中点电位的控制能力,而这是中点钳位型变流器的关键技术之一。     

风速记录差异对评估风电变流器可靠性的影响

风速的随机变化使得风电变流器中器件的结温产生波动,影响变流器的可靠运行。现有文献依据每小时的风速记录来评估风电变流器的可靠性,忽略了每小时内风速的频繁变化对变流器可靠性的影响,这会高估风电变流器的可靠性。根据实际的风速及气温数据,分析了不同风速记录时间刻度对风电变流器中器件结温及其波动计算结果的影响;利用Coffin-Manson器件可靠性评估模型评估了在不同时间刻度下的可靠性。评估结果表明,在不同风速记录间隔下,风电变流器的可靠性并不一致。研究结果表明,当风速及气温数据的记录时间间隔在2~3 min之间,风电变流器可靠性的评估结果较为准确;若记录时间间隔较长(如大于10 min),将会高估变流器的可靠性。     

基于转速控制的双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制策略

针对当前双馈风电机组机侧变流器在同步转速点附近结温波动大、影响器件运行可靠性的问题,提出一种基于机组转速控制的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温波动抑制策略。首先,基于最大功率点跟踪(MPPT)控制原理,并结合变流器IGBT模块等效热网络,建立双馈风电变流器结温计算模型。其次,针对机侧变流器在同步转速点附近结温波动出现的"尖峰"现象,从减少机组低频运行范围和提升同步转速附近区域穿越速度的思路出发,提出基于功率、转速双控制外环的改进最大功率点跟踪控制策略。最后,搭建基于PLECS和Simulink联合平台的双馈风力发电系统仿真模型,对机组在亚同步和超同步转速间动态往返变化的变流器电-热性能及其在同步转速附近区域的稳态结温进行仿真,并开展变流器结温抑制效果验证的等效实验。仿真和实验结果验证了所提改进控制策略对抑制机组同步转速点附近变流器IGBT结温波动的有效性。     

考虑运行功率变化影响的风电变流器可靠性评估

针对风电变流器运行功率随机变化可能导致其可靠性降低的问题,提出考虑功率大小及波动强度变化影响的变流器可靠性多状态概率评估模型。利用多状态概率分析法,以变流器输出功率大小和波动强度作为二维状态划分因子,对应其热应力因子和温度循环因子,建立变流器的元器件故障率统一计算模型。利用变流器元器件的结温计算方法,结合雨流法提取结温循环信息,建立风电变流器子系统级的可靠性多状态概率评估模型。以某风电场SCADA信息为例,比较了不同可靠性评估模型的收敛性,并分析功率大小和功率波动强度对机侧和网侧变流器故障率的影响。结果表明,所建立的可靠性评估模型更能合理反映功率变化对器件结温均值和结温波动的影响,评估的机侧变流器故障率比网侧更大,且随着功率波动强度增加,变流器故障率也增加。     

双馈风电变流器IGBT模块功率循环能力评估

为准确评估不同风况下双馈风电机组变流器的可靠性水平,提出一种机侧变流器IGBT模块的功率循环能力评估方法,并研究了风速对功率循环能力的影响。基于器件失效模型,建立机侧变流器IGBT模块的平均失效时间(MTTF)计算模型。结合变流器实时运行参数,建立机侧变流器IGBT模块结温计算模型,并分析湍流风速对结温波动的影响,进而提出基于雨流算法提取随机结温波动信息。根据提取的随机结温波动信息,结合风速统计特性,提出机侧变流器IGBT模块功率循环能力评估模型。最后,以某1.5 MW双馈风电机组机侧变流器IGBT模块为例,分析年平均风速及湍流强度对其功率循环能力的影响。分析结果表明:该变流器IGBT模块的MTTF其随着年平均风速及湍流强度的增大而减小;相比传统评估模型,所建立的评估模型更准确。     

基于器件的结温变化评估风机中参数差异对网侧变流器可靠性的影响

风电变流器的可靠运行是风能转换系统中的重要关注对象。然而现有文献评估器件结温对变流器可靠性的影响时,却没有重视结温波动的影响,以致往往高估了风电变流器的可靠性。该文基于永磁同步风力发电机工作的恶劣环境,分别从切入运行风速、额定风速、切除停机风速、开关频率及功率因数的变化,造成变流器中器件结温幅值及其波动差别的角度出发,利用Coffin-Manson器件可靠性评估模型,评估网侧变流器可靠性的差异。以1 MW风机结合实际风速数据为例进行分析论证,结果验证了理论分析的正确性。统计数据结果表明,额定风速及开关频率的变化对变流器可靠性的影响比较大。为了实现变流器的高可靠运行,风机宜在低风速切入运行,尽可能高的风速切除停机。     

气温波动对风电变流器中功率器件寿命消耗的影响

风电变流器中功率器件承受的热载荷具有多时间尺度特性,具体可以划分为基频热载荷和低频热载荷,不同时间尺度的热载荷将导致不同的器件寿命消耗,因而需要分别进行评估。气温的随机波动会对热载荷产生影响,因此在进行器件寿命评估时应考虑气温因素。然而现有的寿命评估方法受限于结温计算方法,仅考虑风速的变化而忽略了气温波动对寿命消耗的影响。因此,基于结温数值计算方法,利用Bayer寿命模型,以Lauswersoog和Valkenburg两个风电场2015年的气温和风速数据为基础,评估了计及气温下功率器件的可靠性,分析了气温波动对寿命消耗的影响。结果表明,长期的气温波动会增加器件的寿命消耗,并且气温波动主要影响低频寿命消耗,而对基频寿命消耗基本没影响。     

双馈风电机组变流器IGBT结温计算与稳态分析

针对双馈风电机组机侧变流器长期处于低频下运行导致故障率高的机理问题,提出其功率器件绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)结温准确计算方法及其变化规律的研究。首先基于不同损耗分析方法,结合IGBT热网络,建立了IGBT结温计算模型,并对一个实际IGBT在不同结温计算方法下的稳态结温进行比较。其次,结合双馈风电机组运行特性,分别建立其全范围工况下机侧变流器IGBT的结温计算模型。最后,分析了双馈风电机组在不同风速下机侧变流器IGBT稳态结温变化规律及其影响因素。结果表明,基于开关周期损耗的结温计算方法更适合较低频率运行下IGBT结温的准确计算;双馈风电用机侧变流器IGBT稳态结温波动幅值随变流器输出频率的降低而增大。     

考虑不同时间尺度的风电变流器功率模块可靠性评估模型

考虑到变风速运行下风电变流器功率模块的结温波动既受到风速的影响,同时也存在由换流引起的基频结温波动。为了综合衡量这两个时间尺度下结温波动对变流器可靠性的影响,提出考虑不同时间尺度下结温波动特点的可靠性评估模型。针对受风速影响较大的长时间尺度结温波动,根据FIDES可靠性评估导则,引入热应力因子和温度循环因子对不同风速均值、风速湍流强度运行状态下的可靠性影响进行评估。针对由换流引起的短时间尺度下的基频结温波动,采用多状态概率评估思想将风速大小进行概率划分,并基于功率模块失效机理评估不同风速对功率模块故障率的贡献。最后,以某风场变流器为例,对其可靠性进行评估,并分析设计参数对可靠性的影响。文中结论对于制定检修计划,提高功率模块设计可靠度提供了依据。     

风电变流器中IGBT的可靠性研究

风力发电机组中的变流器,其运行工况特殊,功率、频率、电流、电压等参数随风的变化而变化.由于变流器工况变化频繁,引起功率器件的结温和壳温频繁波动,造成器件的功率循环和热循环损伤较大.另一方面,高海拔地区丰富的风资源,为风电变流器的高海拔运行提供了广阔空间,而高达4 km海拔的应用,让宇宙射线对功率器件的损伤不容忽视.大功...     

基于负序电流补偿的并联风电变流器故障容错控制

海上风电运行环境恶劣,风电功率随机波动性大,导致功率器件极易发生故障.故障容错控制是提高风电并联变流器运行可靠性以及功率可用度的有效手段.并联风电变流器某相发生开路故障后,对并联风电变流器的故障运行机理进行了详细分析.在此基础上,提出一种基于负序电流补偿的并网风电变流器故障容错控制,利用非故障变流器模块对故障变流器模块进行负序电流补偿.当系统功率小于或等于0.5 p.u.时,在保证并网侧电流平衡的条件下实现变流器最大输出功率;当系统功率大于0.5 p.u.时,首先满足系统有功输出要求,然后对负序电流进行补偿.最后通过仿真验证了该控制理论的正确性与可行性.     

抑制IGBT器件结温的双馈风电变流器分段DSVPWM策略

针对双馈风电机组机侧变流器绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温波动大的问题,提出了一种抑制IGBT结温且不影响机组运行性能的机侧变流器调制策略。首先,基于不连续空间矢量调制(DSVPWM)在一定负载功率因数角可降低变流器开关损耗的思路,通过推导双馈风电机组机侧变流器功率因数角表达式,详细分析了机侧变流器功率因数角的变化范围。其次,为了有效抑制IGBT结温,针对机侧变流器功率因数角变化范围大的问题,提出以机侧变流器功率因数角变化范围为依据的分段DSVPWM策略。最后,建立了考虑IGBT热性能的双馈风电变流器电-热耦合模型,对机组不同出力下的变流器电-热性能进行了仿真分析。结果表明,与传统连续空间矢量调制(CSVPWM)策略相比,所提出的分段DSVPWM策略能有效抑制机侧变流器IGBT结温及结温波动。     

永磁直驱风电全功率变流器并联控制方法研究

为提高永磁直驱风电全功率变流器并联控制效果,提出永磁直驱风电全功率变流器并联控制方法研究。首先分析永磁直驱风电全功率变流器拓并联扑结构,建立永磁直驱风电全功率变流器模型,计算无功功率受有功功率波动造成电压幅值产生波动,结合虚拟阻抗使功率在此种情况下耦合,系统总电阻补偿至0时,实现永磁直驱风电全功率变流器并联控制。实验结果表明,采用该方法控制永磁直驱风电全功率变流器并联运行的机侧环流与网侧环流波动较为稳定,验证了该方法的控制性能。     

风电变流器IGBT模块损耗及结温的计算与分析

针对双馈风电变流器IGBT模块在交变热应力的长期作用下导致故障频发的问题,提出其损耗与结温的准确计算模型及不同工况下两者变化规律的研究。首先,建立了机侧及网侧变流器在整流或逆变模式下IGBT模块损耗及结温的计算模型;其次,对机组在不同运行工况下,其损耗和稳态结温进行分析。结果表明,随风速的增大,机侧与网侧变流器IGBT模块的损耗变化规律不同;机侧变流器IGBT模块的结温波动剧烈,尤其是在同步风速附近区域。     

基于半导体功率损耗的小型风电变换器可靠性研究

基于半导体功率损耗,针对小型风电永磁电机常用的Boost(Intermediate boost converter,IBC)、Buck-boost(Intermediate buck-boost converter,IBBC)、背靠背(Back-to-back converter,BBC)、矩阵(Matrix converter,MC)变换器可靠性进行分析,确定变换器在特定风速下的失效周期和可靠性。在统计学基础上,建立了变换器元件的故障率统一计算模型。通过计算电力电子器件的开关损耗和导通损耗,确定Boost变换器相对其他变换器具有最高的失效周期。同时确定出变换器组件中,逆变器可靠性是影响变换器可靠性最重要的因素。通过现场数据比较四种变换器可靠性和使用寿命,证明理论分析是正确的。