提高雙饋風(fēng)電變流器功率器件在微風(fēng)工況下可靠性的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高雙饋風(fēng)電變流器功率器件在微風(fēng)工況下可靠性的方法，為：在不影響系統(tǒng)輸出既定總無功要求的情況下，增加流經(jīng)雙饋風(fēng)電變流器的電流，即增大微風(fēng)或風(fēng)機(jī)發(fā)電功率很小時(shí)雙饋風(fēng)電變流器的運(yùn)行電流，避免在微風(fēng)工況或風(fēng)機(jī)發(fā)電功率很小時(shí)出現(xiàn)小電流運(yùn)行情況。本發(fā)明具有原理簡(jiǎn)單、可改善雙饋風(fēng)電變流器在微風(fēng)工況下的控制性能、提高雙饋風(fēng)電變流器及其功率器件的運(yùn)行可靠性和延長(zhǎng)其使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】提高雙饋風(fēng)電變流器功率器件在微風(fēng)工況下可靠性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及到風(fēng)電【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種提高雙饋風(fēng)電變流器功率器件在微風(fēng)工況下可靠性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力發(fā)電是目前技術(shù)最成熟、最具規(guī)模化開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的新能源。隨著風(fēng)電機(jī)組的功率不斷增大，目前國內(nèi)已開發(fā)出最大6兆瓦的風(fēng)電機(jī)組并開始商業(yè)應(yīng)用。采用雙饋式風(fēng)電機(jī)組發(fā)電是目前風(fēng)力發(fā)電的主流方式。大容量雙饋風(fēng)電變流器是當(dāng)前雙饋式風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，其控制性能決定了機(jī)組發(fā)出電能的質(zhì)量，它的運(yùn)行可靠性將會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組的發(fā)電量。而功率器件(當(dāng)前一般采用IGBT)是雙饋風(fēng)電變流器的核心器件，其運(yùn)行可靠性直接關(guān)系到變流器的工作可靠性和使用壽命。
[0003]IGBT (絕緣柵雙極晶體管)是一種壓控型電力電子器件，具有驅(qū)動(dòng)功率小，導(dǎo)通壓降低、開關(guān)損耗小及容量大等特點(diǎn)，其已廣泛應(yīng)用在機(jī)車牽引、工業(yè)變頻、風(fēng)力發(fā)電等行業(yè)。風(fēng)電機(jī)組發(fā)展的趨勢(shì)是單機(jī)容量越來越大，與之配套的風(fēng)電變流器容量也越來越大，其中大容量IGBT得到了廣泛應(yīng)用。但從工業(yè)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)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(rèn)為IGBT在小電流下工作電流小、發(fā)熱損耗低而使用應(yīng)該較安全。然而事實(shí)并非如此，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，基于IGBT的變流器模塊在小電流運(yùn)行情況下的失效率明顯高于運(yùn)行于大電流的情況。
[0004]在文獻(xiàn)《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(shù)2013年第I期)中指出，變流器的IGBT元件工作在小電流下有兩個(gè)重要的特點(diǎn):
[0005]1、工作電流較小時(shí)，F(xiàn)WD (Flee Wheel Diode,續(xù)流二極管)浪涌電壓較高；
[0006]對(duì)于由IGBT開通時(shí)二極管反向恢復(fù)引起的FWD浪涌電壓，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范圍內(nèi)時(shí)該浪涌電壓較大。如果這個(gè)尖峰電壓超過逆向偏壓安全工作區(qū)，該IGBT元件存在被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。
[0007]2、工作電流較小時(shí)存在死區(qū)振蕩現(xiàn)象，即在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，受分布電容和變流器主電路電感影響，IGBT端電壓將出現(xiàn)振蕩，死區(qū)端電壓振蕩可能引起FWD微小脈寬導(dǎo)通現(xiàn)象，而微小導(dǎo)通脈寬小到一定程度時(shí)，可能使IGBT元件FWD反向恢復(fù)時(shí)尖峰電壓Vsp完全超過元件的耐壓。雖然死區(qū)振蕩這樣的概率并不高，但在大批量產(chǎn)品應(yīng)用下，這樣的失效將會(huì)變得明顯。
[0008]另外，IGBT元件在小電流下工作情況下雖然通過脈沖處理電路可以避免讓IGBT元件柵極接收到窄脈沖信號(hào)，但在實(shí)際運(yùn)行中仍有可能出現(xiàn)微小時(shí)間導(dǎo)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，并大大降低了 IGBT的壽命。
[0009]基于IGBT功率器件的風(fēng)電變流器，無論是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器(后簡(jiǎn)稱雙饋風(fēng)電變流器)還是同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器(一般稱作全功率風(fēng)電變流器)，其都為背靠背的兩個(gè)三相橋拓?fù)湫问?，能量能雙向流動(dòng)。其中，雙饋風(fēng)電變流器為連接于電網(wǎng)和雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)之間的風(fēng)電變流器，其控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流和有功電流，使發(fā)電機(jī)的電能可通過定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)饋送到電網(wǎng)。變流器按功能和位置內(nèi)部可劃分為網(wǎng)側(cè)變流器(風(fēng)電變流器連接電網(wǎng)側(cè)的部分，包括濾波電路和由功率器件組成的橋臂等)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(風(fēng)電變流器連接發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的部分，包括濾波電路和由功率器件組成的橋臂等)。其中，網(wǎng)側(cè)變流器為PWM整流控制方式，其的控制目標(biāo)是穩(wěn)定直流側(cè)的電壓。在大風(fēng)情況下，網(wǎng)側(cè)變流器的輸出電流較大而平滑，然而在小風(fēng)或微風(fēng)情況下，有這樣一個(gè)很值得關(guān)注的問題:即小風(fēng)或微風(fēng)時(shí)，因風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)換的風(fēng)功率太小，網(wǎng)側(cè)變流器的電流有效值很小，在小電流下的電流集中在零點(diǎn)附近且經(jīng)過零點(diǎn)正負(fù)方向頻繁變化(如圖1所示)；根據(jù)前面的分析情況，按照目前行業(yè)的控制方法，在微風(fēng)情況下風(fēng)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，從業(yè)者稱這種問題現(xiàn)象為微風(fēng)工況的小電流運(yùn)行現(xiàn)象。
[0010]由于從事變流器技術(shù)開發(fā)的人員一般對(duì)變流器在小電流運(yùn)行時(shí)電流頻繁過零對(duì)變流器功率器件的失效影響缺乏深入研究或忽視了該問題的影響，目前雙饋風(fēng)電變流器的控制中，為簡(jiǎn)化控制，無論是大風(fēng)情況和微風(fēng)情況，一般都是將網(wǎng)側(cè)變流器的無功電流指令取為0，這樣造成的結(jié)果是在微風(fēng)情況下，網(wǎng)側(cè)變流器將出現(xiàn)小電流運(yùn)行情況，造成電流經(jīng)常集中在零點(diǎn)附近且經(jīng)過零點(diǎn)正負(fù)方向頻繁變化，從而易引起功率器件過早失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種原理簡(jiǎn)單、可改善雙饋風(fēng)電變流器在微風(fēng)工況下的控制性能、提高雙饋風(fēng)電變流器及其功率器件的運(yùn)行可靠性和延長(zhǎng)其使用壽命的提高雙饋風(fēng)電變流器功率器件在微風(fēng)工況下可靠性的方法。
[0012]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0013]一種提高雙饋風(fēng)電變流器功率器件在微風(fēng)工況下可靠性的方法，為:在不影響系統(tǒng)輸出既定總無功要求的情況下，增加流經(jīng)網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的無功電流，避免在微風(fēng)工況或風(fēng)機(jī)發(fā)電功率很小時(shí)出現(xiàn)小電流運(yùn)行情況。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):可采取增加雙饋風(fēng)電變流器有功電流分量或無功電流分量的方式來增大流經(jīng)雙饋風(fēng)電變流器的電流。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):具體流程為:
[0016](I)、判斷網(wǎng)側(cè)變流器有功電流指令值是否小于某一閾值，如果是，則說明是處于小風(fēng)或微風(fēng)情況下，執(zhí)行步驟(2)；
[0017](2)、取網(wǎng)側(cè)變流器的無功電流指令為一較大的指令值，以增加網(wǎng)側(cè)變流器的無功電流；
[0018](3)、當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器有功電流指令值大于所述閾值后，說明風(fēng)速已大到一定程度，將網(wǎng)側(cè)變流器的無功電流指令變小或重新取為零；
[0019]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):在增加無功電流時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的無功指令電流相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整；引入一個(gè)無功調(diào)節(jié)器來得到轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的無功指令電流，即用原總無功指令值與總無功實(shí)際值的差值經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后直接得到轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的無功指令電流，而總無功實(shí)際值通過檢測(cè)網(wǎng)側(cè)變流器的網(wǎng)側(cè)電壓和總電流采取瞬時(shí)功率法計(jì)算得到。[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0021]本發(fā)明原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，在不影響系統(tǒng)既定輸出總無功的情況下通過增大變流器無功電流的方法來避免在微風(fēng)情況下的小電流運(yùn)行情況，從而可改善雙饋風(fēng)電變流器在微風(fēng)工況下的控制性能、提高雙饋風(fēng)電變流器及其功率器件的運(yùn)行可靠性和延長(zhǎng)其使用壽命的提高雙饋風(fēng)電變流器功率器件在微風(fēng)工況下可靠性的方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是雙饋風(fēng)電變流器在微風(fēng)工況下電網(wǎng)側(cè)變流器電流的實(shí)測(cè)波形示意圖。
[0023]圖2是雙饋?zhàn)兞髌髟诰唧w應(yīng)用時(shí)的原理示意圖。
[0024]圖3是雙饋?zhàn)兞髌髟诰唧w應(yīng)用時(shí)物理量參考正方向的示意圖。
[0025]圖4是微風(fēng)工況下網(wǎng)側(cè)變流器的電流仿真波形示意圖。
[0026]圖5是在具體應(yīng)用實(shí)例中轉(zhuǎn)子側(cè)無功指令電流的獲取原理示意圖。
[0027]圖6是本發(fā)明方法在具體應(yīng)用實(shí)例中的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下將結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0029]本發(fā)明的提高雙饋風(fēng)電變流器功率器件在微風(fēng)工況下可靠性的方法，為:在不影響系統(tǒng)輸出既定總無功要求的情況下，增加流經(jīng)雙饋風(fēng)電變流器的電流，即增大微風(fēng)或風(fēng)機(jī)發(fā)電功率很小時(shí)雙饋風(fēng)電變流器的運(yùn)行電流，避免在微風(fēng)工況或風(fēng)機(jī)發(fā)電功率很小時(shí)出現(xiàn)小電流運(yùn)行情況，從而提高雙饋風(fēng)電變流器的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命。簡(jiǎn)言之，就是加大雙饋風(fēng)電變流器的運(yùn)行電流，使雙饋風(fēng)電變流器無論在大風(fēng)、小風(fēng)或微風(fēng)情況下，只要雙饋風(fēng)電變流器在運(yùn)行，都不會(huì)出現(xiàn)雙饋風(fēng)電變流器輸出小電流(即基波有效值很小，甚至接近零)的情況。
[0030]本發(fā)明側(cè)重于采取增加無功電流分量的方式來增大流經(jīng)變流器的電流，這種方式經(jīng)濟(jì)合理。當(dāng)然，在其他的實(shí)施例中，也可以通過增大雙饋風(fēng)電變流器有功電流分量的方式來增大流經(jīng)變流器的電流(如為變流器裝置增加一個(gè)有功負(fù)載)，這也應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0031]以下對(duì)本發(fā)明的原理做進(jìn)一步分析、闡述。
[0032]如圖2所示，在具體應(yīng)用實(shí)例中，雙饋風(fēng)電變流器主要用于變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，雙饋風(fēng)電變流器的內(nèi)部由背靠背的兩個(gè)四象限變流器組成，連接發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變流器一般稱為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(RSC)，連接電網(wǎng)的變流器一般稱為網(wǎng)側(cè)變流器(GSC)。網(wǎng)側(cè)變流器的功能主要用于穩(wěn)定直流側(cè)的電壓，另外根據(jù)需要可控制為向電網(wǎng)吸收或發(fā)出無功。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的有功電流(即轉(zhuǎn)矩電流分量)和無功電流(即勵(lì)磁電流分量)，從而使雙饋異步發(fā)電機(jī)定子向電網(wǎng)發(fā)出有功功率和無功功率。
[0033]對(duì)于網(wǎng)側(cè)變流器的控制，按圖3所示的電流參考正方向，將dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸定向于電網(wǎng)電壓綜合矢量方向上，在三相靜止坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的等幅變換情況下，可得網(wǎng)側(cè)變流器的有功功率Pg和無功功率Qg為:
【權(quán)利要求】
1.一種提高雙饋風(fēng)電變流器功率器件在微風(fēng)工況下可靠性的方法，其特征在于，在不影響系統(tǒng)輸出既定總無功要求的情況下，增加流經(jīng)雙饋風(fēng)電變流器的電流，即增大微風(fēng)或風(fēng)機(jī)發(fā)電功率很小時(shí)雙饋風(fēng)電變流器的運(yùn)行電流，避免在微風(fēng)工況或風(fēng)機(jī)發(fā)電功率很小時(shí)出現(xiàn)小電流運(yùn)行情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高雙饋風(fēng)電變流器功率器件在微風(fēng)工況下可靠性的方法，其特征在于，采取增加雙饋風(fēng)電變流器有功電流分量或無功電流分量的方式來增大流經(jīng)雙饋風(fēng)電變流器的電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高雙饋風(fēng)電變流器功率器件在微風(fēng)工況下可靠性的方法，其特征在于，具體流程為: (1)、判斷網(wǎng)側(cè)變流器有功電流指令值是否小于某一閾值，如果是，則說明是處于小風(fēng)或微風(fēng)情況下，執(zhí)行步驟(2)； (2)、取網(wǎng)側(cè)變流器的無功指令為一較大的指令值，以增加無功電流； (3)、當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器有功電流指令值大于所述閾值后，說明風(fēng)速已大到一定程度，將網(wǎng)側(cè)變流器的無功電流指令變小或重新取為零。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高雙饋風(fēng)電變流器功率器件在微風(fēng)工況下可靠性的方法，其特征在于，在增加無功電流時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的無功指令電流相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整；引入一個(gè)無功調(diào)節(jié)器來得到轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的無功指令電流，即用原總無功指令值與無功總電流實(shí)際值的差值經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后直接得到轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的無功指令電流，而無功總電流實(shí)際值通過檢測(cè)網(wǎng)側(cè)變流器的網(wǎng)側(cè)電壓和總電流采取瞬時(shí)功率法計(jì)算得到。
【文檔編號(hào)】H02J3/18GK103545820SQ201310437225
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】盛建科, 王繼麗, 陳高華, 尚敬, 胡家喜, 劉志星, 佘岳, 王新澤, 胡佑群, 徐鳳星, 羅成, 谷勝 申請(qǐng)人:南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司