低电压穿越技术

低电压穿越时对10兆瓦的风力涡轮机多级电网侧变流器的热分析

柯玛，会员，IEEE，佛雷格布拉布叶格，研究员，IEEE，马可李斯锐，研究员，IEEE

摘要

由于单个风力涡轮机的功率等级不断上升甚至达到7MW，风力发电系统要求更可靠和能够承受极端的电网干扰。此外，风力发电系统应在电网中更加灵活和能够通过在电网故障期间注入有助于电网恢复的无功电流，这已经成为一种需要。因此，全功率变换器解决方案正变得越来越流行来满足不断增长在风力发电应用中的挑战。然而，全功率转换器中的功率器件的加载，特别是在电网故障期间，可能会妥协可靠性能和进一步增加了系统的成本。在本文中，三个具有好前景的用于新一代的10兆瓦的风力涡轮机的电网侧的多级变换器的拓扑结构被提出，和基本上作为案例学习而设计。运行状态，和可靠性相关性能一样，研究的目的在不同的低电压穿越（LVRT）条件下。发现所有提出的转换器拓扑结构都将一些低电压穿越操作时高负载的功率器件（特别是二极管）中遭受交界处的温度较高。此外，本三电平和五电平H桥拓扑比著名的三电平中性点钳位拓扑结构在减少不对称性和设备应力等级方面表现出更大的潜力。

关键词：低电压穿越（LVRT），多层次变换器，热分析，风力发电。

一、引言

欧盟致力于到2020年其能源的20%从可再生能源中获得[ 1 ]。作为最有前景的候选对象，并入电网的风能生产在全世界蓬勃发展。同时，单个风力发电机组的容量不断增加从而降低了生产每千瓦时的价格，作为尖端成就，7兆瓦海上风机已经出现在市场上[ 2 ]-[ 4 ]。因此，由于与以前相比在电网故障或断开后会对电网的更为重要的影响，风力发电

系统要求更加可靠，能承受一些极端的电网扰动。传动系统运营商已经颁布更严格的低电压穿越（LVRT）电网的标准，如图1所示的[5] 对于不同的国家，在图中定义了各种电压骤降和允许的扰动时间的边界。此外，风力发电系统还提供无功电流（高达转换器额定电流容量的100%）来有助于电网恢复，当低电压穿越出现，如图2所示，所需要的与电网电压相关的无功电流由德国的电网规范指示[ 6 ]。

图1.不同国家低电压穿越下的风力发电机的电网参数

图2.低电压穿越时无功电流要求与电网电压

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更严格的电网标准以及高可靠性要求推动风力发电系统的解决方案从带有部分额定功率变换器的双馈感应发电机向带有全功率变流器的永磁同步发电机发展。有关如何控制风电变换器满足在低电压穿越时电网要求的大量的工作已经完成了[ 7 ]，[ 8 ]。然而，在这种条件下的功率损失和热性能，特别是当使用MW级全功率变流器，是另一个重要的而且有趣的进一步的调查所需要的话题。在电网干扰下的功率器件的极限载荷可能导致消除相关变换器功率，无效成本的功率半导体器件，复杂的散热系统，以及降低了的变换器的可靠性。

在本文中，三个有前景的用于10兆瓦的风力涡轮机的电网侧多电平变换器被提出和初步设计。评价标准主要针对利用

功率开关器件和不同低电压穿越条件下功率开关器件的热性能。对于转换器输出的研究，以

及在不同电网电压骤降/风速下的功率损失和热分布，被介绍和比较。

二、有前景的拓扑结构和基本设计

带有全面的功率转换器的变速风力涡轮机的概念和主要部分，如图3所示。如前所述，单个风力发电涡轮机的容量保持增加甚至达到7兆瓦，以及中压（1 kV–10 kV）设备将有趣和被需要来减少在这样的高功率等级中的布线和开关器件的额定电流。对传统的二级电压源转换器来说用现有的开关器件达到可接受的性能越来越难[ 9 ]。随着更多的输出电压电平的能力，更高的电压振幅，和更大的输出功率，多电平变换器的拓扑结构是当今全功率/中压风电转换应用中最有前景的候选对象。[ 9 ]–[ 13 ]。

图3.带有全功率转换器的风力发电系统

由于图3中的电网侧转换器直接连接电网和起着关键的作用来符合在电网故障期间的严格标准，主要讨论会集中在发电系统这部分。关于发电机侧交流/直流转换器的更详细的信息包括在[ 11 ]和[ 12 ]中，将不在本文讨论。在各种多电平拓扑结构中，其中三个是感兴趣的，他们将在下面被介绍。

作为市场上一个最商业化的多电平变换器研究，三电平中性点二极管箝位拓扑（3L-NPC）如图4所示。直流总线的中点电位波动是一个主要的缺点，但是这个问题被广泛的研究以及被认为性能提高了[ 10 ]。然而，发现在一个交换臂上的功率设备的内外的功率损失分布是不平等的，当实际上被设计时这个问题可能会导致成本无效功率器件的使用[ 10 ]，[ 13 ]。

图4.三电平中性点二极管箝位拓扑（3L-NPC）

三电平H桥拓扑（3L-HB）可能是另一个在风力发电应用中的选择，如图5所示。3L-NPC 解决方案中的钳位二极管被消除[ 13 ]，只有一半的没有中点的直流母线电压是需要的，直流链路电容器的成本可以降低。不过，额外的长度，功率损失，和在电缆的电感以及成本将是一个主要的缺点。此外，零序电流路径在这种结构中被介绍，在这种结构中特殊成分或控制方法被需要来限制零序列电流[ 14 ]。

图5.三电平H桥转换器拓扑（3L-HB）

图6.五电平H桥转换器拓扑（5L-HB）

表一：案例研究的不同变流器拓扑结构参数

结构3L-NPC 3L-HB 5L-HB

额定有功功率10MW

等效频率800Hz

调制法PD-PWM 单极PWM POD-PWM 直流总线电压 5.6kV 2.8kV 5.6kV

原边电压 1.9kV rms 1.9kV rms 3.8kV rms

额定相电流 1.75kA rms 1.75kA rms 972 A rms

滤波器电容 1.13mH(0.2 p.u) 1.13mH(0.2 p.u) 2.89mH(0.2 p.u)

另一个很有前景的利用3L-NPC拓扑的开关手臂的转换器配置（5L-HB），和3L-HB拓扑结构的H桥结构的拓扑结构，如图6。作为3L-HB拓扑对开放式绕组变压器具有相同的特殊要求。相同额定电压的开关装置，该转换器可以达到五级电压输出和相比与3L-NPC和3L-HB双倍的电压幅值。这些功能在开关器件以及电缆中减少额定电流[15] 。然而，这5L-HB拓扑结构中引入了更多的功率设备/电缆以及零序电流路径，所有这些可能会增加的转换器系统的成本。

一个案例研究中的每个转换器拓扑结构的基本设计为：所有的功率开关器件具有换相电压2.8 kV为了利用市场上现有的主导的4.5 kV大功率IGCT / IGBT，然后直流母线和每个配置的最大输出电压可以确定。用于每一个转换器拓扑的最常用的搭载的PWM方法被应用，为了在功率器件中得到一个可接受的开关损耗等效开关频率通常被设计是800Hz 。输出滤波电感的设计限制最大电流纹波为额定电流的振幅的25%，滤波电容不考虑。功率控制方法可以在[ 13 ]发现，在不同的电压骤降下通过逆变器传递的有功和无功电流参考是根据如图2 中德国电网参数来选择的[ 6 ]。设计参数总结在表一，为了简化分析，电网被认为是三个理想的交流电压源，变压器假设为理想的。在低电压穿越时的直流母线电压假设由一个直流母线斩波器控制在额定值的110%，它是从发电机吸收有功功率的一个典型的工业解决方案。在正常的电网操作下每个拓扑的详细的功率损耗和效率性能可以在[ 11 ]发现。

三、平衡低电压穿越控制下的运行状态

在每个转换器拓扑结构参数都解决之后，随着输出电压信息的运行状态，各种低电压穿越条件下的负荷电流和输出功率可被推导和模拟。为了便于在低电压穿越时转换器的操作特性的调查和演示，首先考虑三相平衡的电网故障。

图7总结了在各种平衡电网电压跌落下三个阶段中由网侧变流器传递的有功/无功功率。由于在低电压穿越时注入的无功电流的由图2中电网参数定义，由转换器传递的无功功率Q 仅由电网电压决定。不过，当电网电压高于0.5 p.u.时还有一些灵活方法调整有功电流。为了减少直流母线上制动斩波应力和保持直流母线电压[ 7 ]，[ 8 ]，由变换器传递的在电网电压高于0.5 p.u时的有功功率P应该是指风力涡轮机产生的功率。最坏的情况假设为发电系统将提供尽可能多的有功功率和风力机的桨距角控制没有足够的时间来激活[ 7 ]，[ 8 ]。风速12米/秒的情况（10兆瓦发电），10米/秒（6.3兆瓦发电），8米/秒（3.2兆瓦发电）分别在图7中表示[ 16 ]，[ 17 ]。

图7.在平衡低电压穿越下由转换器传递的有功/无功功率