直驱式永磁同步风力发电变流器

1.3风力发电变流器技术

电力电子变流器(系统)是风力发电机组与电网的核心中间环节,堪称风力发电系统的重中之重。在风机控制器的统筹管理下,变流器要实现发电机组的最大风能捕获(MPPT );同时还必须使机组具备低电压穿越等故障保护功能,向电网输送高品质电能。并且受限于风电机组的空间尺寸与成本,变流器必须做到较高的功率密度与可靠性。这对变流器系统的电磁性能、结构及安全易用性等设计研究均提出了较高要求。

1.3.1变流器拓扑与控制

以永磁直驱式风力发电系统为例,整个风机系统的控制框图如图1.4所示。其中,变流器的控制主要包括PMSG的(电机侧)PWM整流控制技术与电网侧PWM逆变器控制技术。电机侧PWM变流器通过对发电机定子励磁与转矩电流的解耦控制,实现电机转速调节,使其具备最大风能捕获功能,已有如最大转矩/电流比控制、效率最优控制、定子磁通矢量控制、直接转矩控制等;电网侧PWM变流器均通过调节网侧的交直轴电流,保持直流侧电压稳定,实现有功和无功的解辅控制,保持机组运行在变速恒频发电状态;同时,配合输出滤波器来保证电能质量,并对电网故障进行实时检测,以实现LVRT功能气

图1.4风机系统的控制框图

对于直驱式风电变流器系统,变流器拓扑常见的有如下几种[3 ]。

图1.5 二极管不控整流+逆变

如果将可控器件GTO或者IGBT应用至机侧和网侧变流器,如图1.8。利用PWM(脉宽调制)技术不但使电流波形得到很好的控制,而且PWM变流器可以四象限运行。采用PWM调制的发电机侧变流器自然为BOOST电路,发电机可以在很宽的风速范围内运行,使系统的风能捕获效率得到显著改善。特别是双PWM结构的变流器中,能量可以双向流动,使发电机控制的灵活性得到极大提高,通过釆用更多的先进控制策略,极大的提高了系统整体性能。随着可控半导体功率器件技术的不断发展,双PWM背靠背变流器结构得到越来越广泛的应用。

1.3.2变流器结构设计

正如前文所述,由于风电机组可能面临的各种恶劣环境条件(如风沙、严寒、沿海及海上等),同时受限于变流器有限的安装维护空间,对于风力发电应用场合变流器的功率密度、防护等级、维修性与可靠性要求较为严苛,这就对变流器的结构设计与生产提出了更高要求。

尤其对于兆瓦级低压(直流侧电压不大于1100V)大容量风电变流器,由于电压等级并不算太高,变流器通过的额定电流较大.一些在小容量应用场合中无需关注甚至根本不会存在的问题却会成为这类变流器设计的难点及关键,如开关器件的限制,各种连接线、接头及其线路杂散参数的影响,散热系统设计,系统的高

效率、低成本、易于安装与维护等。

一般来讲,3MW以下的变流器的设计采用两电平的拓扑较为合理,三电平或多电平结构的设计会使系统成本增大。为实现高功率密度,变流器容量的扩展可采用若干功能模块的并联来实现,如若干较低功率等级的器件并联、三相半桥功能模块并联等。变流器总体设计可能会较为复杂,且对生产与工艺有较高要求,以便与实现器件或设备的均流控制。

随着单体功率器件等级的不断提高,也可釆用单个大功率IGBT功率模块构成一个完整三相半桥实现全部的能量传递。其设计会相对简单,对生产与工艺的要求相对降低,控制也相对简单,但对功率器件性能及使用会有较高要求,同时必须尽量减小线路寄生参数,削弱较大di/dt与du/dt对开关器件的影响[3]。

目前,模块化的设计理念巳充分渗透至变流器结构设计研究中。比如考虑装配、维护的要求和空间限制,将一个轿臂的两个IGBT功率模块、直流支撑回路、缓冲吸收回路与散热系统全部集成,形成一个相对独立的最小功率变换功能单元,通过组合,便可构成一套具备组件互换性的背靠背变流器。甚至也能以此最小功率变换功能单元,构成其它拓扑结构的大功率变流器。

对于二极管不控整流+逆变拓扑结构,如图1.5。由于机侧釆用的是不控整流,直流母线电压完全由机端电压决定,而对于网侧逆变器来说,直流电压必须大于某一定值才能向电网输出功率,当直流母线电压过高时,又会对变流器所用功率器件的耐压提出背刻要求,带来成本增加、整机效益降低的不良影响。因此这类拓扑结构的变流器的运行范围通常较小,导致风能利用效率极大降低;并且由于能量的单向性,难以对风力发电机实施控制,导致MPPT能力不易实现并存在很大的低次谐波成分。

不控整流+BOOST变换器+逆变拓扑结构,如图1.6。通过BOOST变换器实现输入侧功率因数校正(Power Factor Correction, PFC),提高发电机的运行效率,保持直流侧电压的稳定,对发电机的电磁转矩和转速进行控制,实现变速恒频运行。但这种结构同样受限于能量单向性问题,无法直接对发电机实施有效的控制;并且在系统容量较高的应用场合,设计可靠高效的大功率BOOST电路会变得较为困难。但在其它应用场合,得益于这种拓扑结构相对低廉的成本,尤其在较小功率的直驱风力发电工程中得到较多应用[3]。相控整流+逆变拓扑结构,如图 1.7。其中电机侧采用晶闸管可控整流技术。通过控制晶闹管的导通时间,可以一定程度上解决直流母线电压泵升过高问题。但是此类相控整流依然无法实现能量的双向流动,并且带来电机定子电流谐波更大等问题。

在严格的体积限制前提下,变流器的结抅及散热系统设计也需要充分考虑其所处的环境条件,包括较宽的温度范围(-15°C?45°C)、盐雾、腐烛、潮湿和振动冲击等。为提高其环境适应性,大功率变流器中通常釆用液体闭式循环散热与空气循环冷却相结合的设计理念,而在海上风力发电场合,可以考虑直接利用海水进行高效外部冷却。

1.3.3风力发电变流器的发展趋势

伴随着风力发电机组容量的不断增长及未来海上风力发电模式的牵引,近年

来,风电变流器相关技术研究得到了广泛关注与高速发展。

(1)高功率密度、通用模块化设计

采用功率等级更高的半导体器件和模块化的设计理念已深入人心。目前风电变流器应用最广泛的开关器件为绝缘门极双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT ),而随着变流器容量的增加,功率等级更高的集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCT )可能将逐步得到推广应用。而且由于IGCT器件采用平板压接结构(如图1.9所示),由上下两个散热端面对导器件工作时产生的损耗进行传导,与单面散热的常规丨GBT器件相比,先天就具备了提高器件功率密度的能力。另外,IGCT采用压接封装结构,与常规1GBT 模块封装相比,具有更高的可靠性。如图1.10中所示的积木式功能模块,具备了很高的可靠性和可维性。该积木功能模块集成了 8个IGCT单元(包括驱动)、吸收缓冲电路及水冷散热回路,无需拆卸连接母排和冷却管路即可取出其中任何一个IGCT单元,并且设计集成了专门的智能保护系统,无需额外安装溶断器,保证单个丨GCT的损坏不会扩散至其余部件。该功能模块已在ABB PCS6000 ( 5MW )全功率变流器中得到应用。

(2)电压电流等级不断提高,拓扑结构更加灵活多样

随着风电变流器的电压与电流等级的不断提高,适用于更高电压等级与容量的多电平变流器拓扑得到了广泛关注。变流器采用多电平方式后,可以有效降低对单个功率器件耐压能力的要求,有利于更大输出容量、更高电压等级的系统实现;同时,得益于其更多电平(台阶)的电压输出(相对较低的dv/dt),对变流器输出电能质量和电磁兼容性能的提升也起到了很好的效果。ABB公司釆用IGCT器件的风力发电变流器PCS6000就是双向二极管钳位三电平结构(如图 1.1丨所示);Siemens AG采用高压IGBT器件,也采用类似的拓扑结构;ALSTOM公司釆用IGBT器件,不仅实现了飞跨电容型三电平拓扑应用,甚至还基于IGCT开发出了飞跨电容型五电平变频器[3]。