本发明主要涉及风电
技术领域：
，特指一种提高全功率风电变流器功率器件在微风下可靠性的方法。
背景技术：
：风力发电是目前技术最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的新能源，风电机组的功率不断增大，目前国内开发出的5兆瓦的风电机组开始商业应用。“十三五”期间还将研制8～10兆瓦海上风电机组。目前基于同步发电机的风电机组和基于双馈异步发电机的风电机组各有优势，同为现在和未来的主流机型。全功率风电变流器是同步发电机型风电机组的关键设备，发电机发出的电能需要全部通过该变流器送到电网。除了配套同步发电机外，目前也有部分大功率风电机组采用的普通异步发电机，也是通过全功率风电变流器将电能送到电网。风电变流器的运行可靠性严重影响机组的发电量。随着风电机组容量的不断越大，以及风电机组开始大规模应用于海上风力发电，对设备的运行可靠性就要求越高，而功率器件(如IGBT)等又是变流器实现电流转换的核心器件，其运行可靠性直接关系到变流器的工作可靠性和使用寿命。IGBT(绝缘栅双极晶体管)是一种压控型电力电子器件，具有驱动功率小，导通压降低、开关损耗小及容量大等特点，其已广泛应用在机车牵引、工业变频、风力发电等行业。风电机组发展的趋势是单机容量越来越大，与之配套的风电变流器容量也越来越大，其中大容量IGBT得到了广泛应用。但从工业应用统计分析表明，大容量IGBT的失效率要比小容量的高很多，而且一般认为IGBT在小电流下工作电流小、发热损耗低而使用应该较安全，然而事实并非如此，统计数据表明，基于IGBT的变流器模块在小电流运行情况下的失效率明显高于运行于大电流的情况。在《一种大功率变流器模块在小电流下的失效分析》(大功率变流技术2013年第1期)一文指出，变流器的IGBT元件工作在小电流下有两个重要的特点：1)工作电流较小时FWD(FleeWheelDiode，续流二极管)浪涌电压较高；对于由IGBT开通时二极管反向恢复引起的FWD浪涌电压，通常集电极电流在其额定电流的几分之一到几十分之一的小电流范围内时该浪涌电压较大。如果这个尖峰电压超过逆向偏压安全工作区，该IGBT元件存在被击穿的风险。2)工作电流较小时存在死区振荡现象，即在死区时间内，受分布电容和变流器主电路电感影响，IGBT端电压将出现振荡，死区端电压振荡可能引起FWD微小脉宽导通现象，而微小导通脉宽小到一定程度时，可能使IGBT元件FWD反向恢复时尖峰电压Vsp完全超过元件的耐压。虽然死区振荡这样的概率并不高，但在大批量产品应用下，这样的失效将会变得明显。另外，IGBT元件在小电流工作情况下虽然通过脉冲处理电路可以避免让IGBT元件栅极接收到窄脉冲信号，但在实际运行中仍有可能出现微小时间导通的情况。可见，变流器的IGBT元件在小电流下工作情况下可靠性将大幅下降，并大大降低了IGBT的寿命。基于IGBT功率器件的风电变流器为背靠背的两个三相桥拓扑形式，能量能双向流动。变流器按功能和位置内部可划分为电网侧变流器和发电机侧变流器。其中电网侧的变流器一般为PWM整流控制方式，其控制目标是稳定直流侧的电压。在大风情况下，电网侧变流器的输出电流较大而平滑，然而在小风或微风情况下，因风电机组转换的风功率太小，电网侧变流器的电流有效值很小，由于功率开关器件的频繁通断，在小电流下的电流集中在零点附近且经过零点正负方向频繁变化(如图1所示)，根据前面的分析情况，按照目前行业的控制方法，在微风情况下风电变流器基本上工作在小电流情况下，将大大降低变流器功率器件的可靠性和使用寿命，这种现象不妨称为微风工况的小电流运行现象，至于发电机侧变流器，由于发电机一般运行在非单位功率因数的情况下，即使在微功率运行情况下，发电机侧变流器由于要输出无功电流，不会出现长时间小电流运行情况。专利CN103545820B针对双馈风电变流器，提出了提高其功率器件在微风工况下可靠性的方法，其策略是根据双馈风电变流器运用的技术特点，在不影响系统输出既定总无功要求的情况下，通过协调增加电网侧变流器和电机侧变流器无功电流的方法来或增大微风或风机发电功率很小时双馈风电变流器的流经电流，从而避免小电流运行情况而易于造成功率器件损害的情况。全功率风电变流器与双馈风电变流器由于在运用方式的不同，上述专利方法难以照搬运用。技术实现要素：本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种操作简便、提高系统运行可靠性以及延长器件使用寿命的提高全功率风电变流器功率器件在微风下可靠性的方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种提高全功率风电变流器功率器件在微风下可靠性的方法，在微风工况下，在不影响系统输出既定总无功的情况下，利用并网电压器为三角形/星形接法能阻断三倍频电流谐波的特点，对各个网侧变流器侧增加一个网压基波频率的三倍频无功电流分量，以增加流经网侧变流器的电流，从而避免微风工况下出现小电流运行情况；或者在多个网侧变流器并联时，在不影响系统输出既定总无功的情况下，在各网侧变流器之间增加一个循环无功电流，增加流经网侧变流器的电流、以避免微风工况下出现小电流运行情况。作为上述技术方案的进一步改进：在两个网侧变流器并联时，其中一个网侧变流器发出叠加无功分量，另一个网侧变流器吸收等量的无功分量，以使无功分量在两网侧变流器之间交换以增加电流，并保证对外输出的总无功不变。微风工况的判断条件为：网侧变流器的有功电流小于预设阈值。在dq同步旋转坐标系中对网侧变流器的无功电流指令叠加一个2倍频分量的方式来实现输出3倍频无功电流。在多个网侧变流并联的情况下，各个网侧变流器增加的无功电流分量相同或不相同。所述全功率风电变流器由IGBT或IGCT或IEGT组成。与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的提高全功率风电变流器功率器件在微风下可靠性的方法，不影响系统既定输出总无功的情况下，对各网侧变流器，通过增加3的整数次无功电流的方法来避免在微风情况下的小电流运行情况；或者在多个网侧变流器并联时，增加相互之间流动的无功电流，从而提高全功率风电变流器的功率器件运行可靠性和延长产品寿命。附图说明图1为现有技术中微风工况下网侧变流器的输出波形图。图2为本发明的多个网侧变流器的并联结构示意图。图3为本发明的单个网侧变流器结构示意图。图4为本发明的全功率风电变流器应用示意图。图5为本发明的全功率风电变流器物理量参考正方向示意图。图6为本发明的网侧变流器控制原理图。图7为本发明并联结构的网侧变流器控制原理图。图8为本发明并联结构时网侧无功指示电流控制逻辑图。图9为本发明单变流器柜的网侧变流器控制原理图。图10为本明单变流器柜的电网侧无功指示电流控制逻辑图。图11为本发明在微风工况下增加三倍频无功电流的仿真波形。具体实施方式以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。如图2至11所示，本实施例的提高全功率风电变流器功率器件在微风下可靠性的方法，具体过程为：在微风工况下，在不影响系统输出既定总无功的情况下，利用并网电压器为三角形/星形接法能阻断三倍频电流谐波的特点，对各个网侧变流器侧增加一个网压基波频率的三倍频无功电流分量，以增加流经网侧变流器的电流，从而避免微风工况下出现小电流运行情况；或者在多个网侧变流器并联时，在不影响系统输出既定总无功的情况下，在各网侧变流器之间增加一个循环无功电流，增加流经网侧变流器的电流、以避免微风工况下出现小电流运行情况。本发明的提高全功率风电变流器功率器件在微风下可靠性的方法，不影响系统既定输出总无功的情况下，对各网侧变流器，通过增加网压基波频率的3的整数次无功电流的方法来避免在微风情况下的小电流运行情况；或者在多个网侧变流器并联时，增加相互之间流动的无功电流，从而提高全功率风电变流器的功率器件运行可靠性和延长产品寿命。本实施例中，微风工况的判断条件为：网侧变流器的有功电流小于预设阈值。以下对本发明的原理进行进一步分析及说明：全功率风电变流器主要用于变速恒频同步发电机或普通异步发电机型风力发电系统，如图4所示，全功率风电变流器内部由背靠背的两个四象限变流器组成，连接发电机定子的变流器一般称为电机侧变流器(SSC)，连接电网的变流器一般称为电网侧变流器(GSC)。电网侧变流器的功能主要用于稳定直流侧的电压，另外，根据电网调度中心需要可控制为向电网吸收或发出无功。电机侧变流器控制发电机定子的有功电流(即转矩电流分量)和无功电流(即励磁电流分量)。对于网侧变流器的控制，按图5所示的电流参考正方向，将dq同步旋转坐标系下的d轴定向于电网电压综合矢量方向上，在三相静止坐标系到同步旋转坐标系的等幅变换情况下，可得电网侧变流器的有功功率Pg和无功功率Qg为：Pg=32udidQg=-32udiq---(1)]]>其中，ud为电网相电压的d轴分量，id为电网侧线电流的有功分量。iq为电网侧线电流的无功分量。当Qg＞0时，表示变流器对外呈感性，从电网吸收无功，当Qg<0时，表示变流器对外呈容性，向电网提供无功。而对于全功率风电变流器，电机侧变流器的有功与电网侧变流器的有功是相等的，即Pg＝Ps(2)从式(1)可见，网侧变流器的无功分量与网侧变流器的无功电流成正比的线性关系。网侧变流器的控制通常采取电压外环与电流内环的双闭环控制方法，如图6所示。其中电压外环控制为：id′=(Kp+Kis)(udc*-udc)---(3)]]>其中Kp比例系数，Ki为积分系数，udc为直流侧实际电压，udc*为直流侧目标控制电压。电压外环的控制是为了稳定直流侧电压，其输出作为电流内环的有功电流指令值。而电流内环的无功指令值一般iq'一般为零，即使网侧变流器的功率因数近似为1，只有在电网调度公司为稳定电网电压而强制要求风电机组对电网提供无功支持的情况下，该无功指令将按整机控制系统传送来的无功量Qg*或无功电流量iq*要求取值，目前运行的风机电网侧变流器基本上都是工作在iq*为0的情况。其中电流内环控制为vd′=ud+ω1Liq-(KpP+KiPs)(id′-id)vq′=-ω1Lid-(KpQ+KiQs)(iq′-iq)---(4)]]>其中，KpP和KpQ为比例系数，KiP和KiQ为积分系数，ω1为电网角频率，id为网侧变流器实际有功电流，iq为网侧变流器实际无功电流，id*为网侧变流器有功电流指令值，iq*为网侧变流器无功电流指令值。电流内环的输出作为变流器的输出控制指令电压vd′和vq′。对于电机侧变流器的控制，同样采用矢量控制方法，实现有功与无功的解耦控制。对于普通异步风力发电机，由于其不管是在微风或大风情况下工作都会需要吸收无功，无功电流需要由电机侧变流器提供，故电机侧变流器不会出现小电流运行情况。而对于同步风力发电机的控制，通常的控制方法是将定子励磁电流控制为零，为了避免在微风下小电流运行情况，可人为增加机侧变流器的无功电流，使同步发电机工作在轻微弱磁或增磁状态。因此对于机侧变流器可以很方便地避免小电流运行情况，因此本发明的重点是放在电网侧变流器如何避免小电流运行情况方面。针对全功率风电变流器的两种不同结构形式，下面分别给出其电网侧变流器在微风情况下避免小电流运行的不同控制策略。如图2所示，对于两子变流器并联的系统结构，dq同步旋转坐标系下的电网侧变流器无功电流指令按以下方式设定：如图7虚框所示的改进部分所示，电网侧变流器控制原理图取其中子变流器1#的无功指令电流为：iq′=-Qg*3ud+iqw]]>则取另一个子变流器2#的无功指令电流为：iq*=-Qg*3ud-iqw]]>其中，Qg*为电网调度要求风电机组发无功时的无功指令。iqw为避免小电流运行而叠加的无功电流(在同步旋转指标系下为直流分量)，这样保证叠加的无功只在子变流器间交换，一个子变流器发出叠加无功的同时，另一个子变流器吸收等量的无功。而网侧变流器1#输出电流幅值为：Im1=id′2+(-Qg*3ud+iqw)2]]>另一个网侧变流器2#输出电流幅值为：Im2=id′2+(-Qg*3ud-iqw)2]]>为了避免两个子变流器电网侧小电流运行，设输出电流幅值至少要达到Iw，即需同时满足Im1≥Iw及Im2≥Iw，id'为电压控制环PI调节器的输出，其为内部电流控制环的输入，当电流环得到有效控制时，可以认为电网侧变流器的电流有功分量大小就是id'。当|id'|≥Iw时，显然满足条件，则取iqw＝0；而当|id'|<Iw且可取iqw＝0。而|id'|<Iw且可取上述处理方法可用如图8的控制逻辑流程图来描述。随着全功率风电变流器的功率容量不断增大，整个变流器可以由两个或两个以上的小容量的子变流器组成，对于三个以上子变流器并联而成的情况，可以采取上述类似的方法来实现，叠加的无功仅仅在各子变流器间流动而不影响系统对外输出的总无功和总有功，同时达到微风情况下避免小电流运行提高功率器件可靠性和使用寿命的作用。如图3所示，区别于多柜并联结构，单变流器柜在确保不影响系统既定总输出有功和无功要求的情况下，其网侧变流器无法如图7所示那样简单地在dq同步坐标系中叠加一个无功电流的方法来避免微风情况下的小电流运行情况。但是，由于每台风机通过并网变压器并网，变流器电网侧连接的是并网变压器的低压侧，其绕组通常为星形接法，而并网变压器连接大电网的高压侧为三角形接法，这样接法可以阻断送到高压侧的3的整数次(即频率为网压基波频率的3、6、9….倍)谐波电流。本发明巧妙地利用并网变压器的这种技术特点，让全功率风电变流器在微风小功率情况时人为适当增加一个(静止坐标系下的)网压基波频率的3倍频无功电流分量，那么由此产生的无功将不会传送到并网变压器的高压侧，亦即不会影响风机发往电网的既定无功要求。因此，针对单柜风电变流器，本专利提出的避免小电流运行而提高功率开关器件运行可靠性的一个方法如图9所示的控制图所示(虚框所示的改进部分)。在叠加3的整数倍频无功分量之前，网侧输出的总电流幅值为Im=id′2+(2Qg*3ud)2,]]>如果Im≥Iw，就无需叠加无功分量，即取iq+＝0，否则，可取q+＝Iwsin[(3k-1)ω1t]，其中k为大于0的整数。考虑到大功率全功率变流器的开关频率不会太高，这里可取k＝1，实现的方法是在dq同步旋转坐标系中对原直流无功指令叠加一个2倍频分量，这样网侧输出的实际就是3倍频无功电流。上述简单控制逻辑可用如下10所示逻辑控制流程图来描述：如图11所示，给出了在微风时小功率情况下电网侧增加3倍频(即频率为网压基波频率的3倍)无功电流前后变流器输出电流对比的仿真波形，前半部分为未增加的波形，后半部为增加后的波形，可见，增加3倍频无功电流后，流过变流器功率开关器件的电流频繁过零的次数明显减少了，功率开关器件的运行可靠性和使用寿命将得到提高。当然，这里给出的针对非并联结构变流器的控制改进方法同样可以应用于并联结构变流器的情况。亦即对于并联结构的变流器，每个子变流器网侧控制都可以像前面提到的非并联结构情况一样，可以各自叠加相同或不同的3倍频无功电流分量以达到避免小电流运行现象的目的。另外对并联结构或非并联结构全功率风电变流器中的电机侧变流器，也可以采取上述类似的方法，通过增加电机侧变流器内部流动的基波无功电流来避免小电流运行情况，而不影响发电机的转矩控制。本实施例中，本发明的方法适用于基于IGBT或IGCT或IEGT等各种电压的功率开关器件构成的一切全功率风电变流器。而且对于电机侧变流器，同样可采取上述类似控制方法，可以增加电机侧变流器内部流动的无功电流来避免小电流运行情况，从而不影响发电机的转矩控制。本发明的方法不需要新增设备，利用全功率风电变流器自身的特点和并网变压器的技术特点，仅需对控制策略进行改进就可避免全功率风电变流器的功率开关器件的小电流运行恶劣工况，有助于提高功率器件使用寿命和增强变流器的运行可靠性；而且操作简便，不会影响系统对外输出的总有功和无功大小。以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3