基於轉速控制的雙饋風電機組機側變流器IGBT器件結溫波動抑制策略

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輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員李輝、李洋、廖興林、胡姚剛、曾正，在2017年第12期《電工技術學報》上撰文，針對當前雙饋風電機組機側變流器在同步轉速點附近結溫波動大、影響器件運行可靠性的問題，提出一種基於機組轉速控制的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）結溫波動抑制策略。

首先，基於最大功率點跟蹤（MPPT）控制原理，並結合變流器IGBT模塊等效熱網路，建立雙饋風電變流器結溫計算模型。其次，針對機側變流器在同步轉速點附近結溫波動出現的「尖峰」現象，從減少機組低頻運行範圍和提升同步轉速附近區域穿越速度的思路出發，提出基於功率、轉速雙控制外環的改進最大功率點跟蹤控制策略。

最後，搭建基於PLECS和Simulink聯合平台的雙饋風力發電系統模擬模型，對機組在亞同步和超同步轉速間動態往返變化的變流器電-熱性能及其在同步轉速附近區域的穩態結溫進行模擬，並開展變流器結溫抑制效果驗證的等效實驗。模擬和實驗結果驗證了所提改進控制策略對抑制機組同步轉速點附近變流器IGBT結溫波動的有效性。

近年來，雙饋風電機組已成為我國大容量風電場的主要機型之一，機組單機容量的增加使得雙饋風電機組併網變流器的容量隨之增大。變流器作為機組電氣系統中的關鍵部件，成本較高，同時也是故障頻率最高的電氣部件之一[1,2]。

在變流器運行過程中，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate BipolarTransistor, IGBT）模塊熱應力疲勞所導致的鋁鍵合線脫落和焊料層失效，是其主要的失效形式，且均由模塊內部結溫波動產生的熱應力累積導致。IGBT模塊結溫與其封裝方式、布置、內部結構、散熱條件包括運行工況等都密切相關，文獻[3-7]利用這些影響因素開展了可靠性設計方面的工作。

但是，對現有實際運行的變流器而言，如何通過一定的控制手段，降低結溫波動仍是提高其運行可靠性的一種有效方法。特別是雙饋感應發電機（Doubly FedInduction Generator, DFIG）運行在同步轉速點附近，由於機側變流器輸出頻率低，增大了IGBT器件的運行周期[8-10]，使得其結溫波動增大，所造成的大幅值交變熱應力可對器件造成不可逆轉的衝擊，加速其老化和失效過程。因此，對於雙饋風電機組機側變流器而言，研究抑制其在同步轉速點附近結溫波動的控制策略顯得尤為重要。

目前已有一些與抑制變流器結溫波動相關的文獻報道。文獻[11]設計了一種帶PI調節器的溫度反饋控制系統，通過調節開關頻率，控制變流器結溫波動。文獻[12,13]分別以變頻調速系統和電壓單環控制逆變器為例，採用滯環控制選擇變頻器的調製頻率，實現對變流器結溫的控制。控制變流器調製頻率，可通過降低模塊內部器件開關損耗，抑制變流器結溫，但調製頻率需在較大範圍變化才會對降低結溫產生有意義的效果，這對大功率變流器的控制性能及其所在系統的運行性能存在較大影響。

文獻[14]以直驅永磁風力發電系統中變流器為對象，提出利用三電平變流器的開關冗餘狀態，均衡低電壓穿越過程中變流器各IGBT器件的熱分布。文獻[15-17]發現在不改變調製頻率的基礎上，和傳統七段式空間矢量調製策略相比，五段式不連續空間矢量調製能有效減少逆變器的開關損耗。改變調製策略，同樣可控制模塊在運行過程中的開關損耗並抑制變流器結溫波動，但對運行於同步轉速點附近的雙饋風電機側變流器而言，並無突出優勢。

文獻[18]通過分析最大功率點跟蹤控制、恆功率控制、恆轉矩控制策略下機側變流器IGBT結溫變化，發現同時段內不同控制策略下的IGBT器件熱循環次數不同。文獻[19]對不同變流器損耗控制策略下IGBT結溫的變化進行對比，發現採用最小轉子損耗控制的變流器具有更長的使用壽命。和以調整開關頻率和調製方式為代表的基於控制器件開關損耗的結溫抑制方案相比，由於當前對於雙饋電機控制策略的研究已較為成熟，基於機組控制策略的結溫抑制將有更多的可調控對象，手段也更為豐富。

但已有文獻僅對不同控制策略下變流器熱性能進行了分析，且均從既定控制策略入手，並未就造成變流器結溫大幅波動的特殊工況，對變流器控制策略作進一步改進與設計。實際上，對於風電變流器所面臨的複雜運行工況，機組單一固定的控制策略，已難以滿足變流器的可靠性需求，特別是對於像雙饋風電機組在同步轉速附近出現的變流器結溫大幅值波動問題，針對性的控制策略設計方案還未見文獻報道。因此，有必要利用機組控制策略對變流器熱性能的影響，從控制策略設計的角度，研究有效的變流器結溫抑制方案。

基於此，本文詳細分析了減少變流器低頻運行時間的機組控制方法，提出一種基於轉速控制的機側變流器IGBT結溫抑制方案。首先，利用IGBT模塊等效熱網路及其開關周期損耗分析方法，建立變流器結溫計算模型。然後，針對機側變流器結溫在同步轉速附近出現的「尖峰」問題，採用基於轉速控制的結溫抑制思路，提出包含功率、轉速雙控制外環的改進最大功率點跟蹤（Maximum PowerPoint Tracking, MPPT）控制策略。最後，建立某2MW雙饋風電變流器電-熱模擬模型，對同步轉速附近變流器的電-熱性能進行模擬，並開展變流器結溫抑制效果驗證的等效實驗，通過與傳統控制策略比較，驗證本文控制策略的有效性。

圖7系統模擬結構

結論

針對雙饋風電機組機側變流器在同步轉速附近出現的結溫大幅波動問題，本文從減少機組低頻運行範圍和提升同步轉速附近區域穿越速度的思路出發，提出一種基於功率、轉速雙控制外環的改進最大功率點跟蹤控制策略。

在已有的散熱器設計、模塊布置的前提下，建立了考慮變流器電-熱性能的雙饋風電機組及其控制系統模擬模型，對變流器電-熱性能及機組出力進行模擬。並利用某型號未塑封變流器模塊搭建等效實驗電路，對本文所提控制策略的結溫抑制效果進行了實驗驗證。

結果表明，本文基於轉速控制的改進策略，能通過控制外環的切換有效控制機組的轉速變化，縮短機組穿越同步轉速附近區域時間、抑制機側變流器內部器件的結溫波動。同時，當機組在同步轉速附近區域穩定運行，採用改進控制策略消除了機側變流器IGBT結溫在同步轉速點附近的「尖峰」，使穩態風速下的結溫波動得到抑制，並且不會對變流器調製策略性能和機組出力帶來過大影響。

本文所得結論給現有風電變流器控制策略的改進提供了理論基礎和技術支撐，下一步將通過模擬機組和樣機數據，結合變流器壽命預測模型進一步優化本文所提控制策略。

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