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1、-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到达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本钱。在本文中，三个 具有好前景的用于新一代的10兆瓦的风力
2、涡轮机的电网侧的多级变换器的拓扑构造被提出，和根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构造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构造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2021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开展。同时，单个风力发电机组的容量不断增加从
3、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公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标准指示 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
4、电网电压的关系 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局部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开展。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，无效本钱的功率半导体器件，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
5、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，被介绍和比拟。二、有前景的拓扑构造和根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局部，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到达7兆瓦，以及中压1 kV10 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到达可承受的性能越来越难 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构造是当今全功率/中压风电转换应用中最有前景的候选对
6、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局部。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。在各种多电平拓扑构造中，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
7、能会导致本钱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，直流链路电容器的本钱可以降低。不过，额外的长度，功率损失，和在电缆的电感以及本钱将是一个主要的缺点。此外，零序电流路径在这种构造中被介绍，在这种构造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构造参数构造 3L-NPC 3L-
8、HB5L-HB额定有功功率 10MW等效频率 800Hz调制法PD-PWM单极PWMPOD-PWM直流总线电压5.6kV2.8kV5.6kV原边电压1.9kV rms1.9kV rms3.8kV rms额定相电流1.75kA rms1.75kA rms972 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拓扑构造的 H桥构造的拓扑构造，如图6。作为3L-HB拓扑对开放式绕组变压器具有一样的特殊要求。一样额定电压的开关装置，该转换器可以到达五级电压输出
9、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拓扑构造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本钱。一个案例研究中的每个转换器拓扑构造的根本设计为：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承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%
10、，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 在每个转换器拓扑构造参数都解决之后，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
11、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，
12、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/无功功率图8.在平衡低电压穿越下电流载荷的幅值和相角基于图2中德国电网参数，5L-HB转换器为电流幅值的一半三相平衡的低电压穿越下电流的幅值和相位角度在负载电流和电网电压之间显示在图8中，不同风速情况12米/秒，10米/秒，和8米/秒分别表示出。可以看出当电网电压低于0.5 p.u.时，电流的幅值和相位角保持不变，因为100%额定电流注入；然而，当网格电压高于0.5 p.u.，电流的幅值和相位角随着电网电压和风速的变化极大地改变。 图9.低电压穿越出现时的模拟输出的
13、正常运行：VW = 10米/秒，PG = 6.3MW /低电压穿越：Vg = 0.05 p.u.，ireactive = 100%Irated)，输出电压脉冲Vc，栅极电压Vg，相电流Iph。(a) 3L-NPC; (b) 3L-HB; (c) 5L-HB。模拟进展基于中的PLECS工具箱 21 ，仿真参数是一致的在表一。每个转换器的正常运行状态首先假定在风速10米/秒，这是典型的IEC I 风级标准定义的年平均风速度 4 。作为一个极端的例子，该转换器进展在定义中的正常运行状态的0.05 p.u.平衡电网电压骤降150 ms。 每个转换器的拓扑构造的输出电压脉冲Vc，电网电压Vg，相电流Ip
14、h的研究如表9所示。很显然，在0.05 p.u. 电网电压的低电压穿越下的电流幅值在相比与正常运行10米/秒的风速的所有三变频器电网电压的增加拓扑构造中显著地增加。 图10. 图9的放大，输出脉冲电压Vc，电网电压VG，相电流Iph。(a) 3L-NPC; (b) 3L-HB; (c) 5L-HB。当在显示区域图9中放大，在低电压穿越前后的详细的输出波形如图10所示。相比于风速为10米/秒正常运行，当经受电网电压为0.05 p.u.的低电压穿越时转换器的输出对电流的幅度，相位角，电压脉冲宽度上有显着的变化。可以看出负载电流滞后于电压90度因为100%的无功电流的注入，和输出电压脉冲宽度在很大程
15、度上由于较低的调制指数而降低。值得注意的是低电压穿越运行状态出现时5L-HB拓扑构造中输出电压等级从五级降低到三级。图11. 图10中的功率器件的电流分布(a) 3L-NPC; (b) 3L-HB; (c) 5L-HB。图10中的功率开关器件的电流分布如图11所示。在平衡的低电压穿越中所有的三个转换器拓扑中的电流负荷从晶体管移向二极管包括续流二极管和钳位二极管，相比与正常的操作条件，增加的电流幅值将增大功率器件的应力。四、平衡低电压穿越下的功率损失分布 功率半导体开关器件在功率损耗，效率，可靠性，和风力涡轮机转换器的本钱中起到至关重要的作用。在风电应用报告中占主导地位的选择是位于IGBT模块，以及IGBT和IGCT的压装，这在表二有比拟 9 。表二：风力发电应用中的主功率开关器件IGBT 模型IGBT 压装IGCT压装功率密度中等高高可靠性中等高高本钱中等高高故障种类开路短路短路维护方便+-散热绝缘 +-减振器要求-+热电阻中等小小开关损耗低低高传导损耗高
