王臻卓,王 慧,郝春玲

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處,河南 南陽 473000;2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電自動(dòng)化學(xué)院,河南 南陽 473000;3.渤海船舶職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系,遼寧 葫蘆島 125100)

雙饋風(fēng)電變流器IGBT模塊損耗及結(jié)溫的計(jì)算分析及變化規(guī)律研究

王臻卓1,王 慧2*,郝春玲3

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處,河南 南陽 473000;2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電自動(dòng)化學(xué)院,河南 南陽 473000;3.渤海船舶職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系,遼寧 葫蘆島 125100)

針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器由于IGBT模塊失效造成高故障率的問題,提出了在不同工況下其 IGBT模塊結(jié)溫的準(zhǔn)確計(jì)算方法及其變化規(guī)律分析。首先,建立了機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊基于開關(guān)周期的損耗及結(jié)溫計(jì)算模型;其次,在全工況運(yùn)行下對(duì)機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊損耗和穩(wěn)態(tài)結(jié)溫的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,隨著風(fēng)速的不斷增加,機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊的損耗總體呈增大趨勢(shì),二者變化趨勢(shì)局部不同;機(jī)側(cè)變流器IGBT模塊結(jié)溫變化要比網(wǎng)側(cè)的更為劇烈。

雙饋風(fēng)電變流器;IGBT;模塊損耗;計(jì)算分析;變化規(guī)律

近年來,風(fēng)力發(fā)電飛速發(fā)展,風(fēng)機(jī)容量也隨之不斷上升,對(duì)電網(wǎng)的影響也越來越大。雙饋風(fēng)電機(jī)組是當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電中的主力機(jī)型之一,其變流器是影響風(fēng)電機(jī)組自身及入網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)[1-4]。但由于雙饋風(fēng)電變流器的特殊性,使變流裝置在風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行中故障率變高,可靠性變得極其脆弱。有文獻(xiàn)顯示,變流器故障中超過 50% 的故障是因 IGBT 模塊失效造成的[5]。目前,專家學(xué)者們對(duì)于常規(guī)變流器IGBT模塊的損耗與結(jié)溫特性已經(jīng)有了一些研究,建立了IGBT 的熱傳遞過程及電熱耦合的模型,總結(jié)出了以其損耗計(jì)算的時(shí)間尺度為依據(jù)的兩種IGBT 結(jié)溫的計(jì)算方法[6-8]。但針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組往往處于輸出頻率較低時(shí)工作,其 IGBT 結(jié)溫波動(dòng)劇烈[9];加之,不同工況下機(jī)側(cè)變流器還處于整流、逆變工作模式切換運(yùn)行,往往導(dǎo)致其變流器IGBT損耗及結(jié)溫的計(jì)算和分析較為困難?；谝陨?為準(zhǔn)確計(jì)算雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器在不同工況下其 IGBT穩(wěn)態(tài)結(jié)溫波動(dòng)水平,提高機(jī)側(cè)變流器運(yùn)行可靠性,開展適合雙饋風(fēng)電的變流器IGBT 損耗及結(jié)溫的計(jì)算方法及其變化規(guī)律的研究是很有必要的。

1 雙饋風(fēng)電機(jī)組輸出功率特性分析

按照雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行及載荷約束特點(diǎn),其輸出功率通常按照風(fēng)速的不同分為4個(gè)區(qū)域,包括啟動(dòng)區(qū)、最大風(fēng)能捕獲區(qū)、恒轉(zhuǎn)速區(qū)及恒功率區(qū)[10],如圖1所示。

圖1 雙饋風(fēng)機(jī)輸出功率曲線

(1)啟動(dòng)區(qū)(M-N段):在此階段中,主要是控制雙饋風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速時(shí),風(fēng)電機(jī)組脫離電網(wǎng);當(dāng)風(fēng)速高于切入風(fēng)速時(shí),風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)。

(2)最大風(fēng)能捕獲區(qū)(N-X段):在此區(qū)間,通常實(shí)行最大功率追蹤控制,機(jī)組轉(zhuǎn)速及輸出功率根據(jù)風(fēng)速的變化而變化,實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。

(3)恒轉(zhuǎn)速區(qū)(X-Y段):在此區(qū)域中,風(fēng)速不斷增大,通過調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距將雙饋發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速限制在最大允許轉(zhuǎn)速上,輸出功率在達(dá)到額定值之前一直增大。

(4)恒功率區(qū)(Y-Z段):風(fēng)速在額定風(fēng)速至切出風(fēng)速之間,通過調(diào)整槳距角保證機(jī)組進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速或額定功率狀態(tài)下運(yùn)行。

綜上所述,雙饋風(fēng)電機(jī)組在不同的區(qū)域以不同的控制策略進(jìn)行穩(wěn)定的運(yùn)行。在4個(gè)區(qū)域中,機(jī)側(cè)變流器可能工作于逆變模式和整流模式,網(wǎng)側(cè)變流器的工作模式與此相反。

2 雙饋風(fēng)電變流器IGBT模塊結(jié)溫計(jì)算模型

針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組在不同工況下的不同控制策略對(duì)變頻器IGBT模塊結(jié)溫的影響,為更為準(zhǔn)確的計(jì)算,采用基于開關(guān)周期結(jié)溫計(jì)算方法[11]。

對(duì)于三相變流器,IGBT與二極管基于開關(guān)周期的通態(tài)損耗Pcond_Tr與Pcond_D分別表示如下[13-14]:

(1)

(2)

式中:相關(guān)符號(hào)如表1所示。

表1 相關(guān)符號(hào)說明

以上公式中:ic為風(fēng)電變流器輸出電流,δ(t)為占空比,具體計(jì)算公式如下所示:

(3)

式中:φ為相位角,ω為角頻率,m代表不同的調(diào)試方式[12-13]。

IGBT與二極管基于開關(guān)周期的開關(guān)損耗Psw_Tr_on、Psw_Tr_off與Prr_D分別表示如下[13-14]:

(4)

(5)

(6)

式中:fsw為載波頻率;Vdc為直流端電壓;Vdc_ref為參考電壓。

那么,單個(gè)IGBT與二極管的總損耗PI及PD分別為:

PI=Pcond_Tr+Psw_Tr_on+Psw_Tr_off

(7)

PD=Pcond_D+Prr_D

(8)

綜上所述,機(jī)側(cè)或網(wǎng)側(cè)變流器功率模塊的總損耗PT:

PT=6(PI+PD)

(9)

機(jī)側(cè)或網(wǎng)側(cè)變流器功率模塊的熱模型如圖2所示。

(10)

(11)

由以上基于開關(guān)周期的IGBT模塊結(jié)溫計(jì)算模型,并參考雙饋風(fēng)電機(jī)組仿真模型,可得雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊的結(jié)溫計(jì)算流程,如圖3所示。

圖2 變流器IGBT模塊熱模型

圖3 IGBT模塊結(jié)溫計(jì)算流程圖

基于圖3,可實(shí)時(shí)計(jì)算雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊的損耗及結(jié)溫。

3 機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊損耗及穩(wěn)態(tài)結(jié)溫分析

以1.5 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組為例[14],結(jié)合雙饋風(fēng)電變流器IGBT模塊結(jié)溫計(jì)算模型,對(duì)其全工況下?lián)p耗及結(jié)溫的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

3.1 機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊損耗分析

隨著風(fēng)速的不斷增加,采用不同的控制策略對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行控制,其機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器中IGBT模塊的損耗也隨著風(fēng)速變化,如圖4所示。

圖4 各風(fēng)速下雙饋風(fēng)電變流器IGBT模塊損耗分布

如圖4(a)所示,隨著風(fēng)速的不斷增加,機(jī)側(cè)變流器IGBT模塊的總損耗也隨之增大,在Y點(diǎn)(即風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入恒功率運(yùn)行模式時(shí)),模塊的總損耗達(dá)到最大值。這也與前文對(duì)于雙饋風(fēng)電變流器IGBT模塊結(jié)溫計(jì)算模型相符合,即在IGBT模塊型號(hào)、開關(guān)頻率一定的條件下,其通態(tài)損耗及開關(guān)損耗只與通過模塊的電流有關(guān),且與電流的大小成正比。

而對(duì)于網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊來講,其損耗特性如圖4(b)所示。在MN段(即風(fēng)電機(jī)組的啟動(dòng)運(yùn)行區(qū)),此時(shí)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)為亞同步狀態(tài),隨著風(fēng)速的逐漸增大,網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊的總損耗逐漸減小;當(dāng)風(fēng)電機(jī)組即將進(jìn)入最大風(fēng)能捕獲區(qū)域時(shí),其變流器IGBT模塊的總損耗達(dá)到最小值。值得注意的是,在N點(diǎn)時(shí),即風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速,網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊的總損耗并不為零。雖然此時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流的基波分量為零,但仍然會(huì)存在較小的開關(guān)紋波電流產(chǎn)生的損耗。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組處于超同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)(即NZ段),隨著風(fēng)速的不斷增加,網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊的的總損耗隨之增大;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時(shí),模塊的總損耗達(dá)到最大值。與機(jī)側(cè)變流器相同,網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊的總損耗也與其輸出電流的大小成正比,所以模塊總損耗隨著電流先逐漸減小,緊接著又逐漸增大,可以看出,網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊的輸出電流在N點(diǎn)達(dá)到最小值,在Y點(diǎn)達(dá)到最大值。

圖5 各風(fēng)速下器件結(jié)溫平均值及波動(dòng)幅值

3.2 機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊結(jié)溫分析

由變流器IGBT熱模型可知,模塊的結(jié)溫有兩部分構(gòu)成,一部分為IGBT結(jié)溫,另一部分為FWD結(jié)溫。在風(fēng)電機(jī)組全工況運(yùn)行下,二者的結(jié)溫隨風(fēng)速的不同而變化,其變化狀況如圖5所示。

如圖5所示,隨著風(fēng)速的不斷增大,機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)IGBT模塊結(jié)溫的變化非常明顯。

機(jī)側(cè)IGBT模塊結(jié)溫的變化如圖5(a)所示,從圖5可以看出,IGBT及FWD的結(jié)溫平均值及波動(dòng)幅值均隨著風(fēng)速的不斷增強(qiáng),呈先逐漸增大,達(dá)到最大值后逐漸減小,后又逐漸增大趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。結(jié)溫最大值位于N點(diǎn)(即風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速),IGBT結(jié)溫值達(dá)80 ℃而FWD結(jié)溫值達(dá)90 ℃;同時(shí),在此區(qū)域內(nèi),IGBT及FWD結(jié)溫的波動(dòng)幅值也達(dá)到了最大值,其中IGBT結(jié)溫的波動(dòng)幅值達(dá)61 ℃,FWD的達(dá)79 ℃。其次,機(jī)組在恒功率運(yùn)行階段(YZ段),結(jié)溫的平均值及波動(dòng)幅值也相對(duì)較大,此時(shí)IGBT結(jié)溫的平均值達(dá)69 ℃,FWD的達(dá)72 ℃,IGBT結(jié)溫波動(dòng)幅值為17 ℃,FWD的達(dá)28 ℃。

與機(jī)側(cè)IGBT模塊相比,變流器IGBT模塊結(jié)溫平均值及波動(dòng)幅值的變化有所不同。如圖5(b)所示,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速,雙饋風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入恒功率運(yùn)行狀態(tài)后(即YZ段),網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊結(jié)溫的平均值及波動(dòng)幅值均達(dá)到最大值,此時(shí)IGBT的結(jié)溫平均值達(dá)65 ℃,FWD的達(dá)79 ℃;IGBT的結(jié)溫波動(dòng)幅值達(dá)4.5 ℃,FWD的達(dá)2.3 ℃。在N點(diǎn)時(shí),IGBT及FWD的結(jié)溫平均值及波動(dòng)幅值均為最小值,結(jié)溫平均值接近50 ℃,波動(dòng)幅值接近0 ℃。

值得注意的是,縱觀機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊的結(jié)溫波動(dòng)幅值變化可以發(fā)現(xiàn),后者的結(jié)溫波動(dòng)幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前者;在N點(diǎn)附件區(qū)域,機(jī)側(cè)變流器的結(jié)溫變化幅度位于最大值,而網(wǎng)側(cè)變流器剛好相反,波動(dòng)處于最小值。

4 結(jié)論

經(jīng)過上述雙饋風(fēng)電變流器IGBT模塊結(jié)溫計(jì)算模型的建立及機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊的結(jié)溫變化分析,可以得出以下結(jié)論:

(1)在IGBT模塊型號(hào)、開關(guān)頻率一定的條件下,其通態(tài)損耗及開關(guān)損耗只與通過模塊的電流有關(guān),且與電流的大小成正比。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組處于啟動(dòng)運(yùn)行區(qū)域時(shí),隨著風(fēng)速的不斷增加,機(jī)側(cè)變流器IGBT模塊的總損耗逐漸上升,而網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊的總損耗先減小后增大。

(2)當(dāng)風(fēng)速處于切入風(fēng)速與額定風(fēng)速之間時(shí),機(jī)側(cè)變流器IGBT模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)溫的波動(dòng)比較劇烈。在全工況運(yùn)行下,網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)溫的波動(dòng)幅值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)側(cè)的。

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Doubly Fed Wind Power Converter Module IGBT Loss and Junction Temperature Calculation and Variation Research

WANGZhenzhuo1,WANGHui2*,HAOChunling3

(1.Teaching Affairs Office of Henan Polytechnic Institute,Nanyang He’nan 473000,China;2.Mechanical and electrical automation of Henan Polytechnic Institute,Nanyang He’nan 473000,China;3.Bohai Shipbuilding Vocational College,Liaoning,Huludao Liaoning 125000,China)

Aiming at the problem of the high failure rate caused by the IGBT module of the converter of double fed wind turbine generator,a calculation model under different working conditions of IGBT junction temperature and effect analyses were investigated. Firstly,a calculation model based on the switching period of machine side and grid side converter IGBT module was presented.Secondly,the effects of the IGBT steady state junction temperature were analyzed under conditions of different wind speed. Results showed that,with increasing wind speed,the overall loss of machine side and grid side converter IGBT module showed increasing trend,the change trend of the two parts was different in the local area. The temperature change of the IGBT module of the machine side converter is more severe than that of the net side.

doubly fed wind converter;IGBT;module loss;calculation analysis;variation law

2016-01-07 修改日期:2016-07-20

C:2560R;8410

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.007

TM464;TN32

A

1005-9490(2017)02-0296-05