[发明专利]提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到风电技术领域，特指一种提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法。

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。随着风电机组的功率不断增大，目前国内已开发出最大6兆瓦的风电机组并开始商业应用。采用双馈式风电机组发电是目前风力发电的主流方式。大容量双馈风电变流器是当前双馈式风电机组的关键部件，其控制性能决定了机组发出电能的质量，它的运行可靠性将会严重影响机组的发电量。而功率器件（当前一般采用IGBT）是双馈风电变流器的核心器件，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。

在文献《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）中指出，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（Flee Wheel Diode，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元件在小电流下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，无论是双馈异步风力发电机组变流器（后简称双馈风电变流器）还是同步风力发电机组变流器（一般称作全功率风电变流器），其都为背靠背的两个三相桥拓扑形式，能量能双向流动。其中，双馈风电变流器为连接于电网和双馈异步发电机转子侧之间的风电变流器，其控制发电机的转子励磁电流和有功电流，使发电机的电能可通过定子和转子同时馈送到电网。变流器按功能和位置内部可划分为网侧变流器（风电变流器连接电网侧的部分，包括滤波电路和由功率器件组成的桥臂等）和转子侧变流器（风电变流器连接发电机转子侧的部分，包括滤波电路和由功率器件组成的桥臂等）。其中，网侧变流器为PWM整流控制方式，其的控制目标是稳定直流侧的电压。在大风情况下，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，有这样一个很值得关注的问题：即小风或微风时，因风电机组转换的风功率太小，网侧变流器的电流有效值很小，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，从业者称这种问题现象为微风工况的小电流运行现象。

由于从事变流器技术开发的人员一般对变流器在小电流运行时电流频繁过零对变流器功率器件的失效影响缺乏深入研究或忽视了该问题的影响，目前双馈风电变流器的控制中，为简化控制，无论是大风情况和微风情况，一般都是将网侧变流器的无功电流指令取为0，这样造成的结果是在微风情况下，网侧变流器将出现小电流运行情况，造成电流经常集中在零点附近且经过零点正负方向频繁变化，从而易引起功率器件过早失效。

发明内容

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，本发明提供一种原理简单、可改善双馈风电变流器在微风工况下的控制性能、提高双馈风电变流器及其功率器件的运行可靠性和延长其使用寿命的提高双馈风电变流器功率器件在微风工况下可靠性的方法。