大功率并网风电机组变流器状态监测技术综述

风力发电系统在未来能源系统中占有重要地位,其安全可靠运行对于风电健康发展至关重要。现有的大功率并网风电机组中,几乎全部采用电力电子变流器,且其应用将覆盖更多的领域。由于风电机组复杂的运行环境和特殊的运行工况,其变流器的可靠性问题正成为业界关注的焦点。本文综述了风力发电应用中功率器件的老化失效机理,阐明了低频运行工况及风速随机波动对风电机组机侧变流器功率循环能力的影响,对比讨论了提高风电变流器可靠性和可用率的状态监测方法,并分析了其可能的发展趋势。     

基于负序电流补偿的并联风电变流器故障容错控制

海上风电运行环境恶劣,风电功率随机波动性大,导致功率器件极易发生故障.故障容错控制是提高风电并联变流器运行可靠性以及功率可用度的有效手段.并联风电变流器某相发生开路故障后,对并联风电变流器的故障运行机理进行了详细分析.在此基础上,提出一种基于负序电流补偿的并网风电变流器故障容错控制,利用非故障变流器模块对故障变流器模块进行负序电流补偿.当系统功率小于或等于0.5 p.u.时,在保证并网侧电流平衡的条件下实现变流器最大输出功率;当系统功率大于0.5 p.u.时,首先满足系统有功输出要求,然后对负序电流进行补偿.最后通过仿真验证了该控制理论的正确性与可行性.     

大容量永磁同步风电机组系统谐振与抑制策略

风电机组变流器是变速恒频风电机组的核心部件,变流器电网侧滤波器在保证良好并网特性的同时也给系统带来了谐振稳定性问题.基于风电机组变流器网侧滤波器动态特性进行分析,揭示了风电机组谐振机理,提出了虚拟变阻尼谐振抑制策略.在MATLAB/Simulink中建立了2.0 MW直驱型永磁同步风电机组仿真模型,实现了风电机组谐振与抑制的全过程仿真.利用电网谐波发生模拟装置,首次在2.0 MW永磁直驱风电机组上进行了机组谐振与抑制现场试验.仿真与现场试验证明了理论分析的正确性与谐振抑制策略的有效性,对实际运行时风电机组的谐振问题和风电机组变流器设计具有指导意义.     

考虑双馈风电机组变流器控制参数的风电场内机组振荡分析

在风电场内,风电机组变流器控制参数设置不当可能会引发该机组及其他机组的功率振荡,威胁电力系统的正常运行.为了研究变流器控制参数对风电场内机组振荡的影响,以双馈风电机组为例,首先考虑变流器控制参数推导机组的能量函数.然后,分析变流器控制参数对机组能流功率和能量消耗的影响.接着,针对风电场内机组变流器控制参数的不同,研究风电场内机组是否会发生振荡以及对其他机组的影响.最后,在PSCAD/EMTDC平台上建模,深入分析了变流器控制参数对风电场内机组能流功率和能量消耗的影响.结果表明:在风电场内,机组变流器控制参数设置不当不仅会引起本机组发生自由振荡,也会造成风电场内其他机组振荡.     

基于无功环流的风电变流器热负荷优化控制

大容量风电变流器的设计寿命决定了其可靠性,非常关键,而变流器中功率半导体器件的结温将随着风速变化,即随变流器运行功率的变化而波动,这将增加器件的失效率,从而影响到变流器的可靠性。针对这个问题,提出了一种基于无功环流的风电变流器热负荷优化控制策略,首先以双馈风电机组作为研究对象,对其变流器转子侧和网侧的无功环流运行边界范围进行了计算,然后分析了无功环流对变流器中各个功率器件的电流和热负荷分布的影响,从而设计了将额外的无功功率注入以在风速变化时保持功率器件热稳定的优化控制方法。最后,基于Matlab/Plecs的仿真平台建立了风电机组仿真模型并进行了对比计算。结果表明,风速变化时新控制方法使变流器的功率器件最大结温波动较传统方法减小了4℃,从而验证了其有效性。     

兆瓦级并联型风电变流器热负荷平滑控制研究

风电变流器采用并联型结构能增加容量至兆瓦级,因而在风电机组中得到了广泛应用。由于变流器的运行功率随着风速变化,功率半导体器件的工作电流和驱动功率也随着变化,导致其结温波动显著,这将影响器件的寿命,并降低变流器的可靠性,而可靠性是兆瓦级风电变流器的关键性能之一。针对这个问题,本文提出了一种兆瓦级并联型风电变流器的热负荷平滑控制策略以提高变流器的热稳定性。在热负荷平滑控制中,额外的无功功率引入到变流器输出中,然后增加的无功电流能够使得当风速变小时,功率器件的热负荷保持平稳,从而使得其结温趋于更加稳定,生命周期延长,变流器的可靠性提高。最后,搭建了基于Matlab/PLECS的仿真平台,以3 MW并联型风电变流器为算例进行了仿真计算,计算结果表明,在热负荷平滑控制下,当变流器的热负荷变化时,IGBT的结温波动从原来的34℃下降到12℃,验证了该控制方法的有效性。     

风电变流器系统中共模与差模电压的抑制研究

这里通过分析风电变流器中共模和差模电压的产生机理,设计了一种机、网侧均采用LRC结构的低通滤波器拓扑结构,同时机侧配备共模电感器。利用共模电流在共模电感器内产生同向磁场从而增大线圈阻尼特性,有效衰减了系统对地的杂散电流。在全功率风电变流器机组中的实验结果表明:这里提出的无源滤波器结构,在兼顾成本、体积的条件下,有效抑制了风电变流器的共模与差模电压。     

直流母线过压对风电机组高电压穿越影响

针对某风电场双馈机组的现场高电压穿越测试中变流器故障导致风电机组脱网的问题,通过对风电机组变流器过压的深入分析,提出了一种风电机组在高电压穿越期间动态调整变流器母线参考电压的方法,解决了现场变流器过压保护导致风电机组脱网的问题。通过现场实测验证了所提策略的有效性,为风电机组的高电压穿越能力改造提供借鉴,为防范直流送端新能源电力系统的震荡提供了有益参考。     

风电变流器水冷控制系统优化及设计

风电变流器作为风力发电系统的重要设备,在工作时将产生大量的热量,因此要实现风电变流器的安全稳定运行,就需配置可靠的水冷系统对其进行冷却。针对目前存在的风电发电机并网点出现电压跌落时易导致水冷系统停机问题,对水冷控制系统的配电回路进行优化,并给出控制回路设计方案,以保证水冷系统在低电压穿越时能稳定运行。     

直流母线过压对风电机组高电压穿越影响

针对某风电场双馈机组的现场高电压穿越测试中变流器故障导致风电机组脱网的问题,通过对风电机组变流器过压的深入分析,提出了一种风电机组在高电压穿越期间动态调整变流器母线参考电压的方法,解决了现场变流器过压保护导致风电机组脱网的问题。通过现场实测验证了所提策略的有效性,为风电机组的高电压穿越能力改造提供借鉴,为防范直流送端新能源电力系统的震荡提供了有益参考。