基于转速控制的双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制策略
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员李辉、李洋、廖兴林、胡姚刚、曾正，在2017年第12期《电工技术学报》上撰文，针对当前双馈风电机组机侧变流器在同步转速点附近结温波动大、影响器件运行可靠性的问题，提出一种基于机组转速控制的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）结温波动抑制策略。
首先，基于最大功率点跟踪（MPPT）控制原理，并结合变流器IGBT模块等效热网络，建立双馈风电变流器结温计算模型。其次，针对机侧变流器在同步转速点附近结温波动出现的“尖峰”现象，从减少机组低频运行范围和提升同步转速附近区域穿越速度的思路出发，提出基于功率、转速双控制外环的改进最大功率点跟踪控制策略。
最后，搭建基于PLECS和Simulink联合平台的双馈风力发电系统仿真模型，对机组在亚同步和超同步转速间动态往返变化的变流器电-热性能及其在同步转速附近区域的稳态结温进行仿真，并开展变流器结温抑制效果验证的等效实验。仿真和实验结果验证了所提改进控制策略对抑制机组同步转速点附近变流器IGBT结温波动的有效性。
近年来，双馈风电机组已成为我国大容量风电场的主要机型之一，机组单机容量的增加使得双馈风电机组并网变流器的容量随之增大。变流器作为机组电气系统中的关键部件，成本较高，同时也是故障频率最高的电气部件之一[1,2]。
在变流器运行过程中，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate BipolarTransistor, IGBT）模块热应力疲劳所导致的铝键合线脱落和焊料层失效，是其主要的失效形式，且均由模块内部结温波动产生的热应力累积导致。IGBT模块结温与其封装方式、布置、内部结构、散热条件包括运行工况等都密切相关，文献[3-7]利用这些影响因素开展了可靠性设计方面的工作。
但是，对现有实际运行的变流器而言，如何通过一定的控制手段，降低结温波动仍是提高其运行可靠性的一种有效方法。特别是双馈感应发电机（Doubly FedInduction Generator, DFIG）运行在同步转速点附近，由于机侧变流器输出频率低，增大了IGBT器件的运行周期[8-10]，使得其结温波动增大，所造成的大幅值交变热应力可对器件造成不可逆转的冲击，加速其老化和失效过程。因此，对于双馈风电机组机侧变流器而言，研究抑制其在同步转速点附近结温波动的控制策略显得尤为重要。
目前已有一些与抑制变流器结温波动相关的文献报道。文献[11]设计了一种带PI调节器的温度反馈控制系统，通过调节开关频率，控制变流器结温波动。文献[12,13]分别以变频调速系统和电压单环控制逆变器为例，采用滞环控制选择变频器的调制频率，实现对变流器结温的控制。控制变流器调制频率，可通过降低模块内部器件开关损耗，抑制变流器结温，但调制频率需在较大范围变化才会对降低结温产生有意义的效果，这对大功率变流器的控制性能及其所在系统的运行性能存在较大影响。
文献[14]以直驱永磁风力发电系统中变流器为对象，提出利用三电平变流器的开关冗余状态，均衡低电压穿越过程中变流器各IGBT器件的热分布。文献[15-17]发现在不改变调制频率的基础上，和传统七段式空间矢量调制策略相比，五段式不连续空间矢量调制能有效减少逆变器的开关损耗。改变调制策略，同样可控制模块在运行过程中的开关损耗并抑制变流器结温波动，但对运行于同步转速点附近的双馈风电机侧变流器而言，并无突出优势。
文献[18]通过分析最大功率点跟踪控制、恒功率控制、恒转矩控制策略下机侧变流器IGBT结温变化，发现同时段内不同控制策略下的IGBT器件热循环次数不同。文献[19]对不同变流器损耗控制策略下IGBT结温的变化进行对比，发现采用最小转子损耗控制的变流器具有更长的使用寿命。和以调整开关频率和调制方式为代表的基于控制器件开关损耗的结温抑制方案相比，由于当前对于双馈电机控制策略的研究已较为成熟，基于机组控制策略的结温抑制将有更多的可调控对象，手段也更为丰富。
但已有文献仅对不同控制策略下变流器热性能进行了分析，且均从既定控制策略入手，并未就造成变流器结温大幅波动的特殊工况，对变流器控制策略作进一步改进与设计。实际上，对于风电变流器所面临的复杂运行工况，机组单一固定的控制策略，已难以满足变流器的可靠性需求，特别是对于像双馈风电机组在同步转速附近出现的变流器结温大幅值波动问题，针对性的控制策略设计方案还未见文献报道。因此，有必要利用机组控制策略对变流器热性能的影响，从控制策略设计的角度，研究有效的变流器结温抑制方案。
基于此，本文详细分析了减少变流器低频运行时间的机组控制方法，提出一种基于转速控制的机侧变流器IGBT结温抑制方案。首先，利用IGBT模块等效热网络及其开关周期损耗分析方法，建立变流器结温计算模型。然后，针对机侧变流器结温在同步转速附近出现的“尖峰”问题，采用基于转速控制的结温抑制思路，提出包含功率、转速双控制外环的改进最大功率点跟踪（Maximum PowerPoint Tracking, MPPT）控制策略。最后，建立某2MW双馈风电变流器电-热仿真模型，对同步转速附近变流器的电-热性能进行仿真，并开展变流器结温抑制效果验证的等效实验，通过与传统控制策略比较，验证本文控制策略的有效性。
图7 系统仿真结构
结论
针对双馈风电机组机侧变流器在同步转速附近出现的结温大幅波动问题，本文从减少机组低频运行范围和提升同步转速附近区域穿越速度的思路出发，提出一种基于功率、转速双控制外环的改进最大功率点跟踪控制策略。
在已有的散热器设计、模块布置的前提下，建立了考虑变流器电-热性能的双馈风电机组及其控制系统仿真模型，对变流器电-热性能及机组出力进行仿真。并利用某型号未塑封变流器模块搭建等效实验电路，对本文所提控制策略的结温抑制效果进行了实验验证。
结果表明，本文基于转速控制的改进策略，能通过控制外环的切换有效控制机组的转速变化，缩短机组穿越同步转速附近区域时间、抑制机侧变流器内部器件的结温波动。同时，当机组在同步转速附近区域稳定运行，采用改进控制策略消除了机侧变流器IGBT结温在同步转速点附近的“尖峰”，使稳态风速下的结温波动得到抑制，并且不会对变流器调制策略性能和机组出力带来过大影响。
本文所得结论给现有风电变流器控制策略的改进提供了理论基础和技术支撑，下一步将通过模拟机组和样机数据，结合变流器寿命预测模型进一步优化本文所提控制策略。