双馈异步发电机同步速下变流器运行状态研究

周俊杰，周洪伟，马超群，陈奇

（1.特变电工新疆新能源股份有限公司，新疆乌鲁木齐830011；2.特变电工西安电气科技有限公司，陕西西安710119）

1 引言

风力发电作为清洁、丰富的可再生能源，得到全球广泛应用。目前，双馈风力发电技术是应用最为广泛的风力发电技术，以DSP 控制、功率半导体器件、SVPWM 等技术为基础集成的双馈变流器也迅猛发展，但与传统的变频器和光伏逆变器相比双馈变流器系统更为复杂且有其自身系统的独特性，大部分文献都是针对超同步和亚同步状态进行相关研究，但同步速这一特殊工况的相关研究资料匮乏，本文根据实际案例研究双馈发电机在同步速下变流器的工作状态，同时提出了一种同步速下IGBT 模块能力的评估方法［1］。

2 双馈系统运行原理

双馈异步风力发电系统主要由风力机、增速齿轮箱、双馈绕线型异步发电机、双向变流器和控制单元等组成，双馈系统如图1 所示。双馈发电机定子绕组接工频电网，转子绕组接交-直-交双向变流器，该变流器可实现对转子绕组的频率、相位、幅值和相序等调节控制。当电机转速n发生变化时，调节转子电流的频率f2(f2= ±sf1)，可使发电机定子输出频率f1保持恒定不变，即与电网频率保持一致，实现风力发电机的变速恒频控制。主要有3种状态需要考虑［2］。

1）同步状态。双馈电机在同步速下运行时定子电压频率f1=50 Hz，满足并网要求，此时变流器只需提供直流励磁电流即可，此时的双馈电机工作状态即为同步电机。此时网侧变换器工作于整流状态，电机侧变换器工作于BUCK电路模式。

2）亚同步状态。当双馈电机转速低于同步速时，此时定子电压频率f1＜50 Hz不能实现并网，此时的变流器需要向电机转子提供正向的励磁电流来满足定子电压的并网频率。此时网侧变换器工作于整流状态，机侧变换器工作于逆变状态。

3）超同步状态。当双馈电机转速高于同步速时，此时定子电压频率f1＞50 Hz 不能实现并网，此时的变流器需要向电机转子提供负向的励磁电流来满足定子电压的并网频率。此时网侧变换器工作于逆变状态，机侧变换器工作于整流状态。

图1 双馈发电系统图Fig.1 DFIG system diagram

3 同步速下变流器的工作状态

当双馈系统处于亚同步和超同步运行状态时，变流器向电机转子提供正弦波电流，流过IGBT 芯片（或二极管芯片）的电流轮廓也是正弦波，当相电流为正时，由S1管IGBT芯片和S2管二极管芯片交替流过电流，如图2a所示。当相电流为负时，由S2管IGBT 芯片和S1管二极管芯片交替流过电流，如图2b所示［3］。

图2 电流流向示意图Fig.2 Current flow diagram

在一个基波周期内，S1管IGBT 芯片、S1管二极管芯片、S2管IGBT 芯片、S2管二极管芯片都在交替流过电流，图3 是电流为正时的电流在各个芯片上分配示意图，可以看出在单个芯片上流过的电流为大小时刻改变的脉冲电流，且在一个工频周期内轮廓为半波正弦。

图3 非同步速下电流示意图Fig.3 Current diagram under the asynchronous speed mode

当双馈系统运行在同步速下时网侧变换器运行于整流模式，而电机侧变换器由于要为双馈电机提供直流励磁电流，因此运行状态既不是整流也不是逆变，而是一种BUCK 变换器的模式。由于相电流一直为正，由S1管IGBT 芯片和S2管二极管芯片交替流过电流且一直持续这种状态，S1管二极管芯片和S2管IGBT 芯片不流过电流，一直处于闲置状态，如图4所示。

图4 同步速下电流分配图Fig.4 Current distribution diagram under the synchronous speed mode

图5为DSP调制输出的同步速下电机侧变换器S1，S3，S5开关管的PWM 波形。通过仿真波形和实测来看占空比为50%，S2，S4，S6开关管与之互补，该工作状态下电压空间矢量只用了3 个模态分别为：100，111，000，且100状态时间很短，大部分时间段为零矢量状态。

图5 同步状态电机侧变换器PWM波形Fig.5 PWM waveforms of converter under the synchronous state

图6为同步状态下流过S1管、S3管、S4管（包括并联二极管）的电流波形示意图，1～3 通道分别为S1管、S3管、S4管电流波形，第4 通道为U 相电流波形。从分析和仿真看出，由于同步速下转子电流要维持直流，因此U 相电流是V 相和W相电流之和，具体到IGBT 芯片和二极管芯片电流也存在U 相大于V，W 相的情况，在6 个IGBT和6 个二极管中，S1管IGBT 芯片和S4管二极管芯片通过的电流最大，这就造成了三相之间和单相内部各个芯片的电流不平衡，如果以传统的思路进行实验很容易由于过热而损坏IGBT模块。

图6 同步状态电流波形Fig.6 Current waves of the synchronous state

为证明上述分析，本文以2 MW 双馈系统进行实验验证，2 MW 双馈电机的同步速为1 000 r/min，在超同步转速1 200 r/min 下转矩给定100%时，转子三相电流为正弦波且有效值大小为830 A。在同步速1 000 r/min 下转矩给定100%时，转子三相电流为直流，U 相电流有效值为1 200 A，V相和W相电流有效值为600 A，可以看出在同步速下三相电流不平衡，且U相芯片电流值远远超出了所允许的过电流能力，此时如果不进行相关的限流措施，U 相IGBT 模块可能过热而造成损坏。

4 IGBT 模块同步速下过电流能力评估

IGBT 模块过电流能力主要取决于IGBT 芯片和二极管芯片温度，对芯片温度影响的因素主要有以下几个方面［4］：1）流过IGBT 的电流有效值主要影响芯片的平均温度Tj(av)；2）IGBT 每次开关动作产生的损耗为脉冲状态，因此会形成温度波动（如图7 所示），这种情况下利用瞬态热阻曲线可以计算出纹波温度Tjp；3）输出的基波频率不同也会影响温度纹波Tjp，基波频率越低，呈正弦半波状的输出电流在同一芯片上停留的时间变长，当输出电流在峰值附近时，最大电流对芯片的作用时间也相应延长，而芯片的导热时间常数不变，芯片的结温随之迅速上升，频率越低这一上升越明显，在输出频率为1～2 Hz时，最大结温甚至会高出平均结温20 K以上。

图7 温度波动Fig.7 Temperature fluctuation

在双馈系统的同步状态下，转子输出电流为0 Hz，此时相电流为直流，基波频率对温度纹波的影响较小，但在这种工作状态下三相电流不平衡与单桥臂内IGBT芯片和二极管芯片电流不平衡，对于IGBT芯片的应用要求是比较严酷的，因此需要对此状态下芯片温度做相应的计算来考核是否满足要求，可以使用IGBT 规格书中给出的如图8 所示的瞬态热阻曲线来计算IGBT 芯片瞬态结温，计算方法如下式所示［4］：

图8 瞬态热阻曲线Fig.8 Transient thermal resistance curve

参考IGBT 规格书得到瞬态热阻曲线，根据实际工况同步速下占空比为50%，公式简化为

通过计算可以分别得到IGBT芯片和二极管芯片结到壳的瞬态热阻：

IGBT损耗=稳态损耗+开通损耗+关断损耗：

DIODE损耗=稳态损耗+反向恢复损耗：

以2 个PrimePACK 封装的英飞凌公司FF1000R17IE4 并联的IGBT 模块为实例进行同步速下模块能力的折算，当模块工作在整流模式流过700 A交流电流时，通过计算得出单个IGBT损耗为413 W，二极管损耗为386 W，实测测得壳温最热点温度为92 ℃，此时芯片结温135 ℃。

根据上述数据可以得到下式的结论：

利用式（10）的结论，计算同步速下IGBT 芯片和二极管芯片结温在135 ℃时允许的电流值。

根据计算可知，考虑IGBT 模块并联允许不均流度为5%，即在超同步或亚同步状态下可以流过700 A 电流的IGBT 模块，在长期同步速下最多可承受的电流为499 A，远远低于正常状态。

5 结论

1）对于双馈发电系统来讲，同步状态是一个特殊的工作状态，此时电机侧变换器工作在BUCK 模式下，存在三相电流不平衡、单相桥臂内IGBT 芯片和二极管芯片电流不平衡的情况。

2）由于在同步速下存在电流不平衡的情况，通过理论分析和实验证明此时IGBT模块过电流能力远远低于非同步状态，为了避免IGBT 过热损坏，在调试和运行当中需要对此时的IGBT 模块能力进行评估，在此点进行必要的降额使用，本文已给出一种实用的评估方法。

3）实际工况中，风速不可能长期保持在同步速，但同步速附近（如1 Hz）的工作点由于频率较低，温度纹波较大，对于IGBT模块来讲依然需要重点评估。

［1］李建林，许洪华.风力发电机中的电力电子变流技术［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］刘其辉，贺益康，张建华，等.并网型交流励磁变速恒频风力发电系统控制研究［J］.中国电机工程学报，2006，26（23）：109-114.

［3］Pena R，Cclaie J，Asher GM. A Doublyfed Induction Generator Using Back-to-back PWM Converters and its Application to Variable-speed Wind-energy Generation［J］. IEE Proceeding on Electric Power Applicationms，1996，143（3）：231-241.

［4］Dr-lng Arendt Wintrich，Dr-lng Ulrich Nicolai，Dr techn.Werner Tursky Application Manual Power Semiconductors［M］.Germany：SEMIKRON International GmbH，2011.

［5］赵仁德.变速恒频双馈风力发电机交流励磁电源的研究［D］.杭州：浙江大学，2005.