一种双馈式风电变流器的老化试验方法

第47卷第6期2013年6月电力电子技术POWERELECTRONICSVO147，NO6JUNE2013一种双馈式风电变流器的老化试验方法陆震宇，蔡旭，田红纬上海交通大学，电子信息与电气工程学院，上海200240摘要针对传统双馈式风力发电变流器老化测试方法。介绍了一种对测试设备配置要求低、投资小、操作简便、有利于工厂大规模生产的新型测试方法。从老化试验的实质和理论出发，证明该方法能有效检测双馈式风电变流器的装配质量，然后运用MATLABSIMULINK对该测试方法进行仿真分析，最后通过试验证明该测试方法有效、可行。关键词变流器；双馈式；老化试验；损耗中图分类号TM46文献标识码A文章编号1000100X201306010303ONEHEATRUNTESTMETHODOFDOUBLEFEEDWINDPOWERCONVERTERLUZHENYU，CAIXU，TIANHONG。WEISHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTCOMPAREDTOTRADITIONALHEATRUNTESTMETHODTHENEWHEATRUNTESTMETLLODINTRODUCEDHASTHEADVANTAGESOFEASYTOSETUPTHETESTBENCHWITHLOWINVESTMENTANDCONVENIENTFOROPERATIONRHISPAPERBEGINSWITHMAKINGTHEVERIFICATIONOFEFFECTIVENESSTOCHECKTHEASSEMBLEQUALITYWITHTHISMETHODANDTHENMAKESTHESIMULATIONWITHTHISMETHODINTHEEND。THERESULTSOFHEATRUNTESTPROVEITISFEASIBLYTODOHEATRUNTESTWITHTHISMETHODKEYWORDSCONVERTER；DOUBLEFEED；HEATRUNTEST；LOSSES1引言老化试验是风电变流器出厂前的一项重要检测。通过老化试验，可以得到变流器的温升性能及发现装配中存在的问题。采用有效、简便的测试方法对变流器的质量及生产成本非常关键。2老化测试试验方法介绍21试验原理目前常用老化试验方法是通过搭建模拟实验平台，使变流器在满功率下运行，如图1所示。其损耗小，功率在测试回路内循环。电网只需提供发电机和变流器损耗即可。但该方法对设备和场地要求较高，需制造商配备双馈式发电机和相关控制设备，维护和操作较复杂，资金投入也很高。图1传统老化试验原理图FIG1TRADITIONALHEATRUNTESTMETHODSCHEMATICDIAGRAM图2为提出的新型风电变流器老化试验方法原理图，该方法使用电抗器作为负载，分别控制网定稿日期20130108作者简介陆震宇1981一，男，上海人，硕士研究生，研究方向为电力电子技术。侧和转子侧电流来实现老化试验。在该方法中，由于使用了电抗器作为负载，因此整个试验能量消耗非常小。能量只在电容和电抗器间交换。该老化试验方法对于设备要求较低。仅需一台直流电源和一套专门用于检测的软件即可，操作简单且损耗低，适合大规模生产使用。图2新型老化试验原理图FIG2NEWHEATRUNTESTMETHODSCHEMATICDIAGRAM22试验方法有效性分析老化试验的实质是通过检测交流器损耗来判断变流器装配质量。因此只要能保证测试时影响损耗的因素与正常运行时一致即可检测变流器的装配质量。对变流器而言。损耗主要分电抗器损耗及功率模块组件上的损耗两部分。221电抗器损耗电抗器损耗分为铁心损耗和铜损，铁心损耗主要包括磁滞损耗由磁滞引起的损耗和涡流损耗由涡流引起的损耗，铁损计算公式为【LZ】PPAPO,BJV。，M21式中OR，ORE为与铁心材料有关的系数；，为电源频率，单位为HZ；B为铁心中磁感应强度的最大值，单位为T；为铁心材料的体积，单位为MM3。】03第47卷第6期2013年6月电力电子技术POWERELECTRONICSVO147NO6JUNE2013由式1可见，对于一台生产好的电抗器，铁损与电流频率及磁感应强度相关。由安培环路定理可知，磁感应强度与电流大小相关。因此，只要测试时流经电抗器的电流大小、频率与额定工况时一致则铁损也一致。电抗器铜耗是指绕组的直流损耗，其大小为P，该损耗与电流大小和谐波含量相关，因此只要保证测试时电流及其谐波含量与正常工况下一致，则损耗一致。222功率模块损耗对于功率模块来说，损耗通常包含功率器件损耗和电容器组损耗两部分。功率器件包含绝缘栅双极型晶体管IGBT和续流二极管FWD。IGBT损耗分为开关损耗和导通损耗。开关损耗是指IGBT在开通和关断过程中产生的损耗计算公式为31PSW1RRFSWESWOP十ESWP2式中为额定工作电流；为额定工作电压；ESW，ESW为，CN和UCEN时IGBT开通、关断一次损失的能量；U为直流母线电压；为电流最大值。由式2可知，开关损耗由直流母线电压、开关频率、工作电流和IGBT特性决定。只要直流母线电压、电流及开关频率与正常工况时一致，则开关损耗就一致。而导通损耗是指IGBT在导通时的通态损耗计算公式为1F盯M皿ICTDT3二I1U式中UCE为母线电压；ICT为集电极电流；RT为占空比。由式3可知，导通损耗由直流母线电压、电流和占空比决定。只要母线电压、电流及占空比与正常工况时一致，则导通损耗一致。FWD的损耗也由通态损耗和开关损耗组成，通态损耗计算公式为PC1RRMCOSQ4十142MCOSQ3订R4式中M为调制比；为电压电流相位差；RF为二极管通态等效电阻；为二极管门槛电压。至于FWD开关损耗，二极管开通损耗可忽略不计，仅计算二极管关断损耗，计算公式为1叮O矾5式中E为在和下二极管关断一次损失的能量。由式4，5可知，二极管损耗与直流母线电压和电流相关。所以对于功率器件而言，只要保证直流母线电压、电流及占空比与正常工况时一致，即可保证开关损耗一致。104对电容器而言，存在等效串联电阻ESR是产生损耗的主要原因。ESR会随温度和频率的变化而变化41，为保证试验时影响温度的纹波与正常工况时一致，直流电源需使用与变流器网侧或转子侧相同的PWM整流器。由上述分析可知，采用新型老化试验方法进行老化试验时，只要保证电流、开关频率、直流母线电压与正常运行时一致，即可得到变流器在额定工况下的损耗。3系统模型双馈式风电变流器由两个“背靠背”连接的电压型PWM变换器组成5，由于两个变换器主电路完全相同，所以仅对网侧变换器进行详细分析，典型变流器网侧拓扑结构如图3所示。JJC菇图3网侧变流器拓扑结构FIG3CONVERTERGRIDSIDETOPOLOGICALSTRUCTURE假定不考虑并网逆变器直流母线两端电压波动。三相电网电压对称且主电路开关元器件为理想开关元件根据基尔霍夫电压电流定律和三相电压源型PWM并网逆变器工作原理，可得到网侧PWM逆变器开关函数数学模型为竺DIK脚6E眠一，L喊S式中SA，H，C为开关函数，当上臂导通，下臂关断时，S1，当上臂关断，下臂导通时，S0；E为电网电压；为输出电流的实时值。忽略R，将K。；，I为给定参考电流实时值。代入式6可得LDAIDTEDDTU7在新型老化试验方法中。电抗器即为负载，因此令EK0，则有LDAIJDTLDIKDTU8由式8可知，在老化试验中逆变器的输出电流只取决于逆变器的输出电压。4控制策略图4为老化试验使用的电流闭环控制系统框一种双馈式风电变流器的老化试验方法图。与I相比较，其差值进行PI处理然后进入DSP中，DSP输出脉宽调制PWM控制信号来调制输出电流，调制方式采用空间矢量脉宽调制SVPWM，与产品调制方式一致。图4变流器电流控制系统框图FIG4CURRENTCONTROLSYSTEMBLOCKDIAGRAMOFCONVCER5仿真和试验51系统仿真用MATLABSIMULINK搭建网侧部分老化模型，PWM整流器输出直流电压为11KV，网侧电抗器L，作为负载在L输出侧短接。由于使用了电抗器作为负载因此能量仅在电容与电抗器间交换故虽然有大电流，但实际损耗非常小。仿真参数LO8MH，LO2MH，开关频率3KHZ，给定交流输出电流峰值I500A，直流电压为11KV。图5为电流峰值为IKA，频率为50HZ时变流器输出三相电流的仿真波形。图5仿真波形FIG5SIMULATIONWAVEFOINLS52系统试验对新型老化试验方法进行基于TMS320C2812芯片的老化程序开发。老化试验程序基于风电变流器程序。屏蔽了电网检测功能，增加了通过人机交互界面HMI人为设定电流幅值的功能。当变流器运行在老化试验模式时。变流器变为电流幅值可调的电流源。图6为试验平台，其中网侧和转子侧变流器为等待测试的15MW风电变流器。网侧和转子侧功率器件开关频率均为25KHZ。网侧电抗器是变流器原本就有的电抗器，L。09MH，而转子侧电抗器则在原本转子侧电抗器基础上串接一个电抗器，使其总电感量达到1MH，将网侧和转子侧电抗器在输出侧分别短接，作为试验负载。直流电源是一台PWM整流器，功率为50KW，输出电压设为IIKV，输入功率因数接近1，采用SVPWM，功率器件开关频率为25KHZ。在试验过程中，通过HM1分别设定网侧和转子侧变流器的输出电流。使其运行在指定状态。图6变流器老化试验原理图FIG6HEATRUNTESTMETHODSCHEMATICDIAGRAM图7为新型老化试验方法波形。其中，网侧电流幅值500A，频率50HZ，转子侧电流幅值800A，频率16HZ直流电压始终为11KV。三相电流均为正弦波，幅值和频率可调。能满足老化试验要求。此外，在直流电源输入侧测得线电压为690V，相电流为15A，由于使用了PWM整流器，故功率因数为099，整个测试损耗为18KW，证明了该试验方法节能性。在直流电源输出侧测得直流输出电流为10A，直流电压为11KV故变流器损耗为】1KW，这些损耗主要为变流器的开关损耗和电抗器损耗。由于系统的节能性，因此该系统完全可用来检测兆瓦级风电变流器。，、L、，蜓、H00V00。J_巴啦M|，、，、鬯J备R625MS电流B转子侧三相电流一M0，00JC直流侧电压图7试验波形FIG7EXPERIMENTALWAVEFOLTNS6结论试验结果表明该新型老化测试方法是可行有效的，极大降低了工厂老化试验的成本和繁杂程度，降低了工厂大规模生产的难度。参