楊經偉，王念春，程明，王政（.東南大學電氣工程學院，江蘇南京2008；2.山東水利職業(yè)學院信息工程系，山東日照276826）

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多繞組風力發(fā)電機主動缺相運行變流器效率分析

楊經偉1，2，王念春1，程明1，王政1
（1.東南大學電氣工程學院，江蘇南京210018；2.山東水利職業(yè)學院信息工程系，山東日照276826）

摘要：對風力發(fā)電機主動缺相運行時相應的電力電子功率變換電路進行了研究。根據(jù)變流器中IGBT、反并聯(lián)二極管等開關器件，以及濾波電容、電感等無源器件的工作特性，建立單元器件的功率損耗模型，進而把相應的損耗模型應用到多繞組定子永磁電機發(fā)電系統(tǒng)對應變流器的兩種拓撲結構中，在電機不同運行方式、不同輸出功率、不同變流器拓撲結構等情況下，對變流器的功率損耗及相應的運行效率進行分析。結果顯示，在不同的負載率下，適當采用主動缺相運行方式可有效降低系統(tǒng)功率損耗、提高運行效率。

關鍵詞：主動缺相運行；變流器；功率損耗；效率

新型多繞組定子永磁容錯電機采用多套電樞繞組，在不同風速下，通過改變發(fā)電機的容量，使輸入的風能與發(fā)電機的功率相匹配，實現(xiàn)最大功率跟蹤，提高系統(tǒng)的能量轉換效率；多套繞組系統(tǒng)獨立運行，可增加系統(tǒng)冗余性；機組在較低的風速時可以切入，提高機組發(fā)電量［1-3］。

在系統(tǒng)輕載的情況下，機組可以采取主動缺相運行的方式，按照不同功率要求，運行不同繞組系統(tǒng)，來提高運行效率。此時，相應的電力電子功率變換電路也需適應多套電樞繞組，提高功率變換器在電機、電網及自身故障情況下的可靠性，減小并網運行情況下的電流諧波［4］。本文將從系統(tǒng)運行效率的角度，研究在電機缺相運行的不同方案中，對應變流器的功耗與效率。這對整個發(fā)電系統(tǒng)的運行方式選擇、效率分析與優(yōu)化具有重要意義［5］。

1　變流器電路結構

系統(tǒng)采用9電樞繞組發(fā)電機，其對應的電力電子功率變換電路主要采用兩種拓撲結構，分別如圖1、圖2所示。

圖1為3組三相整流—逆變電路并聯(lián)結構，電機側整流部分采用3個三相橋式全控整流器并聯(lián)形式，可以提高功率等級，穩(wěn)定各支路的直流側電壓。網側逆變部分采用3個并網逆變器并聯(lián)形式，逆變器的3條支路由3個逆變器、3個三相電感濾波器構成。系統(tǒng)運行過程中，根據(jù)輸出功率特性，其中的1組或多組參與工作，配合發(fā)電機的主動缺相運行。

圖2為9臂整流橋變流電路結構，發(fā)電機側整流部分采用9對IGBT構成可控整流橋電路，其中整流橋的9條臂分別連接發(fā)電機的9相繞組，在系統(tǒng)運行過程中，根據(jù)負載特性，其中的3條、6條或9條臂參與工作。網側逆變部分采用1個并網逆變器和1個三相電感濾波器構成。

圖1　3組三相整流—逆變電路并聯(lián)結構Fig.1 Three groups of three-phase rectifier-inverter circuit parallel structure

圖2　9臂整流橋變流電路結構Fig.2 Nine arms rectifier bridge converter circuit structure

2　開關器件損耗模型

根據(jù)電路和器件結構可知，開關器件的功率損耗來源于IGBT的損耗和反并聯(lián)二極管的損耗，每一個器件的損耗主要由導通損耗和開關損耗兩部分構成［6］。具體分析如下。

2.1IGBT的導通損耗

單個IGBT損耗為

式中：VCE(t)為導通情況下的IGBT的壓降；i(t)為正弦波輸出電流；τ′(t)為逆變橋輸出的占空比。

因此，IGBT導通損耗可表示為

式中：I為峰值電流；ω為交流電角頻率；VCE0為門檻電壓；r為斜率電阻；m為調制比；φ為輸出信號與電流之間的相位差。

2.2IGBT的開關損耗

IGBT的開關損耗可表示為

式中：fSW,IGBT為IGBT的開關頻率；Eon,Eoff分別為開通和關斷1次的能耗；Inom,Vnom分別為使用時門極電流和電壓；Vdc為直流母線電壓。

2.3二極管的導通損耗

與IGBT的導通損耗類似，二極管的導通損耗可表示為

2.4二極管的開關損耗

二極管開關損耗中的導通損耗可忽略不計，須考慮的是關斷損耗：

可得二極管的開關損耗為

式中：fSW為二極管的開關頻率；Erec為實際額定電流時門極電阻對應的反向恢復能耗。

3　無源元件損耗模型

3.1中間直流濾波電容損耗

采用SVPWM調制方式下工作的變流器紋波電流有效值計算式［7］：

式中：Iinh為紋波電流；IORMS為交流輸出電流，M為調制比。

直流濾波電容的損耗為

式中：n為并聯(lián)電容個數(shù)；Rs為電容的內阻；tanδ0為損耗角正切；ω為開關頻率；C為濾波電容值。

3.2電感損耗

磁性元件損耗PL可以表示為

PL=PFe+PCu

式中：PFe為鐵損；PCu為銅損。

濾波電感的鐵損主要是磁滯損耗［8］：

式中：Phys為磁滯損耗；N為電感繞組匝數(shù)；Ae為電感磁心截面積。

濾波電感的銅損：

式中：IL為電感電流有效值；RL為電感的阻抗。

4　變流器功耗與效率分析

實驗樣機最大輸出功率11 kW，功率因數(shù)0.8，則其最大輸出電流為20 A。取開關頻率15 kHz，調制比0.8。當電流從0~20 A變化時，單個IGBT、反并聯(lián)二極管、中間濾波電容、電感線圈的功率損耗情況分別如圖3、圖4所示。

圖3　IGBT和反并聯(lián)二極管的功率損耗Fig.3 Power consumption of IGBT and anti-parallel diode

圖4　電容和電感的功率損耗Fig.4 Power consumption of capacitor and inductor

4.13組三相整流—逆變電路并聯(lián)結構分析

變流器采用3組三相整流—逆變電路并聯(lián)結構時，其功耗與效率變化如圖5、圖6所示。

圖5　3組三相整流—逆變電路功率損耗Fig.5 Power consumption of three groups of three-phase rectifier-inverter circuit

為降低功率損耗、提高運行效率，可以采取以下措施：

不考慮系統(tǒng)過載的情況下：在負載率大于86%時，應采用9繞組運行方式，負載率在56%~ 88%時，應采用6繞組運行方式，在負載率小于56%時，應采用3繞組運行方式。

圖6　3組三相整流—逆變電路運行效率Fig.6 Operation efficiency of three groups of three-phase rectifier-inverter circuit

考慮系統(tǒng)過載的情況下：在負載率大于66.6%時，應采用9繞組運行方式，負載率在33.3%~66.6%時，應采用6繞組運行方式，在負載率小于33.3%時，應采用3繞組運行方式。

4.29臂整流橋變流電路結構分析

變流器采用9臂整流橋電路結構時，其功耗與效率變化如圖7、圖8所示。

圖7　9臂整流橋變流電路功率損耗分析Fig.7 Power consumption of nine arms rectifier bridge converter circuit

圖8　9臂整流橋變流電路運行效率分析Fig.8 Operation efficiency of nine arms rectifier bridge converter circuit

為降低功率損耗、提高運行效率，可以采取以下措施：

不考慮系統(tǒng)過載的情況下：在負載率大于86%時，應采用9繞組運行方式，負載率在57%~ 88%時，應采用6繞組運行方式，在負載率小于57%時，應采用3繞組運行方式，且負載率越低效果越明顯。

考慮系統(tǒng)過載的情況下：在負載率大于66.6%時，應采用9繞組運行方式，負載率在33.3%~66.6%時，應采用6繞組運行方式，在負載率小于33.3%時，應采用3繞組運行方式。

4.3實際應用

本文提出的兩種變流電路及其主動缺相運行方案在11 kW多繞組定子永磁容錯電機風力發(fā)電系統(tǒng)樣機中進行了應用，結果顯示，兩種電路拓撲結構在不同負載率下，具體應用效果與分析結果基本吻合。

從實際系統(tǒng)樣機的運行效率方面比較，發(fā)電機為三相繞組運行時，兩種電路拓撲結構的功率損耗和運行效率相同；發(fā)電機為6相繞組運行和9繞組運行時，若經常負載率較低（小于56%）時，宜采用9臂整流橋變流電路結構，反之，宜采用3組三相整流—逆變電路并聯(lián)結構。

5　結論

為降低發(fā)電機功率損耗，提高運行效率，分別設計了3組三相整流—逆變并聯(lián)電路和9臂整流橋變流電路兩種拓撲結構，通過分析電路中元器件的功耗情況，分別給出了在不同負載率下的運行方案，其作用效果在實際應用中進行了驗證。結果表明，合理的采取主動缺相運行方式可有效降低發(fā)電系統(tǒng)的功率損耗，提高運行效率。

參考文獻

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修改稿日期：2015-08-02

Efficiency Analysis of Converter for Initiative Phase-deficient Operation of Multi-windings Generator

YANG Jingwei1，2，WANG Nianchun1，CHENG Ming1，WANG Zheng1
（1. College of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210018，Jiangsu，China；2. Department of Information Engineering，Shandong Water Polytechnic，Rizhao 276826，Shandong，China）

Abstract:The power electronic converter was studied with initiative phase-deficient operation of multi-winding generator. Power consumption models were built，according to the operating characteristics of components in converter，such as IGBT，anti-parallel diode，filter capacitor and inductor. And then，applied these power consumption models to converter topologies structures，which was corresponded multi-windings stator permanent magnet generator power system. The power consumption and operation efficiency of converter were analyzed with different generator operation modes，different output powers and different circuit structures. The results show that，appropriate to take initiative phase-deficient operation can reduce the power consumption and improve the operation efficiency in different load rater.

Key words:initiative phase-deficient operation；converter；power consumption；efficiency

收稿日期：2015-03-24

作者簡介：楊經偉（1980-），男，碩士，講師，Email：jwyang008@qq.com

基金項目：國家自然科學基金重點項目（51137001）；山東省高等學校優(yōu)秀青年教師國內訪問學者項目（2013370114206）

中圖分類號：TM85

文獻標識碼：A