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低电压穿越时对10兆瓦的风力涡轮机多级电网侧变流器的热分

析

柯玛，会员，IEEE，佛雷格布拉布叶格，研究员，IEEE，马可李斯锐，研究员，IEEE

摘要

由于单个风力涡轮机的功率等级不断上升甚至达到7MW，风力发电系统要求更可靠和能够

承受极端的电网干扰。此外，风力发电系统应在电网中更加灵活和能够通过在电网故障期间

注入有助于电网恢复的无功电流，这已经成为一种需要。因此，全功率变换器解决方案正变

得越来越流行来满足不断增长在风力发电应用中的挑战。然而，全功率转换器中的功率器件

的加载，特别是在电网故障期间，可能会妥协可靠性能和进一步增加了系统的成本。在本

文中，三个具有好前景的用于新一代的10兆瓦的风力涡轮机的电网侧的多级变换器的拓扑

结构被提出，和基本上作为案例学习而设计。运行状态，和可靠性相关性能一样，研究的目

的在不同的低电压穿越（LVRT）条件下。发现所有提出的转换器拓扑结构都将一些低电

压穿越操作时高负载的功率器件（特别是二极管）中遭受交界处的温度较高。此外，本三

电平和五电平H桥拓扑比著名的三电平中性点钳位拓扑结构在减少不对称性和设备应力等

级方面表现出更大的潜力。

关键词：低电压穿越（LVRT），多层次变换器，热分析，风力发电。

一、引言

欧盟致力于到2020年其能源的20%从可再生能源中获得[1]。作为最有前景的候选对象，

并入电网的风能生产在全世界蓬勃发展。同时，单个风力发电机组的容量不断增加从而降低

了生产每千瓦时的价格，作为尖端成就，7兆瓦海上风机已经出现在市场上[2]-[4]。因此，

由于与以前相比在电网故障或断开后会对电网的更为重要的影响，风力发电

系统要求更加可靠，能承受一些极端的电网扰动。传动系统运营商已经颁布更严格的低电压

穿越（LVRT）电网的标准，如图1所示的[5]对于不同的国家，在图中定义了各种电压骤

降和允许的扰动时间的边界。此外，风力发电系统还提供无功电流（高达转换器额定电流容

量的100%）来有助于电网恢复，当低电压穿越出现，如图2所示，所需要的与电网电压相

关的无功电流由德国的电网规范指示[6]。

图1.不同国家低电压穿越下的风力发电机的电网参数

图2.低电压穿越时无功电流要求与电网电压V的关系

g

更严格的电网标准以及高可靠性要求推动风力发电系统的解决方案从带有部分额定功

率变换器的双馈感应发电机向带有全功率变流器的永磁同步发电机发展。有关如何控制风电

变换器满足在低电压穿越时电网要求的大量的工作已经完成了[7]，[8]。然而，在这种条

件下的功率损失和热性能，特别是当使用MW级全功率变流器，是另一个重要的而且有趣

的进一步的调查所需要的话题。在电网干扰下的功率器件的极限载荷可能导致消除相关变换

器功率，无效成本的功率半导体器件，复杂的散热系统，以及降低了的变换器的可靠性。

在本文中，三个有前景的用于10兆瓦的风力涡轮机的电网侧多电平变换器被提出和初

步设计。评价标准主要针对利用

功率开关器件和不同低电压穿越条件下功率开关器件的热性能。对于转换器输出的研究，以

及在不同电网电压骤降/风速下的功率损失和热分布，被介绍和比较。

二、有前景的拓扑结构和基本设计

带有全面的功率转换器的变速风力涡轮机的概念和主要部分，如图3所示。如前所述，单个

风力发电涡轮机的容量保持增加甚至达到7兆瓦，以及中压（1kV–10kV）设备将有趣和

被需要来减少在这样的高功率等级中的布线和开关器件的额定电流。对传统的二级电压源转

换器来说用现有的开关器件达到可接受的性能越来越难[9]。随着更多的输出电压电平的能

力，更高的电压振幅，和更大的输出功率，多电平变换器的拓扑结构是当今全功率/中压风

电转换应用中最有前景的候选对象。[9]–[13]。

图3.带有全功率转换器的风力发电系统

由于图3中的电网侧转换器直接连接电网和起着关键的作用来符合在电网故障期间的

严格标准，主要讨论会集中在发电系统这部分。关于发电机侧交流/直流转换器的更详细的

信息包括在[11]和[12]中，将不在本文讨论。在各种多电平拓扑结构中，其中三个是感兴

趣的，他们将在下面被介绍。

作为市场上一个最商业化的多电平变换器研究，三电平中性点二极管箝位拓扑（3L-