基于电热暂态特性的大功率风电变流器状态控制机制

In this proposal, considering the fluctuation, intermittence and random of wind power, dynamic thermal behaviors of large-capacity wind power converter will be investigated from perspectives of time and space, as well as their impacts on POF (physical of failure). From time perspective, fluctuation of the power device’s junction temperature causes its mechanical fatigue. From space perspective, the differences of thermal capacity and heat dissipation conditions cause uneven thermal distribution. A sudden dip of generating power can lead to local cold spot inside converter. At the same time, that condensation may occur, affects wind power converter’s safe and reliable operation.. On the basis of dynamic thermal behaviors and their physical failure mechanisms, thermal control is explored to improve the operation of wind power converter. With the considerations of typical wind turbines and converters, the thermal controls oriented to lifetime extending and active anti-condensation are investigated. The work will be beneficial for the enrichment of the existing theoretical knowledge， which can provide the contributions to high-reliability operations of wind power converters.

本课题申请书拟从时空二维度上对发电功率波动性、间歇性、随机性引起的风电变流器动态热行为及其造成的物理失效影响展开研究。从时间轴上看，变流器功率器件内部联结面上温度波动引起机械疲劳损伤，造成变流器失效；从空间上看，由于热容及散热条件不同而引起热分布不均匀，在发电功率骤降时会导致变流器内部产生局部冷点，在一定条件下会产生“凝露”现象，影响其安全可靠运行。. 在分析风电变流器动态热行为及其对变流器造成物理失效机理的基础上，探索改善变流器运行状态的热控制方式。针对常规机型及典型拓扑结构的变流器，研究基于热控制的寿命延长和主动防凝露的热状态控制技术,所涉及到的工作与结果，有助于丰富该领域的基础理论认识，可为实现大功率风电变流器的可靠运行提供理论支撑。

海上风电机组容量大、工作环境恶劣、运维困难等特点，在可靠性方面对机组提出了更高的要求，变流器是风电机组的关键部件，设计高可靠性、高可用度的变流器至关重要。本项目旨在提升海上风电机组薄弱环节—风电变流器的可靠性及可用度，降低海上风电度电成本，为实现风电平价上网提供理论基础及技术支撑。主要研究内容是：.1、发电功率波动性、间歇性运行条件下风电变流器的可靠性提升技术. 1）建立了风电变流器不同时间尺度电热模型，分析了发电功率波动性、间歇性、随机性运行条件下的暂态热行为及其物理失效机理；. 2）依据风电变流器的电热模型，从热源、热阻、冷源多方面分析变流器热控制方法，针对全功率及双馈风电机型，提出了响应速度快、调节精度高、调温范围宽的基于无功、正交环流的热控制技术；. 3）对由于在发电功率骤降时空间温度分布不均引起的凝露现象，提出了基于环流热控制的主动防凝露技术，避免了凝露对变流器运行的危害，提高了其运行的可靠性；. 4）对于平均结温过高及结温波动造成的功率器件寿命缩短的问题，采用DPWM+交错并联以及自适应优化调制降低了功率器件的平均结温，采用热控制技术平滑结温波动，降低了热应力对功率器件寿命的影响；.2、风电变流器的可用度提升技术. 1）针对并联型变流器，提出了容错控制及故障重构技术，防止局部故障引起风机停机而造成风能损失；. 2）研究了H桥级联型风电变流技术，提出了级联型风电变流器的的容错控制及故障重构技术，以提高其可用度；. 3）针对电压型风电变流器的母线电容为薄弱环节，研究了基于电流型拓扑的风电变流器，直流母线采用高可靠的电抗取代母线电容，提出了基于调制及控制的电感、功率器件等优化设计方法，从而实现电流型风电变流器的轻量化，为其在风电领域中应用提供理论及技术支撑；.研制了低压两电平电压型及电流型风电变流器，在全功率及双馈风电数字及物理动模系统中全面验证了提出的理论及控制策略。