風(fēng)電機(jī)組變流器技術(shù)特點(diǎn)和可靠性分析

陳鐵華，騰依海

（1.長(zhǎng)春工程學(xué)院能源動(dòng)力工程學(xué)院；2.吉林龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司，長(zhǎng)春130012）

風(fēng)電是可再生的無(wú)污染能源，也是目前唯一技術(shù)成熟并已大規(guī)模開發(fā)利用的新能源，我國(guó)政府明確宣布要堅(jiān)定不移地發(fā)展風(fēng)電，并將2015年的發(fā)展目標(biāo)提高到100GW。

目前，1.5MW等級(jí)的風(fēng)電機(jī)組已成為主流，而1.5MW及以上功率等級(jí)的風(fēng)電機(jī)組成為新建風(fēng)場(chǎng)的首選［1］。在運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組中，主要是雙饋型和直驅(qū)（半直驅(qū)）型兩種，雙饋型電機(jī)定子通過(guò)接觸器并網(wǎng)而轉(zhuǎn)子則通過(guò)變流器并網(wǎng)。直驅(qū)型發(fā)電機(jī)直接通過(guò)變流器并網(wǎng)。兩種型式的風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)階段大量存在，在未來(lái)也將長(zhǎng)期共存。雙饋型的風(fēng)電機(jī)組對(duì)變流器容量要求相對(duì)較小，通常為總?cè)萘康?0%左右；而直驅(qū)型的風(fēng)電機(jī)組則要求全額變流器。風(fēng)力發(fā)電變流器屬可再生能源領(lǐng)域的高科技產(chǎn)品。

1 變流器運(yùn)行

風(fēng)電機(jī)組變流器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心部件之一，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不可缺少的能量變換環(huán)節(jié)，它將風(fēng)機(jī)發(fā)出的電壓和頻率隨風(fēng)速變化的電能，經(jīng)過(guò)交直轉(zhuǎn)換變?yōu)殡妷汉皖l率都穩(wěn)定的電能饋入電網(wǎng)。為了使風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能捕獲，風(fēng)電機(jī)組一般采用變速恒頻技術(shù)，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)力的大小而變化，在較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)維持最佳葉尖速比，同時(shí)保證發(fā)電機(jī)的輸出電壓頻率與電網(wǎng)頻率相同。

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生能量饋入電網(wǎng)的方式，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要分為以下3種類型：

（1）直接并網(wǎng)。這種風(fēng)電系統(tǒng)技術(shù)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，但其缺點(diǎn)是功率因數(shù)低，受電網(wǎng)影響大，風(fēng)能利用率低，隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展已逐漸被淘汰。

（2）部分功率變流并網(wǎng)。系統(tǒng)原理如圖1。該系統(tǒng)可根據(jù)需要對(duì)風(fēng)機(jī)輸出的電能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，因此在輸出電能質(zhì)量、風(fēng)能利用率等方面，與直接并網(wǎng)技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是目前風(fēng)電領(lǐng)域里的主要機(jī)型，即雙饋電機(jī)。

圖1 部分功率變流器風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

（3）全功率變流并網(wǎng)。該系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2。其最大特點(diǎn)在于風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的全部電能都需經(jīng)并網(wǎng)變流器處理后并網(wǎng)。因此，該技術(shù)具有下述優(yōu)勢(shì)：（a）風(fēng)機(jī)輸出電壓頻率不再受電網(wǎng)頻率的限制。這不僅允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)有更大的轉(zhuǎn)速變化范圍（提高風(fēng)能的利用效率），而且可采用額定轉(zhuǎn)速比雙饋電機(jī)低得多的直驅(qū)或半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，從而避免或減少齒輪箱帶來(lái)的效率和可靠性等方面的問(wèn)題。（b）利用并網(wǎng)變流器可對(duì)輸出能量進(jìn)行更加靈活自如的控制，不僅可按要求隨時(shí)調(diào)控風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率大小，甚至還能人為地調(diào)節(jié)輸出的有功或無(wú)功功率，提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和綜合功效。（c）風(fēng)機(jī)輸出電壓和頻率與電網(wǎng)完全無(wú)關(guān)，所有單機(jī)的運(yùn)行都能隨意控制，大大提高了發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性［2］。

從圖1和圖2可見(jiàn)，無(wú)論是部分功率變流器還是全功率變流器，都承擔(dān)著風(fēng)機(jī)輸出能量的轉(zhuǎn)換和控制任務(wù)，因此變流器是并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一。MW級(jí)風(fēng)電并網(wǎng)變流器中，對(duì)變流器性能影響最大的半導(dǎo)體開關(guān)器件是IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）。

2 風(fēng)電變流器應(yīng)用特點(diǎn)及技術(shù)要求

2.1 風(fēng)電變流器應(yīng)用特點(diǎn)

風(fēng)電變流器作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口，其性能直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，是保障風(fēng)電電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電接入電網(wǎng)的關(guān)鍵。風(fēng)電變流器與應(yīng)用于一般工業(yè)中的傳統(tǒng)變頻器有很大不同，有其自身的行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)。

2.1.1 工作環(huán)境惡劣

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境較為惡劣，在運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)遇到各種復(fù)雜的、極端天氣狀況，一些風(fēng)電場(chǎng)濕度很大，極易引起凝露造成變流器故障；一些風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)沙較大，長(zhǎng)期大風(fēng)沙極易損壞變流器；建在潮間帶及海上的風(fēng)電場(chǎng)，變流器極易遭受鹽霧的侵蝕而失效；建在極端溫度區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)，極端的低溫或高溫氣候會(huì)造成變流器的結(jié)構(gòu)損壞。這些惡劣的應(yīng)用環(huán)境極大地增加了風(fēng)電變流器的設(shè)計(jì)難度和故障率，風(fēng)機(jī)整機(jī)廠家都對(duì)變流器的防護(hù)等級(jí)提出了較高要求，目前一般要求達(dá)到IP54等級(jí)［3］。

2.1.2 要求高可靠性

多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)位于交通不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)或海上，風(fēng)電設(shè)備及部件的維修和更換較為困難，有些變流器模塊布置于塔頂?shù)臋C(jī)艙中，更是增加了吊裝和拆卸的難度。此外，風(fēng)電機(jī)組要求具有20年以上的壽命［4］。因此，對(duì)風(fēng)電變流器的可靠性要求極高，在出廠前需要對(duì)變流器進(jìn)行嚴(yán)格的安全性和穩(wěn)定性測(cè)試。近兩年國(guó)內(nèi)發(fā)生的風(fēng)機(jī)燒毀事件或安全事故，多數(shù)與風(fēng)電變流器的質(zhì)量缺陷有關(guān)。

2.1.3 低電壓穿越能力

火力發(fā)電和水力發(fā)電是可控發(fā)電能源，并入電網(wǎng)的機(jī)組相當(dāng)于電壓源，機(jī)組本身有勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠維持機(jī)端電壓的穩(wěn)定。而風(fēng)力發(fā)電則不同，風(fēng)是不可控能源，瞬間變化的風(fēng)速可引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在大范圍內(nèi)變化。風(fēng)力發(fā)電機(jī)多數(shù)是異步或永磁式發(fā)電機(jī)，機(jī)組本身無(wú)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并入電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相當(dāng)于電流源，其輸出電壓取決于電網(wǎng)電壓。為保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，要求風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)能夠保持不脫網(wǎng)，甚至還能向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間（區(qū)域）。高電壓穿越則要求在電網(wǎng)短時(shí)出現(xiàn)高壓的情況下不能脫網(wǎng)［5］。

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落或恢復(fù)時(shí)，不具備低電壓和高電壓穿越功能的風(fēng)電變流器會(huì)引起交流側(cè)過(guò)流或直流側(cè)過(guò)壓保護(hù)而脫網(wǎng)。風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備要消耗無(wú)功，當(dāng)大量機(jī)組跳閘，會(huì)因無(wú)功消耗設(shè)備的減少以及送電線路產(chǎn)生的充電功率而使系統(tǒng)電壓升高，很多風(fēng)機(jī)又會(huì)因過(guò)電壓而跳閘，使事故擴(kuò)大。

2.2 風(fēng)電變流器技術(shù)要求

對(duì)風(fēng)電變流器的技術(shù)要求主要集中在系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、大功率電力電子設(shè)計(jì)技術(shù)以及各種風(fēng)況下系統(tǒng)軟件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力上。對(duì)于海上風(fēng)電變流器，高可靠性、易維護(hù)性、防鹽霧等是至關(guān)重要的。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.2.1 并網(wǎng)電能質(zhì)量

并網(wǎng)電流諧波是變流器關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)小于5%，但為了減少電網(wǎng)污染，使并網(wǎng)電能更清潔，一般均要求小于3%，這使變流器網(wǎng)側(cè)濾波器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高。

2.2.2 過(guò)載能力

風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)功率直接關(guān)系到電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，大部分風(fēng)電場(chǎng)一年中大風(fēng)季節(jié)不多，大風(fēng)到來(lái)時(shí)，要求變流器能夠過(guò)載運(yùn)行。因此，一般要求變流器有110%的過(guò)載裕量，另外還應(yīng)能短時(shí)承受120%過(guò)載［6］。

2.2.3 低電壓穿越功能

圖2 全功率變流器風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中所占比例的加大，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響越來(lái)越大。風(fēng)電機(jī)組是否具有低電壓穿越功能已成為最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)之一。因此，要求變流器必須具備低電壓穿越功能。國(guó)家能源局已經(jīng)明確要求，自2011年1月1日起，新核準(zhǔn)風(fēng)電項(xiàng)目的并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組必須通過(guò)相關(guān)測(cè)試，其中就包括低電壓穿越測(cè)試［7］。

2.2.4 保護(hù)和協(xié)調(diào)功能

由于風(fēng)電機(jī)組工作環(huán)境惡劣，要求變流器在各種復(fù)雜工況下具備較強(qiáng)的適應(yīng)能力，保證正常并網(wǎng)發(fā)電，同時(shí)和風(fēng)電機(jī)組總控系統(tǒng)聯(lián)合保護(hù)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2.5 快速響應(yīng)功能

為了提高發(fā)電效率，變流器在接到總控的功率指令后，應(yīng)該快速響應(yīng)，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能高效安全地饋入電網(wǎng)。在響應(yīng)過(guò)程中，變流器的轉(zhuǎn)矩跟蹤要快速、平穩(wěn)，以減少風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)和載荷突變引起的機(jī)械應(yīng)力，保護(hù)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)平穩(wěn)地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)安全、高效和高產(chǎn)。

3 變流器可靠性分析

變流器裝置的基本元件是電力電子功率器件，其可靠性決定著變流器的可靠性，也進(jìn)一步?jīng)Q定著風(fēng)電機(jī)組是否能夠穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。對(duì)于功率半導(dǎo)體器件，風(fēng)電變流器運(yùn)行的特殊性，對(duì)變流器的可靠性有著重要影響。

3.1 變流器可靠性影響因素

我國(guó)風(fēng)電變流器中（包括5MW風(fēng)機(jī)）使用的功率器件全部是IGBT，導(dǎo)致IGBT失效的因素有很多，主要是器件缺陷、控制系統(tǒng)問(wèn)題和應(yīng)用問(wèn)題及其他一些影響因素。

3.1.1 器件缺陷

器件缺陷主要由器件制造廠家的質(zhì)量控制手段來(lái)決定，器件廠商通過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制流程、工藝和先進(jìn)的設(shè)備來(lái)發(fā)現(xiàn)有缺陷的器件，讓合格的器件流向市場(chǎng)和用戶。一般由于器件缺陷而引起IGBT失效的幾率比較低。

3.1.2 控制系統(tǒng)問(wèn)題

變流器控制系統(tǒng)故障也會(huì)導(dǎo)致IGBT工作不正常。如誤動(dòng)作、保護(hù)不及時(shí)等，應(yīng)該通過(guò)提高控制系統(tǒng)的可靠性來(lái)降低這部分因素引起的器件失效。

3.1.3 特殊應(yīng)用

在IGBT的實(shí)際應(yīng)用中，器件會(huì)承受各種各樣的溫度變化。風(fēng)電變流器中的功率半導(dǎo)體器件工作于野外，其環(huán)境溫度由于晝伏及四季更迭的影響變幅很大，還會(huì)受到停電、低溫啟動(dòng)、高溫運(yùn)行等情況的影響，長(zhǎng)期頻繁的溫度波動(dòng)，對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱疲勞損傷，壽命逐漸消耗。

另一方面，風(fēng)機(jī)為了最大可能地捕獲風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)最大的發(fā)電量，機(jī)側(cè)變流器的頻率、電壓和電流需要隨風(fēng)速的波動(dòng)而變化，造成功率器件的結(jié)溫在較大范圍內(nèi)持續(xù)、頻繁波動(dòng)，逐漸消耗功率器件的功率循環(huán)壽命。

此外，宇宙射線也是電力半導(dǎo)體器件損壞的重要因素，海拔越高宇宙射線強(qiáng)度越大。在同樣電氣條件下，海拔越高，由于宇宙射線而造成的半導(dǎo)體開關(guān)失效的幾率越大。但也有研究表明［8］，宇宙射線對(duì)變流器可靠性的影響在可接受范圍內(nèi)。

3.1.4 IGBT自身工作特性

IGBT器件工作時(shí)存在開關(guān)及導(dǎo)通損耗，器件會(huì)發(fā)熱，溫度升高。在另半周期內(nèi)，模塊處于續(xù)流狀態(tài)，二極管工作，而IGBT處于阻斷狀態(tài)，損耗很小，IGBT芯片溫度下降。因此，在工作中，IGBT芯片的溫度不停變化。而模塊中，各種材料的膨脹系數(shù)都不相同，致使器件內(nèi)部存在應(yīng)力，該應(yīng)力持續(xù)反復(fù)作用，最終導(dǎo)致模塊失效［9］。

3.1.5 其他因素

如不正確的輸運(yùn)中產(chǎn)生的靜電，不正確的安裝壓力，過(guò)大的振動(dòng)，運(yùn)行中的過(guò)電壓，過(guò)高的dv／dt，過(guò)高的di／dt，過(guò)高的導(dǎo)通電流，過(guò)高的短路電流等都會(huì)引起器件不正常的失效。

3.2 提高變流器可靠性措施

提高風(fēng)電變流器運(yùn)行可靠性的有效措施主要是保證變流器中IGBT在各種風(fēng)況下運(yùn)行的實(shí)際環(huán)境條件和工作參數(shù)都低于器件額定技術(shù)條件的要求，而IGBT的額定能力要高于變流器本身技術(shù)條件的要求，這是確保IGBT具備較高可靠性的基本條件，在此基礎(chǔ)上再采取各項(xiàng)措施來(lái)提高變流器的可靠性。

3.2.1 改善運(yùn)行環(huán)境

溫度、污染、海拔及濕度對(duì)IGBT運(yùn)行影響很大，因此應(yīng)努力改善運(yùn)行環(huán)境條件。如改善柜內(nèi)小環(huán)境的條件，盡量提高通風(fēng)過(guò)濾網(wǎng)的濾塵效果，加強(qiáng)屏柜密封以防止灰塵或濕氣的侵襲。對(duì)局部過(guò)熱區(qū)間，根據(jù)具體情況，采用通風(fēng)、水冷、水熱交換器冷卻等方法提高散熱效率。

3.2.2 恰當(dāng)選擇定值

宇宙射線對(duì)全控型器件工作直流電壓失效率影響很大，應(yīng)結(jié)合具體使用的海拔高度，選擇合適的直流電壓值。這個(gè)值過(guò)高，將帶來(lái)高的失效率；過(guò)低，器件的能力得不到充分發(fā)揮，對(duì)器件造成浪費(fèi)。正確的選擇IGBT的工作電壓、核算由功率循環(huán)／熱循環(huán)決定的器件的運(yùn)行壽命，可相應(yīng)增加變流器的可靠性。

3.2.3 改進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制板加工工藝

風(fēng)機(jī)變流器控制驅(qū)動(dòng)電路板的制作工藝也是關(guān)系到變流器的安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。電路板的制作工藝，絕緣漆噴涂、耐腐蝕、防潮、防塵、短接、放電、漏電等方面都需要采取有效措施，增強(qiáng)電路板可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。

此外，進(jìn)口風(fēng)機(jī)變流器驅(qū)動(dòng)控制電路硬件接口多采用接插件連接方式，這種方式適用于一般工業(yè)環(huán)境，而風(fēng)電機(jī)組則裸露于空氣中運(yùn)行，經(jīng)常會(huì)遇到極端惡劣的天氣，致使變流器驅(qū)動(dòng)控制電路接觸處產(chǎn)生氧化膜，造成驅(qū)動(dòng)電路接觸不良，頻發(fā)報(bào)警信號(hào)迫使風(fēng)機(jī)停機(jī)。因此，應(yīng)改進(jìn)接觸件連接方式，增大接觸點(diǎn)面積，降低接觸電阻，保證任何季節(jié)良好接觸。

4 結(jié)語(yǔ)

功率器件是變流器裝置中可靠性最低的部分，其可靠性直接關(guān)系到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。國(guó)內(nèi)外正積極開展功率變流器的可靠性研究，同時(shí)，以提高設(shè)備運(yùn)行可靠性為目標(biāo)的變流器狀態(tài)控制技術(shù)也正逐步成為研究的熱點(diǎn)，代表著變流器可靠性研究的又一個(gè)發(fā)展方向［10］。該項(xiàng)研究將大大提升功率變流器的運(yùn)行可靠性，有利于延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷完善和深入發(fā)展，風(fēng)電變流器將會(huì)朝著電網(wǎng)友好型、智能型、高可靠型的方向不斷發(fā)展。

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