杨经伟，王念春，程明，王政（.东南大学电气工程学院，江苏南京2008；2.山东水利职业学院信息工程系，山东日照276826）



多绕组风力发电机主动缺相运行变流器效率分析

杨经伟1，2，王念春1，程明1，王政1
（1.东南大学电气工程学院，江苏南京210018；2.山东水利职业学院信息工程系，山东日照276826）

摘要：对风力发电机主动缺相运行时相应的电力电子功率变换电路进行了研究。根据变流器中IGBT、反并联二极管等开关器件，以及滤波电容、电感等无源器件的工作特性，建立单元器件的功率损耗模型，进而把相应的损耗模型应用到多绕组定子永磁电机发电系统对应变流器的两种拓扑结构中，在电机不同运行方式、不同输出功率、不同变流器拓扑结构等情况下，对变流器的功率损耗及相应的运行效率进行分析。结果显示，在不同的负载率下，适当采用主动缺相运行方式可有效降低系统功率损耗、提高运行效率。

关键词：主动缺相运行；变流器；功率损耗；效率

新型多绕组定子永磁容错电机采用多套电枢绕组，在不同风速下，通过改变发电机的容量，使输入的风能与发电机的功率相匹配，实现最大功率跟踪，提高系统的能量转换效率；多套绕组系统独立运行，可增加系统冗余性；机组在较低的风速时可以切入，提高机组发电量［1-3］。

在系统轻载的情况下，机组可以采取主动缺相运行的方式，按照不同功率要求，运行不同绕组系统，来提高运行效率。此时，相应的电力电子功率变换电路也需适应多套电枢绕组，提高功率变换器在电机、电网及自身故障情况下的可靠性，减小并网运行情况下的电流谐波［4］。本文将从系统运行效率的角度，研究在电机缺相运行的不同方案中，对应变流器的功耗与效率。这对整个发电系统的运行方式选择、效率分析与优化具有重要意义［5］。

1　变流器电路结构

系统采用9电枢绕组发电机，其对应的电力电子功率变换电路主要采用两种拓扑结构，分别如图1、图2所示。

图1为3组三相整流—逆变电路并联结构，电机侧整流部分采用3个三相桥式全控整流器并联形式，可以提高功率等级，稳定各支路的直流侧电压。网侧逆变部分采用3个并网逆变器并联形式，逆变器的3条支路由3个逆变器、3个三相电感滤波器构成。系统运行过程中，根据输出功率特性，其中的1组或多组参与工作，配合发电机的主动缺相运行。

图2为9臂整流桥变流电路结构，发电机侧整流部分采用9对IGBT构成可控整流桥电路，其中整流桥的9条臂分别连接发电机的9相绕组，在系统运行过程中，根据负载特性，其中的3条、6条或9条臂参与工作。网侧逆变部分采用1个并网逆变器和1个三相电感滤波器构成。

图1　3组三相整流—逆变电路并联结构Fig.1 Three groups of three-phase rectifier-inverter circuit parallel structure

图2　9臂整流桥变流电路结构Fig.2 Nine arms rectifier bridge converter circuit structure

2　开关器件损耗模型

根据电路和器件结构可知，开关器件的功率损耗来源于IGBT的损耗和反并联二极管的损耗，每一个器件的损耗主要由导通损耗和开关损耗两部分构成［6］。具体分析如下。

2.1IGBT的导通损耗

单个IGBT损耗为

式中：VCE(t)为导通情况下的IGBT的压降；i(t)为正弦波输出电流；τ′(t)为逆变桥输出的占空比。

因此，IGBT导通损耗可表示为

式中：I为峰值电流；ω为交流电角频率；VCE0为门槛电压；r为斜率电阻；m为调制比；φ为输出信号与电流之间的相位差。

2.2IGBT的开关损耗

IGBT的开关损耗可表示为

式中：fSW,IGBT为IGBT的开关频率；Eon,Eoff分别为开通和关断1次的能耗；Inom,Vnom分别为使用时门极电流和电压；Vdc为直流母线电压。

2.3二极管的导通损耗

与IGBT的导通损耗类似，二极管的导通损耗可表示为

2.4二极管的开关损耗

二极管开关损耗中的导通损耗可忽略不计，须考虑的是关断损耗：

可得二极管的开关损耗为

式中：fSW为二极管的开关频率；Erec为实际额定电流时门极电阻对应的反向恢复能耗。

3　无源元件损耗模型

3.1中间直流滤波电容损耗

采用SVPWM调制方式下工作的变流器纹波电流有效值计算式［7］：

式中：Iinh为纹波电流；IORMS为交流输出电流，M为调制比。

直流滤波电容的损耗为

式中：n为并联电容个数；Rs为电容的内阻；tanδ0为损耗角正切；ω为开关频率；C为滤波电容值。

3.2电感损耗

磁性元件损耗PL可以表示为

PL=PFe+PCu

式中：PFe为铁损；PCu为铜损。

滤波电感的铁损主要是磁滞损耗［8］：

式中：Phys为磁滞损耗；N为电感绕组匝数；Ae为电感磁心截面积。

滤波电感的铜损：

式中：IL为电感电流有效值；RL为电感的阻抗。

4　变流器功耗与效率分析

实验样机最大输出功率11 kW，功率因数0.8，则其最大输出电流为20 A。取开关频率15 kHz，调制比0.8。当电流从0~20 A变化时，单个IGBT、反并联二极管、中间滤波电容、电感线圈的功率损耗情况分别如图3、图4所示。

图3　IGBT和反并联二极管的功率损耗Fig.3 Power consumption of IGBT and anti-parallel diode

图4　电容和电感的功率损耗Fig.4 Power consumption of capacitor and inductor

4.13组三相整流—逆变电路并联结构分析

变流器采用3组三相整流—逆变电路并联结构时，其功耗与效率变化如图5、图6所示。

图5　3组三相整流—逆变电路功率损耗Fig.5 Power consumption of three groups of three-phase rectifier-inverter circuit

为降低功率损耗、提高运行效率，可以采取以下措施：

不考虑系统过载的情况下：在负载率大于86%时，应采用9绕组运行方式，负载率在56%~ 88%时，应采用6绕组运行方式，在负载率小于56%时，应采用3绕组运行方式。

图6　3组三相整流—逆变电路运行效率Fig.6 Operation efficiency of three groups of three-phase rectifier-inverter circuit

考虑系统过载的情况下：在负载率大于66.6%时，应采用9绕组运行方式，负载率在33.3%~66.6%时，应采用6绕组运行方式，在负载率小于33.3%时，应采用3绕组运行方式。

4.29臂整流桥变流电路结构分析

变流器采用9臂整流桥电路结构时，其功耗与效率变化如图7、图8所示。

图7　9臂整流桥变流电路功率损耗分析Fig.7 Power consumption of nine arms rectifier bridge converter circuit

图8　9臂整流桥变流电路运行效率分析Fig.8 Operation efficiency of nine arms rectifier bridge converter circuit

为降低功率损耗、提高运行效率，可以采取以下措施：

不考虑系统过载的情况下：在负载率大于86%时，应采用9绕组运行方式，负载率在57%~ 88%时，应采用6绕组运行方式，在负载率小于57%时，应采用3绕组运行方式，且负载率越低效果越明显。

考虑系统过载的情况下：在负载率大于66.6%时，应采用9绕组运行方式，负载率在33.3%~66.6%时，应采用6绕组运行方式，在负载率小于33.3%时，应采用3绕组运行方式。

4.3实际应用

本文提出的两种变流电路及其主动缺相运行方案在11 kW多绕组定子永磁容错电机风力发电系统样机中进行了应用，结果显示，两种电路拓扑结构在不同负载率下，具体应用效果与分析结果基本吻合。

从实际系统样机的运行效率方面比较，发电机为三相绕组运行时，两种电路拓扑结构的功率损耗和运行效率相同；发电机为6相绕组运行和9绕组运行时，若经常负载率较低（小于56%）时，宜采用9臂整流桥变流电路结构，反之，宜采用3组三相整流—逆变电路并联结构。

5　结论

为降低发电机功率损耗，提高运行效率，分别设计了3组三相整流—逆变并联电路和9臂整流桥变流电路两种拓扑结构，通过分析电路中元器件的功耗情况，分别给出了在不同负载率下的运行方案，其作用效果在实际应用中进行了验证。结果表明，合理的采取主动缺相运行方式可有效降低发电系统的功率损耗，提高运行效率。

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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

作者简介：杨经伟（1980-），男，硕士，讲师，Email：jwyang008@qq.com

基金项目：国家自然科学基金重点项目（51137001）；山东省高等学校优秀青年教师国内访问学者项目（2013370114206）

中图分类号：TM85

文献标识码：A