双馈变流器改进拓扑研究

王则会 吴文杰 祝艺

早期的双馈变流器拓扑采用配置定子断路器的单级配电结构，如图1所示。其中，定子断路器除提供故障保护外，还充当风电机组正常启、停机时的并网开关，停机时必须断开，以防止双馈发电机在停机高转差运行下转子高电压损坏变流器。该拓扑系统简单、成本低，但由于每次停机时需断开定子断路器，对于风况波动频繁的风电场，定子断路器的寿命会成为一个瓶颈。

为了解决早期变流器断路器的寿命问题以及提高机组安全性能，当前主流的双馈变流器拓扑一般采用“主断路器+定子接触器”的双级配电结构，如图2所示。对比之前只有定子断路器的一级结构，不论是风电机组系统或变流器发生故障，还是机组并网及脱网时，定子接触器都会断开，从而减少主断路器的动作次数，延长使用寿命。

现有拓扑存在的问题

一、定子侧短路条件下的故障保护问题

对于大多数双馈风力发电机组，双馈发电机位于机舱，而双馈变流器位于塔基。这样，双馈发电机的定子、转子与双馈变流器之间需通过较长的导电轨或功率电缆相连接。如果导电轨安装不良，或者运行过程中发生螺丝松动，可能造成相间或对地短路：而如果功率电缆接头处理不良，也可能发生短路故障。此外，双馈发电机的定、转子绕组绝缘损坏也可能引发短路故障，如图3所示。

根据统计，某地区风电场发生定子侧短路损坏接触器的事故高达30起，造成的直接损失达300万元。以1.5MW和2.0MW机型为例，定子侧短路造成的直接损失如表1所示。其中，发电量的单次损失是按照停机一天来计算的。

二、大电流接触器性能问题

风电机组设计容量越来越大，其所适配的定子接触器的电流容量也相应地不断提高。但是随着电流容量的增加，接触器的机械寿命显著下降。

三、频繁启、停机条件下的并网时间问题

对于某些风速变化频繁的风电场，可能经常发生风小停机后，来风时立即再启机的现象。现有双馈变流器拓扑由于在停机后网侧、机侧均处于关闭状态，故当风电机组重新启动时，变流器需要经过预充电、网侧调制、机侧同步等过程。其中，变流器预充电时长6s左右，机侧同步时长8s左右，整个启机并网时间一般需要15s左右，这段时间会造成一定的发电量损失。双馈变流器的启机过程如图5所示。

双馈变流器改进拓扑

为了改善风电双馈变流器的性能，本文提出了一种双馈变流器拓扑的改进方法，尝试解决风电机组定子侧短路导致的变流器接触器损坏问题，同时还引入了“热待机”的概念，缩减机组正常重启时的并网时间。

一、拓扑改进基本方案

（一）硬件方案

双馈变流器的新拓扑相对于图2的现有拓扑而言，主要是将原主断路器移至定子回路，形成定子断路器，并在转子端添加一个转子接触器，作为风电机组正常启、停机的并网开关，电路结构如图6所示。

可以看出，雙馈变流器的新拓扑仍保持了两级配电结构，采用“定子断路器+转子接触器”的配置，网侧设置带熔断保护的隔离开关。其中，定子断路器用于机组的故障保护或长时间停机，而转子接触器则用作机组正常启、停机的并网开关。

（二）控制方案

在运行逻辑上，针对新拓扑增加了一个待机状态，变流器的基本状态机如图7所示。当主控下达机组停机命令后，变流器先进入停机状态。在待机状态下，变流器只断开转子接触器，定子断路器保持闭合。待机状态下，发电机可降至零速。此时转子端口呈现开口电压，但该电压会被转子接触器阻断，不会波及机侧及网侧变换器。若待机时间超过设定时间，则再分断定子断路器，自动进入停机状态。

二、机组重启机时间优化

双馈变流器新拓扑可设置待机状态，当机组因风速低于切入风速停机时，变流器进入待机状态。待机状态下，网侧变换器保持调制工作模式，当机组来风，主控开桨、准备完毕后，机侧变换器即可发波并闭合转子接触器完成并网，流程如图8所示。

实测表明，双馈变流器新拓扑下的并网时间得以大幅缩减，从变流器收到启机命令到完成并网的时间在109ms左右，如图9所示。

结论

从现场试验结果来看，新式的变流器拓扑结构能够减少双馈风电机组在风速波动时的重启机时间，减少发电量损失。同时，这种两级配电结构可以平衡系统的保护性能和断路器的使用寿命，所提出的待机状态还可缩减系统的并网时间。本文所述双馈变流器新拓扑的应用和推广，将为提升双馈风电机组的整机可靠性和现场可用率做出贡献。