| 一種全功率風(fēng)力發(fā)電變流器關(guān)鍵技術(shù)研究 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2008-11-29 10:12:00 來源：哈爾濱九洲電氣股份有限公司 網(wǎng)友評(píng)論 0條 點(diǎn)擊查看 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 摘要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型很多，本文選擇了幾種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，給出了一種不控整流器加BOOST升壓加PWM逆變的全功率風(fēng)力發(fā)電變流器的原理、設(shè)計(jì)中采用的關(guān)鍵技術(shù)及試驗(yàn)結(jié)果。 主題詞：直驅(qū)，風(fēng)力發(fā)電，全功率，變流器 Key Technology research on a full power wind generator converter Zhou Weilai, Sun Jinghua, Zhang Zhe, Pei Jingbin (Harbin Jiuzhou Electric Co.,LTD,150081) Abstract：The paper compares kinds of wind turbine generaters,and introduces a kind of full power converter with inactive rectifier,BOOST circuit and PWM inverter for wind turbin generater,illustrates its principle,key technologies and testing result. Key words： direct drive；full power；wind turbine generation；converter 注：本項(xiàng)目受國(guó)家十一五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)2006BAA01A21 1.引言 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電起步較晚，目前國(guó)內(nèi)40多家風(fēng)力發(fā)電設(shè)備整機(jī)制造廠家中，多數(shù)只能制造1MW以下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。2006年開始制造1.2MW、1.5MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，開始技術(shù)主要靠引進(jìn)。隨著國(guó)家的引導(dǎo)，大功率風(fēng)電機(jī)組開始升溫，隨之而來的就是電控部件國(guó)產(chǎn)化問題。到目前為止，兆瓦級(jí)以上全功率風(fēng)力發(fā)電變流器主要依靠進(jìn)口，所以研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)大功率風(fēng)電變流器成為當(dāng)務(wù)之急。 2.幾種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比 由發(fā)電機(jī)和電力電子器件或變流器構(gòu)成的廣泛應(yīng)用的6種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。下面對(duì)圖中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)加以簡(jiǎn)單比較說明。 圖a是二十世紀(jì)八十年代到九十年代被很多風(fēng)機(jī)制造商應(yīng)用的比較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如使用鼠籠型轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機(jī)的上風(fēng)式、失速調(diào)節(jié)、三槳葉風(fēng)力機(jī)就是這種結(jié)構(gòu)。在八十年代這種結(jié)構(gòu)被擴(kuò)展，為補(bǔ)償無功功率使用了電容器組，為平滑并網(wǎng)使用了電機(jī)軟起動(dòng)器。 圖b是用全程范圍或“低風(fēng)速區(qū)域”大小的變頻器代替了圖a中的電容器組和電機(jī)軟起動(dòng)器。“低風(fēng)速區(qū)域”大小的變流器的功率僅為發(fā)電機(jī)額定功率的20-30％，而全程范圍的變流器功率大約為發(fā)電機(jī)額定功率的120％，但它能使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在所有風(fēng)速下變速運(yùn)行。 圖c這種結(jié)構(gòu)是二十世紀(jì)九十年代中期，Vestas風(fēng)力機(jī)廠生產(chǎn)的名為“Optislip”風(fēng)力機(jī)所采用的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的基本思想是利用電力電子變換器改變外部的轉(zhuǎn)子電阻，來改變總的轉(zhuǎn)子電阻，從而使轉(zhuǎn)差率有10％的變化范圍?？刂屏宿D(zhuǎn)差率也就控制了系統(tǒng)的輸出功率。 圖d這種結(jié)構(gòu)使用雙饋異步發(fā)電機(jī)，用變流器直接控制轉(zhuǎn)子繞組里的電流。用功率為發(fā)電機(jī)額定功率的30％左右的電力電子變流器，即可控制整個(gè)的發(fā)電機(jī)輸出功率。有兩個(gè)原因促使這種結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用：1）較圖c的結(jié)構(gòu)有更寬的調(diào)速范圍； 2）較全功率變流器更經(jīng)濟(jì)。 圖e原來這種功率控制結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用是在航海船只上作為電源。無齒輪箱，通過兩個(gè)或三個(gè)葉片的上風(fēng)式風(fēng)力機(jī)與永磁發(fā)電機(jī)相連，發(fā)出的電能經(jīng)整流器給蓄電池充電。這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)也可以應(yīng)用于家庭風(fēng)電系統(tǒng)或混合風(fēng)電系統(tǒng)，這時(shí)風(fēng)力機(jī)一般大于1kW小于20kW。ABB公司在2000年利用這種結(jié)構(gòu)提出一個(gè)新的設(shè)想：用多極3. 5MW永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出電能后經(jīng)二極管整流器產(chǎn)生21kV直流電，然后經(jīng)高壓直流輸電并入電網(wǎng)。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，因此這種結(jié)構(gòu)成為世界風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展的另一個(gè)方向。 圖f這種結(jié)構(gòu)使用多極的繞線式同步發(fā)電機(jī)。由于它使用的是多極發(fā)電機(jī)，所以它不需要齒輪箱。它是通過整流器從電機(jī)外部來勵(lì)磁的。與前幾種結(jié)構(gòu)相比。這種結(jié)構(gòu)吸引力不大是由于三種原因：1）需要?jiǎng)?lì)磁電路；2）需要滑環(huán)；3）風(fēng)力機(jī)更加復(fù)雜的保護(hù)策略。 鼠籠型轉(zhuǎn)子異步電機(jī)： 
（a） 
（b） 繞線型轉(zhuǎn)子異步電機(jī)： 
（對(duì)應(yīng)內(nèi)反饋調(diào)速） （c） 
（對(duì)應(yīng)雙饋調(diào)速） （d）
永磁同步電機(jī)： 
（e） 繞線型轉(zhuǎn)子同步電機(jī)： 
（f） 圖2-1 廣泛應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
目前，電力電子變流裝置很多，表2-1列出應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的七種典型電氣拓?fù)漕愋偷陌l(fā)展現(xiàn)狀。 表2-1 幾種典型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的技術(shù)現(xiàn)狀
3 不控整流接BOOST加IGBT逆變?nèi)β首兞髌髟?/strong> 該種風(fēng)力發(fā)電變流器功率主回路主要由：電機(jī)側(cè)濾波器、六相或三相不控整流器、整流輸出電容器組、三重升壓BOOST變換器、制動(dòng)單元、逆變側(cè)濾波電容器、雙重并網(wǎng)逆變器、逆變輸出平衡電抗器、濾波器、升壓變壓器等組成。主回路原理圖如3-1所示：
圖3-1不控整流接BOOST加IGBT逆變?nèi)β首兞髌髟?/p>
圖3-1結(jié)構(gòu)中在不控二極管整流橋后加入一個(gè)DC／DC Boost升壓環(huán)節(jié)，得到如圖所示的直流側(cè)電壓穩(wěn)定的PWM電壓源型逆變器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過增加這個(gè)環(huán)節(jié)，可以解決風(fēng)力較小發(fā)電機(jī)輸出電壓低時(shí)保證直流母線電壓的穩(wěn)定從而使PWM逆變器保持良好的運(yùn)行特性。它通過Boost升壓環(huán)節(jié)將逆變器直流母線電壓提高并穩(wěn)定在合適的范圍，使逆變器的調(diào)制深度范圍好，提高運(yùn)行效率，減小損耗。同時(shí)，Boost電路還可以對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)輸出側(cè)進(jìn)行功率因數(shù)校正。由于不控整流橋的非線性特性，整流橋輸入側(cè)電流特性畸變很嚴(yán)重，諧波含量比較大，會(huì)使發(fā)電機(jī)功率因數(shù)降低，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)生振蕩?？梢酝ㄟ^功率因數(shù)校正技術(shù)(PFC)，改變開關(guān)器件的占空比，使發(fā)電機(jī)輸出電流保持正弦并保持與輸出電壓同步?？梢钥闯觯麄€(gè)系統(tǒng)通過增加一級(jí)Boost升壓電路將直流輸入電壓等級(jí)提高，系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，控制方法靈活，開關(guān)器件利用率高，逆變器有輸入電壓穩(wěn)定，逆變效果好，諧波含量低，經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，大功率直驅(qū)系統(tǒng)中多采用這種結(jié)構(gòu)。 4 變流器關(guān)鍵技術(shù) 4.1 三重化BOOST技術(shù) 4.1.1 Boost變換器輸出電壓 由于并網(wǎng)變壓器的額定輸入電壓為620V，則：正弦波濾波器輸出電壓也應(yīng)該是620V，此時(shí)峰值電壓為： 4.1.2 Boost變換器占空比 當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓最高達(dá)681V時(shí)，Boost變換器中開關(guān)管的占空比最低，約為： 4.1.3 Boost變換器續(xù)流二極管電流確定 電機(jī)轉(zhuǎn)速最高時(shí)，Boost變換器總輸出電流不超過 電機(jī)轉(zhuǎn)速最低時(shí)，Boost變換器總輸出電流不超過
本系統(tǒng)采用的是三重升壓斬波電路，三重化的目的是分流和減小電流中的諧波含量，下面給出了一重化的電路圖和連續(xù)導(dǎo)電模式的工作波形圖。
圖4-1 單重升壓變換器電路
圖4-2 連續(xù)導(dǎo)電模式波形圖
4.2 二重化逆變技術(shù) 主電路中的直－交變換部分采用兩重化PWM逆變器，用于將直流側(cè)能量變換成滿足電網(wǎng)連接要求的形式傳遞給電網(wǎng)，在保持直流側(cè)電壓恒定的同時(shí)，使交流側(cè)相電流接近于正弦，相電流與相電壓同相，功率因數(shù)接近于1，以減少輸送到電網(wǎng)的諧波和無功含量。該逆變器采用兩重化的目的一是實(shí)現(xiàn)電路的并聯(lián)均流，提高功率等級(jí)，二是減小交流輸出電流中的諧波含量，滿足電網(wǎng)對(duì)諧波的要求。兩重逆變器總輸出功率為：
上式中V0為連接到電網(wǎng)的線電壓，I0為逆變器的輸出相電流有效值。在每一重逆變器中，IGBT的相電流峰值電流加20%裕量可得ITm為：
并網(wǎng)逆變器的線電壓額定電壓是690V，可以計(jì)算相電壓的峰值是563V，根據(jù)逆變的要求，直流側(cè)電壓一半高于相電壓額定值，可得直流電壓最小975V。因此設(shè)定直流側(cè)額定電壓為1100V。 因此逆變器中所用IGBT模塊也采用SEMIKON公司的1700V/2400A等級(jí)的SKIIP模塊SKIIP2403GB172。
4.3 水冷散熱技術(shù) IGBT損耗：
本系統(tǒng)采用水冷散熱技術(shù)，機(jī)外設(shè)有循環(huán)系統(tǒng)。散熱功率約50KW，可以足以把功率器件損耗散熱排出設(shè)備體外。 4.4 疊層母排技術(shù) 傳統(tǒng)的分立母排寄生電感量過大，在功率開關(guān)關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓與直流回路電壓疊加，對(duì)功率開關(guān)和電動(dòng)機(jī)絕緣構(gòu)成威脅。分布電感量越大，負(fù)載電流越大，功率開關(guān)的電流下降時(shí)間越短，這種危害就越嚴(yán)重。這種危害不會(huì)因?yàn)楣β书_關(guān)器的選擇而消失。為了消除這種危害，人們便研究出了疊層母排技術(shù)。 疊層母排由扁平銅導(dǎo)體，涂有薄粘膠的絕緣箔構(gòu)成，銅導(dǎo)體與絕緣箔交替疊層排列，裸露邊緣用絕緣介質(zhì)密封。該疊層母排具有固有電容，低電感，低阻抗，降低瞬態(tài)壓降，抑制震蕩，減少地電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，疊層母排憑借其眾多優(yōu)點(diǎn)將會(huì)被越來越多的生產(chǎn)廠家所有應(yīng)用。 5 全功率變流器試驗(yàn) 5.1 全功率變流器試驗(yàn)與波形 圖5-1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖 試驗(yàn)對(duì)象： 1.5MW全功率變流器系統(tǒng)（不控整流橋、斬波器、并網(wǎng)逆變器） 輸入電壓： 整流器側(cè)電源三相380V，逆變器側(cè)電源三相690V 試驗(yàn)負(fù)載： 能量互饋運(yùn)行 試驗(yàn)方法： 如圖5-1所示，閉合配電柜1、2和3，閉合主斷路器，三相380V電壓接到不控整流橋的輸入端，三相690V電壓接到并網(wǎng)逆變器的輸出端，然后控制箱啟動(dòng)工作，給三重?cái)夭ㄆ骱蛢芍啬孀兤靼l(fā)工作脈沖；用操作器給定斬波器的工作電流，觀測(cè)三重?cái)夭ㄆ麟娏?、中間直流電壓、交流電流等波形是否正常。 試驗(yàn)結(jié)果：用操作器給定整流狀態(tài)交流電流峰值為450A（半載）、900A（滿載）時(shí)，中間直流電壓、交流電流的波形分別如圖5-3、圖5-4所示。隨著功率增加，電流波形質(zhì)量越來越好。操作器給定整流狀態(tài)交流電流峰值為900A時(shí)，總功率達(dá)到1499kW。
圖5-2 指令電流450A
圖5-3 指令電流900A 其中： 通道1—1/2中間直流電壓VDC+（100V/div） 通道2—690V側(cè)B相電網(wǎng)電壓（200V/div） 通道3—并網(wǎng)逆變器1電感電流（500A/div） 通道4—并網(wǎng)逆變器2電感電流（500A/div） 5.2 1.5MW全功率變流器溫升試驗(yàn) 環(huán)境溫度：20℃。 測(cè)試條件：網(wǎng)側(cè)實(shí)際電壓680V，電流指令值900A（峰值），有效值636A，兩臺(tái)并網(wǎng)變流器功率和1493kW（滿載）。滿載運(yùn)行總共60分鐘。 表5-1為功率單元電容，銅排，快熔，IGBT，水冷裝置入水口，水冷裝置換熱器表面溫度，由表可見，滿載運(yùn)行60分鐘后，各器件溫升均很小。 表5-1 滿載運(yùn)行60分鐘各元器件溫度
5.3 1.5MW全功率風(fēng)電變流器樣機(jī)試驗(yàn)照片
圖5-4 1.5MW全功率風(fēng)電變流器
圖5-5 1.5MW全功率風(fēng)電變流器控制箱 6 結(jié)論 本文針對(duì)全功率風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)生產(chǎn)出1.5MW全功率風(fēng)電變流器。該變流器采用“二級(jí)管不控整流+升壓斬波+PWM逆變”的結(jié)構(gòu)將變壓變頻的交流電轉(zhuǎn)化為符合并網(wǎng)要求的交流電，完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)。對(duì)1.5MW全功率風(fēng)力發(fā)電變流器進(jìn)行了全面試驗(yàn)，得出效率（斬波器+并網(wǎng)逆變器）﹥97%，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)﹥0.99，其他各項(xiàng)指標(biāo)也符合設(shè)計(jì)要求。功率器件采用水冷散熱，效果很好，為將來更大功率做好基礎(chǔ)。
作者簡(jiǎn)介：周維來，男，高級(jí)工程師，研發(fā)經(jīng)理，主要從事大功率風(fēng)力發(fā)電變流器研究及推廣。 |
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