MW級直驅(qū)式風(fēng)電全功率變流器系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

張 懿， 顧 凱， 魏海峰

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著大容量風(fēng)電機組的快速發(fā)展，作為與之的配套設(shè)備，大功率變流器已成為今后的發(fā)展趨勢。2012年，國內(nèi)陸上主流風(fēng)電機組單機容量由1.5MW逐步邁向2MW和2.5MW。目前，3MW級風(fēng)電機組已有小批量生產(chǎn)，緊跟國外技術(shù)發(fā)展水平開發(fā)的5MW和6MW風(fēng)電機組也已投入運行[1]。

主流變流器有雙饋式變流器和全功率變流器兩種。雖然雙饋型風(fēng)力變流器應(yīng)用較早，但是雙饋型機組中常用的控制方法依賴于電機本身的參數(shù)，需要詳盡準(zhǔn)確的電機模型，變流器電路存在的非線性也會向電網(wǎng)注入諧波電流。而且雙饋型變流器對電網(wǎng)電壓和頻率的波動比較敏感。在電網(wǎng)跌落和不對稱時，需要特殊算法來實現(xiàn)，否則電流沖擊和畸變均很嚴(yán)重，也會對電機產(chǎn)生危害。全功率變流器相對于雙饋式變流器的優(yōu)點在于將發(fā)電機和電網(wǎng)完全隔離，電機調(diào)速范圍更寬，從而能實現(xiàn)更大范圍的最大功率點跟蹤運行。另外，在電網(wǎng)異常和故障狀態(tài)下，變流器的兼容運行能力更強，比如電網(wǎng)跌落和不對稱時，由于電機和電網(wǎng)隔離，還可以運行在對稱狀態(tài)。MW級風(fēng)電機組以直驅(qū)型風(fēng)電機組為主，由于直驅(qū)型風(fēng)電機組的配套采用，MW級全功率變流器的份額也在加大[2-3]?，F(xiàn)在風(fēng)電裝機比重大的國家，全功率變流器已經(jīng)有取代雙饋變流器的趨勢。但是變流器的容量的增大，對變流器的控制、電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計有了更高的要求[4-7]。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了MW級直驅(qū)式風(fēng)電全功率變流器系統(tǒng)，闡述了全功率變流器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件拓?fù)浼败浖鞒?，分析了系統(tǒng)的技術(shù)特點，并通過試驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)設(shè)計的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計全功率變流器采用背靠背雙PWM控制方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器作為風(fēng)力發(fā)電機組的功率變換單元，通過直流側(cè)連接，其硬件結(jié)構(gòu)基本一致。圖1中，與發(fā)電機相連的變流器為機側(cè)變流器，其主要作用是調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速進行機組最大風(fēng)能跟蹤的控制，實現(xiàn)永磁同步發(fā)電機(Permanet Magnet Synchro-nous Generator， PMSG)單位功率因數(shù)輸出。與電網(wǎng)相連的變流器為網(wǎng)側(cè)變流器，主要作用是實現(xiàn)有功、無功的解耦，控制直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，最終實現(xiàn)輸出順利并網(wǎng)。

該變流器系統(tǒng)還包含了進線電抗器、出線電抗器、制動單元和勵磁模塊。進線電抗器作用是降低發(fā)電機側(cè)的電壓尖峰，避免發(fā)電機過壓，損壞電機。出線電抗器作用在于降低電網(wǎng)側(cè)的低次諧波，滿足電網(wǎng)的要求。并聯(lián)在中間直流環(huán)節(jié)的制動單元，其作用是在電網(wǎng)發(fā)生穿越時保護直流單元正常工作，避免發(fā)電機轉(zhuǎn)矩隨著電網(wǎng)的波動而振動。在機側(cè)變流器和發(fā)電機斷路器之間還并聯(lián)了一個預(yù)充電單元，通過預(yù)充電單元把直流母線電壓沖到額定值，之后網(wǎng)側(cè)變流器起動并與電網(wǎng)同步，這就保證閉合網(wǎng)側(cè)斷路器的時候，沒有沖擊電流，實現(xiàn)軟起動。該變流器采用水冷卻方式，由水/空氣熱交換器和閉環(huán)冷卻回路組成。冗余冷卻泵可以自動切換，確保無故障運行，延長零部件使用壽命。在起動與運行中，集成的熱交換器旁通閥將冷卻水溫維持在設(shè)計要求范圍內(nèi)。

2 硬件設(shè)計

2.1 主電路設(shè)計

雙PWM型變換電路具有能量雙向流動、恒定直流電壓控制、低諧波輸入電流、功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點，非常適用于風(fēng)力發(fā)電變流電路。本文采用的功率模塊并聯(lián)的方式實現(xiàn)其與風(fēng)機容量的匹配，該結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點在于多組模塊并聯(lián)在一起，擁有共同的直流母線，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性，容易實現(xiàn)系統(tǒng)集成化，能夠大大減小控制系統(tǒng)的體積。兩個模塊可分開控制，也可共用一個控制電路，由于兩個模塊的交流輸入、直流輸出等均相同，只要輸入濾波電感的參數(shù)相同，就可使兩個PWM電路均分負(fù)荷[8]。根據(jù)變流器容量的要求，主電路采用了兩個模塊并聯(lián)的方式，制動單元和勵磁模塊連接在直流側(cè)，發(fā)電機側(cè)和網(wǎng)側(cè)接有電壓測量模塊。

2.2 控制板電路設(shè)計

由于系統(tǒng)已采用雙PWM結(jié)構(gòu)，為提高設(shè)備的通用性及靈活性，機側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器的DSP控制板電路采用相同的硬件結(jié)構(gòu)?？刂瓢咫娐分饕菍θ蹼娍刂菩盘柕奶幚?，可分為DSP芯片電路、電源轉(zhuǎn)換電路、信號采樣、調(diào)節(jié)電路和IGBT驅(qū)動、保護電路等部分。

(1) DSP芯片電路。

DSP芯片所需的外圍輔助電路包括進一步轉(zhuǎn)換工作電源的電路、邏輯控制信號的處理電路、保護電路、PWM脈沖信號的一級放大電路、時鐘/復(fù)位電路、以太網(wǎng)及CAN通信電路、DA輸出轉(zhuǎn)化電路、JTAG仿真接口和外部擴展RAM電路等[9]。

(2) 信號采樣、調(diào)節(jié)電路。

采樣電路將采集的信號轉(zhuǎn)換成0～3V的電壓信號，以滿足DSP的AD口輸入電壓的需要。該控制系統(tǒng)需采集的信號有機側(cè)電壓、機側(cè)電流、網(wǎng)側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流和直流母線電壓等。采集的強電信號和電流傳感器采集輸出的電流信號，都需要在采樣電路上將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號。而采集信號無論是電流信號或是電壓信號經(jīng)采樣調(diào)理后，均為交流量，其幅值有正有負(fù)，為能滿足DSP的A/D口對輸入信號的要求，還需進行分壓與提升，將采樣調(diào)理后的-3～3V分壓成-1.5～1.5V，再提升至 0～3V。

(3) 電源轉(zhuǎn)換電路。

控制板需要的直流電有±24V、±15V、±5V等。電源轉(zhuǎn)換電路的作用是為整個DSP控制電路提供工作電源。此外，還需要更低的工作電壓，將在DSP芯片電路中單獨轉(zhuǎn)換。

(4) IGBT驅(qū)動、保護電路。

逆變電路主開關(guān)元件采用1000A/1700V的IGBT。由于其所需要的瞬時驅(qū)動電流很大，且該系統(tǒng)的性能要求相當(dāng)高，經(jīng)研究選用2SD315AI-17作為IGBT的驅(qū)動器件。該芯片內(nèi)部集成了短路與過流保護電路、欠壓監(jiān)測電路。芯片的驅(qū)動電壓為15V，PWM脈沖信號在經(jīng)過DSP芯片電路的一級放大后，還需進行二級隔離放大。驅(qū)動芯片的故障信號可回饋給DSP，故障清除后，通過DSP的復(fù)位信號復(fù)位。為防止IGBT上下橋臂直通，設(shè)置了硬件死區(qū)保護[8-9]。

3 軟件流程

軟件以DSP TMS320F2812為核心實現(xiàn)對變流器運行的控制，包括數(shù)據(jù)采集、坐標(biāo)變換、有功功率和無功功率計算、整流和逆變驅(qū)動電路的控制、EEPROM讀數(shù)、電源切換等控制任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)由主程序和3個中斷程序組成。主程序在DSP復(fù)位后，對變量、調(diào)節(jié)器參數(shù)及各個模塊進行初始化，包括系統(tǒng)時鐘設(shè)定、中斷使能、中斷向量表的載入、PWM脈沖輸出I/O電平設(shè)置、A/D轉(zhuǎn)換工作模式及采樣通道的設(shè)置等，用一些簡單的參數(shù)修改即可，用于等待中斷、響應(yīng)中斷的循環(huán)過程。3個中斷子程序中，以A/D中斷的優(yōu)先級最高，可保證數(shù)據(jù)的有效性，提高系統(tǒng)的控制性能。A/D中斷程序，主要負(fù)責(zé)對外部電流、電壓等信號的采集。PWM主中斷程序是控制系統(tǒng)的核心部分，其中包括A/D采樣數(shù)據(jù)的處理、坐標(biāo)變換、調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)及其空間矢量算法的實現(xiàn)等關(guān)鍵的控制部分。1ms定時中斷子程序的優(yōu)先級最低，用作管理程序的定時控制。例如： 運行狀態(tài)的控制、故障檢測和端子指令的處理等[10，11]。系統(tǒng)主程序流程圖、中斷子程序流程圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 主程序流程圖

圖3 中斷子程序流程圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 技術(shù)特點

該直驅(qū)式全功率變流器系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點。

(1) 變流器緊湊度高。電壓限制單元、充電單元、水冷單元都集成在柜內(nèi)；容量可調(diào)范圍較大。

(2) 雙PWM控制，四象限運行，在低風(fēng)速下仍可保持較高的能量轉(zhuǎn)換效率。

(3) 自適應(yīng)無速度傳感器矢量控制方法，能精確檢測發(fā)電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)磁場定向，提高發(fā)電效率。

(4) 軟起動功能。自動起動變流器預(yù)充電、變壓器預(yù)磁化及零電流電網(wǎng)同步，實現(xiàn)無沖擊并網(wǎng)，滿足電網(wǎng)規(guī)范要求。

(5) 有功和無功全控功能。即使在電網(wǎng)不穩(wěn)定時，通過有功和無功的動態(tài)調(diào)節(jié)也可以最佳地穩(wěn)定電壓與頻率。

(6) 低電壓穿越能力。電網(wǎng)出現(xiàn)重大擾動時，通過起動制動單元，把產(chǎn)生的能量消耗在并聯(lián)的電阻上，確保風(fēng)力發(fā)電機組不脫網(wǎng)；當(dāng)故障解除時，風(fēng)力發(fā)電機組可以滿足相關(guān)電網(wǎng)規(guī)范，平滑并網(wǎng)。全功率變流器可以實現(xiàn)發(fā)電機和電網(wǎng)的完全解耦，減小發(fā)電機期間的壓力。

4.2 試驗結(jié)果

試驗樣機的機側(cè)、網(wǎng)側(cè)技術(shù)參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 機側(cè)參數(shù)

表2 網(wǎng)側(cè)參數(shù)

所設(shè)計樣機的試驗波形如圖4～圖8所示，波形縱坐標(biāo)皆為標(biāo)幺值表示。各參數(shù)標(biāo)幺值的基值如表3所示。

表3 各參數(shù)標(biāo)幺值的基值

直流側(cè)電壓如圖4所示。從圖中可以看出直流側(cè)電壓基本穩(wěn)定在1000V，波動較小，相對誤差約為2%，表明網(wǎng)側(cè)變流器可實現(xiàn)維持直流母線電壓穩(wěn)定的功能。

圖4 直流側(cè)電壓

圖5 網(wǎng)側(cè)三相輸出電流

網(wǎng)側(cè)輸出電流1732A時的波形如圖5所示。由圖5可知，電流波形平滑，三相電流均衡，波形接近正弦波，電流幅值、相序和頻率都滿足設(shè)計要求。

由于機側(cè)變流器在風(fēng)場應(yīng)用時的頻率范圍為5～11Hz，本文測取了11Hz時的機側(cè)線電壓波形如圖6所示。由圖6可知，機側(cè)電壓波形在幅值、相序和頻率上有較好的均衡度，能達(dá)到設(shè)計要求，但是波形波峰處存在一定的諧波分量，有待進一步改進。

圖6 機側(cè)AB、BC線電壓(11Hz)

網(wǎng)側(cè)變流器在風(fēng)場實際應(yīng)用時的頻率為50Hz。50Hz的網(wǎng)側(cè)額定電壓波形如圖7所示。由圖7知，波形的相序和頻率均達(dá)到設(shè)計要求，電壓幅值波動范圍在±10%以內(nèi)，波形平滑，正弦度較好，電壓均衡。

圖7 網(wǎng)側(cè)AB、BC線電壓(50Hz)

制動電阻放電波形如圖8所示。考查制動電阻放電波形主要為驗證變流器卸荷電路在直流側(cè)電壓異常時的保護功能。由圖8可看出，卸荷電路能夠在0.9s內(nèi)快速放電，可實現(xiàn)對系統(tǒng)的有效保護。

圖8 制動單元放電

5 結(jié) 語

當(dāng)前，國產(chǎn)大功率風(fēng)電變流器技術(shù)已有了飛速發(fā)展，但與國外先進水平相比，在標(biāo)準(zhǔn)化、智能化和功能完備化方面，仍有一定的差距。進一步深入研究大容量風(fēng)電變流器的特有問題與關(guān)鍵技術(shù)，推進國產(chǎn)大功率變流器的研發(fā)，對于促進我國風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

本文設(shè)計的MW級直驅(qū)式全功率變流系統(tǒng)，各項功能均已通過型式測試，現(xiàn)已投入實際生產(chǎn)并已裝機運行，有力地提升了國產(chǎn)風(fēng)電變流器行業(yè)的技術(shù)水平。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 馮奇，魏笑談.2009年中國風(fēng)電變流器市場概況[J].變頻器世界,2009(11)： 40- 42.

[2] 賈宏新，梅柏杉，劉海華.兆瓦級雙饋風(fēng)力發(fā)電機混合繞組諧波分析[J].大電機技術(shù),2010(5)： 22-25.

[3] 徐鋒，王輝，楊韜儀.兆瓦級永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組變流技術(shù)[J].電力自動化設(shè)備,2007,27(7)： 57-61.

[4] 陳景文.兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組電控系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣傳動, 2010,40(2)： 49-51.

[5] 楊捷，金新民，吳學(xué)智，等.兆瓦級全功率風(fēng)電并網(wǎng)變流器功率組件設(shè)計[J].電力自動化設(shè)備, 2013,33(10)： 21-26.

[6] 藺紅，晁勤.并網(wǎng)型直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)特性仿真分析[J].電力自動化設(shè)備,2010,30(11)： 1-5.

[7] LI H， CHEN Z． Overview of different wind generator systems and their comparisons[J].IET Renewable Power Generation， 2008， 2(2)： 123-138.

[8] 李建林，胡書舉，付勛波，等.大功率直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對比分析[J]．電力自動化設(shè)備,2008,28(7)： 73-76.

[9] 林波.直驅(qū)式風(fēng)電機組變流控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].長沙: 湖南大學(xué),2009.

[10] 趙燕峰，曹國榮.風(fēng)電變流器中IGBT的可靠性研究[J].電力電子技術(shù),2011,45(8)： 104-105.

[11] 張軍，卞清.基于IGBT的逆變器驅(qū)動電路設(shè)計[J]．自動化技術(shù)與應(yīng)用,2011,30(3)： 103-105.