MW級大功率風電機組變流器系統(tǒng)的研究

李學哲 黃成玉 張全柱 鄧永紅

（華北科技學院信息與控制技術(shù)研究所，河北 三河 101601）

MW級大功率風電機組變流器系統(tǒng)的研究

李學哲 黃成玉 張全柱 鄧永紅

（華北科技學院信息與控制技術(shù)研究所，河北 三河 101601）

本文分析研究了風電系統(tǒng)中常用的三種大功率變流器的拓撲結(jié)構(gòu)，提出了一種基于變頻器并聯(lián)擴容技術(shù)的大功率風力發(fā)電變流器系統(tǒng)，系統(tǒng)以DSPIC30F6010A單片微機為控制核心，利用其內(nèi)部集成的串行CAN接口，實現(xiàn)模塊之間的同步控制。重點介紹了系統(tǒng)的原理及實現(xiàn)方案，給出了關(guān)鍵電路原理和實驗波形。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)很好地解決了MW級大功率風力發(fā)電機組的控制問題，有效的保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

并聯(lián)擴容；風力發(fā)電；變頻器；CAN總線

1 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源問題日益嚴重。風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到各國的重視，已經(jīng)成為各國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分[1]。目前，各國的風電技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，但仍有亟待完善的地方，尤其是針對MW級大功率風電機組的變流器系統(tǒng)問題更是突出。風電現(xiàn)場迫切需要研制出一種穩(wěn)定、可靠的MW級大功率風電機組控制方案。本系統(tǒng)是基于這樣的實際應用背景和需求而進行立項開發(fā)的，采用先進的 CAN總線技術(shù)和并聯(lián)擴容技術(shù)，很好的解決了大功率風電機組控制問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 風電系統(tǒng)大功率變流器拓撲結(jié)構(gòu)的比較

2.1 基本型變流器拓撲結(jié)構(gòu)

大功率是指功率等級在數(shù)百千瓦以上，實現(xiàn)大功率變換的有效途徑是高電壓或大電流。基本型變流器是通過提高 IGBT等功率器件的耐壓和容量來提高風電系統(tǒng)的功率等級。這種方案電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，但缺點是對器件的技術(shù)指標和制造水平依賴較大，功率提高的水平也是有限的，而且更重要的是，由于各器件均工作在極限參數(shù)下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性也大打折扣。圖1為采用基本型結(jié)構(gòu)的變流器主電路。隨著功率器件的制造工藝和技術(shù)水平的提高，其功率等級也不斷提高。

圖1 基本型變流器結(jié)構(gòu)

2.2 器件串并聯(lián)型大功率變流器拓撲結(jié)構(gòu)

圖2是采用IGBT直接串聯(lián)方式的高壓變頻器[2]，由圖可以看出：該系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進入變頻器，經(jīng)過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再經(jīng)逆變器逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現(xiàn)高壓變頻輸出，可供給高壓電動機或接變壓器耦合入電網(wǎng)。

圖2 器件串聯(lián)式變流器拓撲結(jié)構(gòu)

圖3是采用器件并聯(lián)方式的風電機組變流器拓撲結(jié)構(gòu)圖，該電路實質(zhì)為交直交功率變換系統(tǒng)，發(fā)電機輸出的幅值和頻率變化交流電通過整流和斬波升壓，調(diào)整成DC1200V，再通過逆變單元和變壓器輸出電壓頻率和幅值及相位與電網(wǎng)一致的交流電源電壓。為了增大系統(tǒng)容量，主電路功率器件均采用并聯(lián)技術(shù)。

圖3 器件并聯(lián)式變流器拓撲結(jié)構(gòu)

采用器件串并聯(lián)方式提高變流器的功率，具有拓撲結(jié)構(gòu)簡單，功率器件個數(shù)少等優(yōu)點。但器件串聯(lián)會帶來分壓不均問題， 器件并聯(lián)會帶來器件的均流問題，因而對驅(qū)動電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯(lián)器件同時導通和關(guān)斷，否則由于各器件開斷時間不一，承受電壓不均或分流不均，會導致器件損壞甚至整個逆變器崩潰。

2.3 多電平大功率變流器

多電平變頻器本質(zhì)依賴于內(nèi)部多電平逆變器的“多電平逆變”功能，相對于傳統(tǒng)的兩電平變頻器，其主要優(yōu)點在于：單個器件承受的電壓應力小，更容易實現(xiàn)高壓大功率；在相同開關(guān)頻率下，輸出波形更接近正弦波，諧波含量更低；同時還大大減輕了電磁干擾（EMI）問題。

圖4為采用飛跨電容型四電平拓撲結(jié)構(gòu)圖[3]。分析圖4可知，該拓撲在功率器件串聯(lián)的基礎(chǔ)上，引入了電容進行箝位，保證了電壓的安全分配。其主要特點為：①通過整體單元裝置的串并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)以滿足不同的電壓等級(如3.3kV，4.16kV，6.6kV，10kV)的需要；②可使系統(tǒng)普遍采用直流母線方案，以實現(xiàn)多臺高壓變頻器之間能量的互相交換；③這種結(jié)構(gòu)沒有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各級功率器件上的眾多分壓分流裝置，消除了系統(tǒng)中可靠性低的因素，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單可靠，易于維護；④輸出波形非常接近正弦波。缺點是需要的電容器多、控制技術(shù)復雜、且需要額外的電容預充電電路。

圖4 四電平高壓變頻器拓撲結(jié)構(gòu)圖

3 變頻器并聯(lián)型大功率變流器及其實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)技術(shù)方案及特點

前面介紹了三種大功率變流器的拓撲結(jié)構(gòu)，各有優(yōu)缺點。變頻器并聯(lián)擴容技術(shù)很好的克服了上面三種方案的不足。設(shè)計標準功率變流器，當單個變流器功率不能滿足風電機組功率要求時，通過變流器并聯(lián)，提高功率。這樣既能靈活的滿足風電機組的各種功率等級，又能使各個分變流器工作在額定狀態(tài)下，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖5為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)由一個操作器和兩個并聯(lián)的變流器組成。系統(tǒng)各個對象之間采用CAN總線方式進行通信。操作器（人機接口）控制各變流單元的啟停和參數(shù)修改；變流器負責機側(cè)整流與網(wǎng)側(cè)逆變。機側(cè)整流原理，變流器根據(jù)檢測的電網(wǎng)電流、直流母線電壓等生成驅(qū)動脈沖，驅(qū)動IGBT，實現(xiàn)機側(cè)整流，同時把各參數(shù)值發(fā)送至現(xiàn)場總線；網(wǎng)側(cè)逆變原理，變流器采樣三相輸入電壓，得到網(wǎng)側(cè)電壓矢量角，實現(xiàn)逆變與并網(wǎng)控制。

本系統(tǒng)單個變流器設(shè)計功率為500kW，直流母線電壓設(shè)計為1200VDC，主電路IGBT采用英飛凌（infineon）公司的高壓模塊FZ1500R33HL3，該模塊由于采用了并聯(lián)擴容技術(shù)，模塊的功率得到了極大的增強，VCES最高可達 3300V，最大工作電流可達 1500A。變頻器控制系統(tǒng)是以高速、高性能、耐高溫單片微機DSPIC30F6010A CPU為核心而構(gòu)成的全數(shù)字化電路。該單片機運算速度快，運算功能強；接口資源豐富，具有多路A/D采樣，多路的I/O接口，集成CAN接口，控制功能強；內(nèi)置多路波形發(fā)生器，非常適合于電機傳動控制，可以產(chǎn)生多種形式的SPWM或PWM波，應用非常方便；電磁兼容性能好，該單片微機具有較好的抗電磁干擾性能設(shè)計。

系統(tǒng)特點：①采用高頻開關(guān)技術(shù)及復雜的生產(chǎn)技術(shù)和高質(zhì)量的電子元器件，結(jié)構(gòu)緊密、重量輕、效率高；②多個逆變單元并聯(lián)，提高了電流等級，從而提高了逆變器的功率，且易于實現(xiàn)多級冗余并聯(lián)，提高整體運行的穩(wěn)定性。并可給線性與非線性負載供電；③所有的監(jiān)測與控制單元通過CAN總線集成在一起，實現(xiàn)各模塊的同步協(xié)調(diào)與控制。然而，多個逆變器單元并聯(lián)運行，增加了控制的難度，且還可能引起環(huán)流問題。

3.2 變頻器主電路設(shè)計

圖6 變頻器主電路原理圖

變頻器主電路包括網(wǎng)側(cè)變流器(NPR)和機側(cè)變流器（MPR）[4]，原理圖如圖6所示。NPR和MPR分別由6個功率開關(guān)組成。在逆變器直流母線上用0.1μF/3300V的高頻無感電容作為 Snubber吸收電容，以吸收高頻尖峰電壓，以保護IGBT器件。MPR在控制電路的驅(qū)動脈沖作用下，實現(xiàn)機側(cè)整流，輸出直流1200V。NPR在控制電路的驅(qū)動脈沖作用下，實現(xiàn)逆變與并網(wǎng)控制。

3.3 變頻器驅(qū)動電路設(shè)計

變流器驅(qū)動電路采用2SD315AI-33為核心模塊設(shè)計。2SD315AI-33模塊是瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的 SCALE系列驅(qū)動器之一，是驅(qū)動和保護大功率 IGBT的專用集成驅(qū)動模塊，該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，能同時驅(qū)動兩個 IGBT模塊，電氣隔離可達到6000VAC。具有準確可靠的驅(qū)動功能與靈活可調(diào)的過流保護功能，同時可對電源電壓進行欠壓檢測。驅(qū)動電路主要將主控電路產(chǎn)生的 12路SPWM信號隔離、調(diào)整，以驅(qū)動IGBT管子通斷，實現(xiàn)變流控制。

3.4 變頻器控制電路設(shè)計

控制電路是整個變流器系統(tǒng)的核心，負責電壓、電流、故障等信號的檢測，SPWM波產(chǎn)生與輸出，CAN接口實現(xiàn)與操作器的通信及各模塊之間的同步控制等。控制電路及其核心軟件是變流器各項功能指標的重要保證。變流器控制電路按功能可以分為如下模塊：CPU模塊、信號檢測模塊、SPWM輸出模塊和CAN通信模塊。控制電路框圖如圖7所示。變流器控制系統(tǒng)是以高速、高性能、耐高溫單片微機DSPIC30F6010A CPU為核心而構(gòu)成的全數(shù)字化電路，實現(xiàn)高速、可靠的系統(tǒng)控制。

圖7 控制電路結(jié)構(gòu)框圖

風電系統(tǒng)對電磁兼容特性有較高的要求，要求系統(tǒng)具有極強的抗干擾能力，工作性能穩(wěn)定。傳統(tǒng)的導線式信號傳輸方式不能滿足這種要求，信號在傳輸過程中極易引入電磁干擾，造成電路誤動作，甚至 IGBT炸管子。為了解決這一問題，系統(tǒng)對重要信號的傳輸應采用光纖方案設(shè)計，利用光纖傳導信號，大大降低了傳輸過程中的電磁干擾，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。光纖系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8 光纖系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)實驗結(jié)果

針對設(shè)計的變流器系統(tǒng)，進行了輕負載調(diào)試試驗(2A)。實驗室模擬 DC1200V輸入，逆變器 U相輸出電壓波形如圖9所示。用鉗形電流表監(jiān)測逆變器輸出電流分別為 0.9A（變流器 1）和 0.85A（變流器2）。實驗結(jié)果表明，信號在傳輸過程中沒有丟失，一致性非常好，較好地實現(xiàn)了變流器并聯(lián)輸出同步和負載均分，達到了預期的效果。

圖9 變流器1(上)與變流器2(下)并聯(lián)輸出電壓

5 結(jié)論

本文提出的基于變頻器并聯(lián)的大功率風力發(fā)電變流器系統(tǒng)，集微型計算機控制技術(shù)、風電轉(zhuǎn)換技術(shù)、現(xiàn)代光纖技術(shù)于一體，實現(xiàn)了變流器并聯(lián)時電壓和電流輸出同步，較好地解決了MW級風電變流器并聯(lián)控制中的環(huán)流問題。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡潔、擴容方便、可靠性高的優(yōu)點。

[1] 楊俊華.現(xiàn)代控制技術(shù)在風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應用[J].北京:太陽能學報,2004(4):64-69.

[2] 徐甫榮.中高壓變頻器主電路拓撲結(jié)構(gòu)的分析比較[J].電氣傳動自動化,2003,25(4):5-12.

[3] 李永東等. 大容量多電平變換器-原理控制應用[M].北京:科學出版社,2005.10.

[4] 陳伯時.矩陣式交-交變換器及其控制[J].北京:電力電子技術(shù),1999(1):10-54.

The Research of MW Level High-power WTG Converter System

Li Xuezhe Huang Chengyu Zhang Quanzhu Deng Yonghong
(North China Institute of Science and Technology, Sanhe, Hebei 101601)

In the paper, we study the wind power system in common use of three kinds of high power converter topology, and a kind of high-power wind-driven generator converter system based on parallel expansion technology is introduced, which has a control core of DSPIC30F6010A single-chip computer and uses its internal integrating serial CAN interface to realize synchronization between modules. the paper also introduces the principle and implementation of system project and give the key circuit principle and experimental waveform. Experimental results show that the system solves the problem of MW level high-power WTG control, guarantee the stable operation of the system.

parallel expansion；wind power；converter system；CAN bus

李學哲（1976-），男，吉林通化市人，工學碩士，現(xiàn)任華北科技學院機電系教師，講師。研究方向：傳感器測控，光機電一體化技術(shù)。黃成玉（1977-），男，內(nèi)蒙古通遼人，碩士，講師，華北科技學院信息與控制技術(shù)研究所，研究方向：電子信息技術(shù)，微型計算機測控技術(shù)等。

張全柱（1965-），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布市人，工學博士后，現(xiàn)任華北科技學院信息與控制技術(shù)研究所，教授，碩士研究生導師。研究方向：電力電子與電能變換，電氣傳動，微型計算機控制技術(shù)等。鄧永紅（1975-），男，湖南漣源市人，工學碩士，現(xiàn)任華北科技學院信息與控制技術(shù)研究所，工程師。研究方向：電力電子與電能變換，微型計算機控制技術(shù)等。