MW級(jí)大功率風(fēng)電機(jī)組變流器系統(tǒng)的研究

李學(xué)哲 黃成玉 張全柱 鄧永紅

（華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所，河北 三河 101601）

MW級(jí)大功率風(fēng)電機(jī)組變流器系統(tǒng)的研究

李學(xué)哲 黃成玉 張全柱 鄧永紅

（華北科技學(xué)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(fēng)電系統(tǒng)中常用的三種大功率變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種基于變頻器并聯(lián)擴(kuò)容技術(shù)的大功率風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)，系統(tǒng)以DSPIC30F6010A單片微機(jī)為控制核心，利用其內(nèi)部集成的串行CAN接口，實(shí)現(xiàn)模塊之間的同步控制。重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)方案，給出了關(guān)鍵電路原理和實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)很好地解決了MW級(jí)大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制問(wèn)題，有效的保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

并聯(lián)擴(kuò)容；風(fēng)力發(fā)電；變頻器；CAN總線

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問(wèn)題日益嚴(yán)重。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到各國(guó)的重視，已經(jīng)成為各國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分[1]。目前，各國(guó)的風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但仍有亟待完善的地方，尤其是針對(duì)MW級(jí)大功率風(fēng)電機(jī)組的變流器系統(tǒng)問(wèn)題更是突出。風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)迫切需要研制出一種穩(wěn)定、可靠的MW級(jí)大功率風(fēng)電機(jī)組控制方案。本系統(tǒng)是基于這樣的實(shí)際應(yīng)用背景和需求而進(jìn)行立項(xiàng)開(kāi)發(fā)的，采用先進(jìn)的 CAN總線技術(shù)和并聯(lián)擴(kuò)容技術(shù)，很好的解決了大功率風(fēng)電機(jī)組控制問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 風(fēng)電系統(tǒng)大功率變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較

2.1 基本型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

大功率是指功率等級(jí)在數(shù)百千瓦以上，實(shí)現(xiàn)大功率變換的有效途徑是高電壓或大電流?；拘妥兞髌魇峭ㄟ^(guò)提高 IGBT等功率器件的耐壓和容量來(lái)提高風(fēng)電系統(tǒng)的功率等級(jí)。這種方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是對(duì)器件的技術(shù)指標(biāo)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(jí)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?fù)浣Y(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(jìn)入變頻器，經(jīng)過(guò)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(jiǎn)單易行地實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出，可供給高壓電動(dòng)機(jī)或接變壓器耦合入電網(wǎng)。

圖2 器件串聯(lián)式變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3是采用器件并聯(lián)方式的風(fēng)電機(jī)組變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，該電路實(shí)質(zhì)為交直交功率變換系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)輸出的幅值和頻率變化交流電通過(guò)整流和斬波升壓，調(diào)整成DC1200V，再通過(guò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用器件串并聯(lián)方式提高變流器的功率，具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率器件個(gè)數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。但器件串聯(lián)會(huì)帶來(lái)分壓不均問(wèn)題， 器件并聯(lián)會(huì)帶來(lái)器件的均流問(wèn)題，因而對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯(lián)器件同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，否則由于各器件開(kāi)斷時(shí)間不一，承受電壓不均或分流不均，會(huì)導(dǎo)致器件損壞甚至整個(gè)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(duì)于傳統(tǒng)的兩電平變頻器，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：?jiǎn)蝹€(gè)器件承受的電壓應(yīng)力小，更容易實(shí)現(xiàn)高壓大功率；在相同開(kāi)關(guān)頻率下，輸出波形更接近正弦波，諧波含量更低；同時(shí)還大大減輕了電磁干擾（EMI）問(wèn)題。

圖4為采用飛跨電容型四電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖[3]。分析圖4可知，該拓?fù)湓诠β势骷?lián)的基礎(chǔ)上，引入了電容進(jìn)行箝位，保證了電壓的安全分配。其主要特點(diǎn)為：①通過(guò)整體單元裝置的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以滿足不同的電壓等級(jí)(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(shí)現(xiàn)多臺(tái)高壓變頻器之間能量的互相交換；③這種結(jié)構(gòu)沒(méi)有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各級(jí)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(jiǎn)單可靠，易于維護(hù)；④輸出波形非常接近正弦波。缺點(diǎn)是需要的電容器多、控制技術(shù)復(fù)雜、且需要額外的電容預(yù)充電電路。

圖4 四電平高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 變頻器并聯(lián)型大功率變流器及其實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)技術(shù)方案及特點(diǎn)

前面介紹了三種大功率變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各有優(yōu)缺點(diǎn)。變頻器并聯(lián)擴(kuò)容技術(shù)很好的克服了上面三種方案的不足。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)功率變流器，當(dāng)單個(gè)變流器功率不能滿足風(fēng)電機(jī)組功率要求時(shí)，通過(guò)變流器并聯(lián)，提高功率。這樣既能靈活的滿足風(fēng)電機(jī)組的各種功率等級(jí)，又能使各個(gè)分變流器工作在額定狀態(tài)下，增強(qiáng)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(gè)操作器和兩個(gè)并聯(lián)的變流器組成。系統(tǒng)各個(gè)對(duì)象之間采用CAN總線方式進(jìn)行通信。操作器（人機(jī)接口）控制各變流單元的啟停和參數(shù)修改；變流器負(fù)責(zé)機(jī)側(cè)整流與網(wǎng)側(cè)逆變。機(jī)側(cè)整流原理，變流器根據(jù)檢測(cè)的電網(wǎng)電流、直流母線電壓等生成驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)IGBT，實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)整流，同時(shí)把各參數(shù)值發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)總線；網(wǎng)側(cè)逆變?cè)?，變流器采樣三相輸入電壓，得到網(wǎng)側(cè)電壓矢量角，實(shí)現(xiàn)逆變與并網(wǎng)控制。

本系統(tǒng)單個(gè)變流器設(shè)計(jì)功率為500kW，直流母線電壓設(shè)計(jì)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(kuò)容技術(shù)，模塊的功率得到了極大的增強(qiáng)，VCES最高可達(dá) 3300V，最大工作電流可達(dá) 1500A。變頻器控制系統(tǒng)是以高速、高性能、耐高溫單片微機(jī)DSPIC30F6010A CPU為核心而構(gòu)成的全數(shù)字化電路。該單片機(jī)運(yùn)算速度快，運(yùn)算功能強(qiáng)；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(qiáng)；內(nèi)置多路波形發(fā)生器，非常適合于電機(jī)傳動(dòng)控制，可以產(chǎn)生多種形式的SPWM或PWM波，應(yīng)用非常方便；電磁兼容性能好，該單片微機(jī)具有較好的抗電磁干擾性能設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)特點(diǎn)：①采用高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)及復(fù)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(gè)逆變單元并聯(lián)，提高了電流等級(jí)，從而提高了逆變器的功率，且易于實(shí)現(xiàn)多級(jí)冗余并聯(lián)，提高整體運(yùn)行的穩(wěn)定性。并可給線性與非線性負(fù)載供電；③所有的監(jiān)測(cè)與控制單元通過(guò)CAN總線集成在一起，實(shí)現(xiàn)各模塊的同步協(xié)調(diào)與控制。然而，多個(gè)逆變器單元并聯(lián)運(yùn)行，增加了控制的難度，且還可能引起環(huán)流問(wèn)題。

3.2 變頻器主電路設(shè)計(jì)

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(jī)側(cè)變流器（MPR）[4]，原理圖如圖6所示。NPR和MPR分別由6個(gè)功率開(kāi)關(guān)組成。在逆變器直流母線上用0.1μF/3300V的高頻無(wú)感電容作為 Snubber吸收電容，以吸收高頻尖峰電壓，以保護(hù)IGBT器件。MPR在控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖作用下，實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)整流，輸出直流1200V。NPR在控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖作用下，實(shí)現(xiàn)逆變與并網(wǎng)控制。

3.3 變頻器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

變流器驅(qū)動(dòng)電路采用2SD315AI-33為核心模塊設(shè)計(jì)。2SD315AI-33模塊是瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的 SCALE系列驅(qū)動(dòng)器之一，是驅(qū)動(dòng)和保護(hù)大功率 IGBT的專用集成驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè) IGBT模塊，電氣隔離可達(dá)到6000VAC。具有準(zhǔn)確可靠的驅(qū)動(dòng)功能與靈活可調(diào)的過(guò)流保護(hù)功能，同時(shí)可對(duì)電源電壓進(jìn)行欠壓檢測(cè)。驅(qū)動(dòng)電路主要將主控電路產(chǎn)生的 12路SPWM信號(hào)隔離、調(diào)整，以驅(qū)動(dòng)IGBT管子通斷，實(shí)現(xiàn)變流控制。

3.4 變頻器控制電路設(shè)計(jì)

控制電路是整個(gè)變流器系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)電壓、電流、故障等信號(hào)的檢測(cè)，SPWM波產(chǎn)生與輸出，CAN接口實(shí)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(xiàng)功能指標(biāo)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(hào)檢測(cè)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(jī)DSPIC30F6010A CPU為核心而構(gòu)成的全數(shù)字化電路，實(shí)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(fēng)電系統(tǒng)對(duì)電磁兼容特性有較高的要求，要求系統(tǒng)具有極強(qiáng)的抗干擾能力，工作性能穩(wěn)定。傳統(tǒng)的導(dǎo)線式信號(hào)傳輸方式不能滿足這種要求，信號(hào)在傳輸過(guò)程中極易引入電磁干擾，造成電路誤動(dòng)作，甚至 IGBT炸管子。為了解決這一問(wèn)題，系統(tǒng)對(duì)重要信號(hào)的傳輸應(yīng)采用光纖方案設(shè)計(jì)，利用光纖傳導(dǎo)信號(hào)，大大降低了傳輸過(guò)程中的電磁干擾，增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)設(shè)計(jì)的變流器系統(tǒng)，進(jìn)行了輕負(fù)載調(diào)試試驗(yàn)(2A)。實(shí)驗(yàn)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(cè)逆變器輸出電流分別為 0.9A（變流器 1）和 0.85A（變流器2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒(méi)有丟失，一致性非常好，較好地實(shí)現(xiàn)了變流器并聯(lián)輸出同步和負(fù)載均分，達(dá)到了預(yù)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(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)，集微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、風(fēng)電轉(zhuǎn)換技術(shù)、現(xiàn)代光纖技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了變流器并聯(lián)時(shí)電壓和電流輸出同步，較好地解決了MW級(jí)風(fēng)電變流器并聯(lián)控制中的環(huán)流問(wèn)題。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、擴(kuò)容方便、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

[1] 楊俊華.現(xiàn)代控制技術(shù)在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].北京:太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2004(4):64-69.

[2] 徐甫榮.中高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析比較[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)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(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005.10.

[4] 陳伯時(shí).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(xué)哲（1976-），男，吉林通化市人，工學(xué)碩士，現(xiàn)任華北科技學(xué)院機(jī)電系教師，講師。研究方向：傳感器測(cè)控，光機(jī)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(xué)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(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)等。

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