風(fēng)電變流器試驗(yàn)方法研究

羅 浩，楊躍龍，2，劉愛(ài)平，王迎旭，2

（1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湖南 湘潭 411101；2.電氣測(cè)控研究所，湖南 湘潭 411101；3.湘潭電機(jī)股份有限公司，湖南 湘潭 411101）

1 概 述

風(fēng)能作為一種新型的可再生能源具有非常大的開發(fā)潛力，從目前情況來(lái)看，國(guó)家對(duì)風(fēng)電的發(fā)展規(guī)劃至2010年1 000萬(wàn)千瓦累計(jì)裝機(jī)容量已在2008年被提前完成，2012年實(shí)現(xiàn)了5 000萬(wàn)千瓦以上裝機(jī)容量。根據(jù)正在擬議的新能源行業(yè)振興規(guī)劃，未來(lái)的風(fēng)電裝機(jī)容量必定會(huì)有大量提高，有望2015年我國(guó)的風(fēng)電規(guī)模達(dá)到1億千瓦、2020年達(dá)到2億千瓦［1］。

而變速恒頻技術(shù)的應(yīng)用極大地促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，變速恒頻技術(shù)也成為變速恒頻風(fēng)電裝備和兆瓦級(jí)以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中應(yīng)用的主流技術(shù)［2］。所以風(fēng)電變流器的性能好壞也影響著整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)電產(chǎn)品為了保證其性能的可靠性必須要到風(fēng)場(chǎng)中進(jìn)行試驗(yàn)，以便不斷的發(fā)現(xiàn)其中存在的問(wèn)題并加以改進(jìn)，但是現(xiàn)在的風(fēng)場(chǎng)都是比較分散的，無(wú)固定的專用試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)，所以對(duì)于那些沒(méi)有整機(jī)生產(chǎn)能力的變流器生產(chǎn)公司都需要自行去聯(lián)系風(fēng)場(chǎng)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品試驗(yàn)。而且產(chǎn)品在出廠前進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)，由于其功率非常大，直接并入電網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)將會(huì)造成大量的電能損耗，這也無(wú)形中增加了公司成本，所以如何搭建一個(gè)完整的并能滿足風(fēng)電變流器出廠測(cè)試的試驗(yàn)平臺(tái)顯得非常重要。本文提出一種環(huán)形功率回饋法對(duì)風(fēng)電變頻器進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)此試驗(yàn)法不僅能滿足變流器的測(cè)試要求，而且大大減少了能量的損耗，實(shí)現(xiàn)了能量的回饋，工作可靠性高，控制精度準(zhǔn)，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的 。

2 風(fēng)電變流器一般試驗(yàn)項(xiàng)目

對(duì)于風(fēng)電變流器而言，由于其所處環(huán)境的特殊性，經(jīng)常會(huì)有諸如電網(wǎng)電壓脫落、電網(wǎng)電壓三相不平衡、同步故障、功率曲線等問(wèn)題。針對(duì)這些可能出現(xiàn)的問(wèn)題，其主要的電氣性能試驗(yàn)如下：

（1）負(fù)載試驗(yàn)

變流器的最重要的特性之一就是其負(fù)載特性，變流器中負(fù)載特性的好壞，將直接影響用戶工作中性能的優(yōu)劣。變流器的負(fù)載試驗(yàn)包括：負(fù)載、輕載、過(guò)載及以下特性負(fù)載試驗(yàn)［3］：

a.與電機(jī)速度成正比例的負(fù)載特性試驗(yàn)：

b.與電機(jī)速度平方成比例的負(fù)載特性試驗(yàn)；

c.階梯變化負(fù)載特性試驗(yàn)；

d.用戶自定義負(fù)載突變特性試驗(yàn)。

（2）變流器實(shí)載長(zhǎng)期考核及老化試驗(yàn)

首先把變流器的負(fù)載特性設(shè)計(jì)好，然后根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況，讓被試變流器按用戶的規(guī)定長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，用以考核被試變流器在運(yùn)行中的長(zhǎng)期可靠性。

（3）變流器變壓器溫升試驗(yàn)

在實(shí)際滿載運(yùn)行中，測(cè)量觀察被試變流器變壓器的溫度變化情況。

（4）變流器功率器件溫升耐壓試驗(yàn)

在實(shí)際滿載運(yùn)行中升高電壓，測(cè)量觀察被試變流器功率器件的溫度變化情況。

（5）變流器額定輸出電壓及電壓不平衡度試驗(yàn)

在實(shí)際滿載運(yùn)行中，測(cè)量并記錄下輸出電壓波形，分析其輸出電壓的不平衡情況，并模擬電壓不平衡狀態(tài)對(duì)交流的影響。

（6）變流器功率損耗試驗(yàn)

在實(shí)際滿載運(yùn)行中，通過(guò)測(cè)量變流器的輸入功率和輸出功率，計(jì)算出變流器的功率損耗。

（7）諧波分析

在不同的工作情況下，分別對(duì)其輸出電流、電壓信號(hào)進(jìn)行錄波、分析。

3 風(fēng)電變流器的一般試驗(yàn)方法

3.1 交－直－交 交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示，首先變頻器經(jīng)過(guò)整流器逆變器輸出交流電供給異步電機(jī)，異步電機(jī)獲得電量后會(huì)同軸帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后由直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的直流電驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，最后直流電動(dòng)機(jī)同軸帶動(dòng)三相交流同步發(fā)電機(jī)并發(fā)出電能回饋到電網(wǎng)，在此試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)改變每個(gè)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)變流器各種特性的試驗(yàn)［4］。

圖1 交－直－交 交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

3.2 逆變器－電動(dòng)機(jī)－逆變器 互饋試驗(yàn)系統(tǒng)

如圖2所示，異步電機(jī)1由變流器給電后同軸帶動(dòng)異步電機(jī)2，異步電機(jī)2發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)逆變器2后再回饋到逆變器1輸入端，如此實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)。

圖2 逆變器－電動(dòng)機(jī)－逆變器 互饋試驗(yàn)系統(tǒng)

雖然通過(guò)以上兩種技術(shù)方案都能滿足各種試驗(yàn)要求，但這兩種試驗(yàn)系統(tǒng)不易控制，其可靠性不高，安全性較低，機(jī)組損耗高，能量的利用率較低。而且對(duì)于風(fēng)電變頻器而言其功率非常大，工作頻率范圍廣，對(duì)電機(jī)性能要求高，會(huì)產(chǎn)生較大的諧波污染電網(wǎng)。

4 風(fēng)電變流器環(huán)形功率回饋試驗(yàn)法

針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)電變流器試驗(yàn)方法對(duì)電網(wǎng)的能量損耗較大，提出了能夠?qū)崿F(xiàn)能量供給和回饋的環(huán)形功率試驗(yàn)法。

4.1 環(huán)形功率回饋試驗(yàn)法總體設(shè)計(jì)

4.1.1 試驗(yàn)電路

圖3給出了變流器試驗(yàn)方法的主電路框圖。

圖3 變頻器試驗(yàn)主電路圖

如圖3所示，電網(wǎng)電能通過(guò)配電柜1（包含測(cè)量系統(tǒng)）進(jìn)來(lái)、再通過(guò)變壓器原邊側(cè)進(jìn)入環(huán)形功率回饋系統(tǒng)。環(huán)形功率回饋系統(tǒng)由變壓器網(wǎng)側(cè)、配電柜2（包含測(cè)量系統(tǒng)）、被試變頻器、濾波電抗器和配電柜3（包含測(cè)量系統(tǒng)）組成。圖中L1、C1分別為變頻器網(wǎng)側(cè)濾波電抗器和變頻器網(wǎng)側(cè)濾波電容器，而L2、C2則為試驗(yàn)臺(tái)的濾波電抗器和電容器，電抗器的主要作用是濾波和環(huán)流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，降低故障對(duì)變壓器的沖擊。

4.1.2 試驗(yàn)過(guò)程

（1）將被試變頻器的相關(guān)主電路和控制線路接好，在逆變系統(tǒng)交流負(fù)載輸出端接電感負(fù)載。

（2）通過(guò)PWM方式控制變頻器電力電子功率器件的開通和關(guān)斷，使逆變輸出端產(chǎn)生可變頻變壓的交流輸出，調(diào)節(jié)達(dá)到交流輸出端負(fù)載可以通過(guò)穩(wěn)定的大電流，使負(fù)載大電流導(dǎo)通穩(wěn)定。

（3）試驗(yàn)中的有效電流很大（達(dá)到1 800 A左右），但由于采用了微阻抗大電流電感作為負(fù)載，有效壓降很低（一般只有70 V左右），所以消耗的有功功率相對(duì)就很低。

以被試變頻器的負(fù)載導(dǎo)通線電流IC＝1 800 A，負(fù)載有效線壓降UL＝70 V，功率因數(shù)cosθ＝0.85為例。被試變頻器負(fù)載端有功功率：

（4）被試變頻器負(fù)載輸出端輸出的有功功率經(jīng)過(guò)配電柜3，通過(guò)機(jī)側(cè)電力變壓器變換為與網(wǎng)側(cè)變壓器同頻率電壓，形成回饋輸入到被試變頻器整流系統(tǒng)部分。

4.2 主要部件及關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 電力變壓器

該系統(tǒng)中有兩臺(tái)3 600 kVA的電力變壓器，分為網(wǎng)側(cè)變壓器和機(jī)側(cè)變壓器。電能經(jīng)配電柜1輸出到網(wǎng)側(cè)變壓器，網(wǎng)側(cè)變壓器將電能輸出到被試變頻器上，被試變頻器的輸出功率經(jīng)濾波電抗和配電柜3到機(jī)側(cè)變壓器再回饋到被試變頻器。兩臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行并且保持同頻率。

4.2.2 配電柜及測(cè)量系統(tǒng)

在系統(tǒng)中分為三個(gè)配電柜，每個(gè)配電柜內(nèi)都包含了所有入戶開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)、線路組會(huì)開關(guān)、斷路器、接觸器等。由于配電柜內(nèi)包含了測(cè)量系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的控制都是基于一些電信號(hào)的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，包括雙PWM變流器主電路電壓、電流信號(hào)檢測(cè)（網(wǎng)側(cè)電流、電壓檢測(cè)、直流母線電壓檢測(cè)、機(jī)側(cè)電流檢測(cè)等）。上述信號(hào)的檢測(cè)均通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)中的霍爾傳感器、電參數(shù)測(cè)量?jī)x等工具來(lái)測(cè)量并顯示分析。

4.2.3 數(shù)字變頻試驗(yàn)電源

系統(tǒng)的試驗(yàn)電源為電路內(nèi)回饋?zhàn)冾l電源，集被試電機(jī)正弦波電源和陪試電機(jī)電源于一身，電功率回饋是在電源內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，是風(fēng)電變頻器試驗(yàn)電源的一次創(chuàng)新。電源建立在逆變數(shù)字電源組基礎(chǔ)上，除具備通用變頻電源的特點(diǎn)外，還可為風(fēng)電變頻器試驗(yàn)提供等效負(fù)載及在線測(cè)試的必要支持，適用于各種不同類型的風(fēng)電變頻器測(cè)試要求。而且調(diào)節(jié)數(shù)字變頻電源組，可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)時(shí)對(duì)變流器的最佳效率控制，達(dá)到節(jié)能的目的。

4.2.4 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

（1）系統(tǒng)采用數(shù)字電源組，自動(dòng)升高和降低控制電壓以搜索最佳效率，為風(fēng)電變頻器試驗(yàn)提供等效負(fù)載鎖定，實(shí)現(xiàn)設(shè)置能量?jī)?yōu)化控制程序。

（2）采用集散控制方式和多層集中控制方式，用于風(fēng)電變頻器的電能平衡控制，實(shí)現(xiàn)方便、簡(jiǎn)單、效果好的在線控制與實(shí)現(xiàn)方案。

（3）試驗(yàn)過(guò)程不采用負(fù)載消耗能量，達(dá)到節(jié)能的目的。

（4）將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與集中控制設(shè)備組成一個(gè)能完成組態(tài)、運(yùn)行、控制、自動(dòng)處理數(shù)據(jù)并生成試驗(yàn)報(bào)表等功能完整的風(fēng)電變頻器測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（5）交流接近于實(shí)際工作狀態(tài)，對(duì)變流器的性能考核更加充分。

4.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊通過(guò)集中監(jiān)控軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)通過(guò)監(jiān)控軟件在后臺(tái)形成虛擬示波器，其能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析、日志報(bào)表形成、自動(dòng)參數(shù)測(cè)試等功能；并且用戶可以根據(jù)自己的需求定制特殊功能。

系統(tǒng)提供仿真試驗(yàn)界面，采用鍵盤輸入和液晶屏幕顯示，顯示屏上有兩個(gè)主界面，主要用于系統(tǒng)試驗(yàn)的操作和相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)置等，包括測(cè)試功能區(qū)、檢測(cè)區(qū)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)區(qū)。檢測(cè)平臺(tái)主要通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析給出顯示結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)更好地控制和保護(hù)。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電能質(zhì)量參數(shù)及溫度情況進(jìn)行長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)和顯示，其中包括系統(tǒng)輸出電壓和電流有效值、幅值、系統(tǒng)頻率、電壓和電流諧波、電壓和電流的不平衡度、有功功率、無(wú)功功率、諧波測(cè)試的分析與結(jié)果、實(shí)時(shí)測(cè)試波形等。

5 結(jié)束語(yǔ)

環(huán)形功率回饋法的風(fēng)電變流器試驗(yàn)系統(tǒng)，采用了數(shù)字逆變電源組做試驗(yàn)電源和電源電路內(nèi)部回饋的方式，不消耗負(fù)載，不回饋電網(wǎng)，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成電能閉環(huán)的工作模式，不僅減少了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，也節(jié)約了能源。該試驗(yàn)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)風(fēng)電變流器的試驗(yàn)中處于領(lǐng)先水平，具有非常大的研究應(yīng)用前景。

［1］ 國(guó)家能源局.風(fēng)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃 ［S］.北京：國(guó)家能源局，2011.

［2］ 李方圓.變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐 ［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［3］ 施婷婷.運(yùn)用機(jī)組能量回饋策略設(shè)計(jì)高壓變頻試驗(yàn)室［D］.南京：東南大學(xué)，2007.

［4］ 張春波，薛 山.變頻器在電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用 ［J］.變頻器世界，2005，05（03）：90－92.