新型兆瓦級直驅(qū)風(fēng)電雙變流器—能量回饋式試驗(yàn)系統(tǒng)研究*

張 碧，趙毅君，李謨發(fā)

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104；3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411104；4.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082)

新型兆瓦級直驅(qū)風(fēng)電雙變流器—能量回饋式試驗(yàn)系統(tǒng)研究*

張 碧1,2,3，趙毅君1,2,3，李謨發(fā)4

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104；3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411104；4.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082)

針對現(xiàn)有風(fēng)電變流器試驗(yàn)系統(tǒng)能量損耗高、試驗(yàn)效率低的問題，提出了一種新型能量回饋型的雙變流器試驗(yàn)方案，試驗(yàn)系統(tǒng)采用兩臺(tái)兆瓦級永磁直驅(qū)風(fēng)電被試變流器對拖的形式，中間設(shè)計(jì)解耦控制環(huán)節(jié)，并搭建了變流器試驗(yàn)軟硬件平臺(tái)，對兩臺(tái)MW級風(fēng)電變流器進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn).試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)試驗(yàn)效率高、輸出電流諧波小，試驗(yàn)損耗低，試驗(yàn)方法靈活，完全滿足風(fēng)電變流器試驗(yàn)要求.

直驅(qū)風(fēng)電變流器；能量回饋；解耦控制；試驗(yàn)系統(tǒng)

0 引言

直驅(qū)型風(fēng)電變流器隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展以及風(fēng)電運(yùn)維的市場需求，得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用，而風(fēng)電變流器試驗(yàn)也隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，向低成本、低人工高效化邁進(jìn)，組建一套高效節(jié)能的風(fēng)電變流器試驗(yàn)系統(tǒng)尤為必要.

目前，直驅(qū)風(fēng)電變流器試驗(yàn)主要采取的兩種方案.一種為單臺(tái)拖動(dòng)的方式[1]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該方案設(shè)備投資成本較高，場地占用面積較大，系統(tǒng)能量損耗較高，試驗(yàn)效率低；另一種是大功率變頻器試驗(yàn)通用的功率回饋法[2]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，將能量回饋到直流側(cè)，但仍不能滿足風(fēng)電變流器高效、靈活的試驗(yàn)要求；針對這些問題，本文提出了一種新型兆瓦級能量雙變流器能量回饋式試驗(yàn)系統(tǒng)，省去了陪試變頻器，陪試電機(jī)，通過采用解耦控制，使得兩臺(tái)變流器互為陪試，降低了試驗(yàn)成本，節(jié)約了人工，同時(shí)也可滿足單臺(tái)變流器試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)方法靈活多樣，高效生產(chǎn).

1 能量回饋式試驗(yàn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

直驅(qū)型風(fēng)電雙變流器試驗(yàn)系統(tǒng)，包括被試直驅(qū)風(fēng)電變流器、試驗(yàn)變壓器、試驗(yàn)解耦裝置、接線箱以及試驗(yàn)用測量裝置.其試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖3所示.

圖1 單臺(tái)拖動(dòng)試驗(yàn)原理圖

圖2 環(huán)形功率回饋試驗(yàn)原理圖

其中，試驗(yàn)變壓器起到電氣隔離、電源供給和能量回饋的作用，副邊為雙分裂繞組；解耦裝置對兩臺(tái)試驗(yàn)的直驅(qū)風(fēng)電變流器進(jìn)行解耦控制.

圖3 雙變流器試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)系統(tǒng)按2 MW直驅(qū)風(fēng)電變流器設(shè)計(jì)，試驗(yàn)變壓器容量為400 kVA，當(dāng)進(jìn)行雙變流器試驗(yàn)時(shí)，采用雙變流器——能量回饋式試驗(yàn)方案，既可增加試驗(yàn)系統(tǒng)的容量，又可相互冗余，交流電網(wǎng)只需補(bǔ)充回路各設(shè)備的損耗，滿足雙變流器同時(shí)全功率對拖運(yùn)行；采取此種試驗(yàn)方案，既可以減少對拖機(jī)組，降低能耗，又提高了試驗(yàn)效率.

上述方法也存在一定的不足，由于變流器功率器件特性的差異性，使得開關(guān)狀態(tài)的動(dòng)作不完全一致，容易導(dǎo)致環(huán)流[3-5]，為了解決這個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)了雙變流器之間插入耦合電抗器的控制方法，實(shí)際的耦合電抗器為雙繞組電抗器，具有自主均流和環(huán)流抑制的作用.

當(dāng)試驗(yàn)系統(tǒng)中有一組變流器出現(xiàn)故障時(shí)，亦可采取單臺(tái)變流器試驗(yàn)方案，耦合電抗器旁路故障變流器，另一臺(tái)變流器快速進(jìn)行試驗(yàn).

工程實(shí)際中，充當(dāng)負(fù)載用的耦合電抗器的設(shè)計(jì)取值須適當(dāng)，取值過大可能造成無輸出電流，取值過小則會(huì)輸出與實(shí)際工況不符的畸變波形，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，對于2 MW變流器試驗(yàn)，耦合電抗器總電感應(yīng)約為80 μH，同時(shí)還應(yīng)增加相應(yīng)的濾波電容.

2 軟件試驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)直驅(qū)風(fēng)電變流器試驗(yàn)要求以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合提出的雙變流器-能量回饋式試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套高效數(shù)字化變流器試驗(yàn)軟件平臺(tái)，用于試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測、顯示、記錄變流器試驗(yàn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)分析處理，生成試驗(yàn)報(bào)告.程序結(jié)構(gòu)主要包括用戶操作界面、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)采集以及后臺(tái)存儲(chǔ)與記錄單元.

程序結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 程序結(jié)構(gòu)圖

3 試驗(yàn)測試

應(yīng)用本系統(tǒng)，對兩臺(tái)型號(hào)為FBLZ069019的2 MW四象限矢量控制的水冷全功率變流器進(jìn)行了試驗(yàn)測試，變流器機(jī)側(cè)額定電流為2000 A,頻率為0～50 Hz，額定容量分別為2390 kVA和2370 kVA；網(wǎng)側(cè)額定電流為1900 A，額定頻率50±5% Hz，額定容量分別為2270 kVA和2285 kVA.

表1為雙變流器效率試驗(yàn)時(shí)，在機(jī)側(cè)輸入不同電壓時(shí)，測量得到網(wǎng)側(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從變流器的效率數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)平均效率在95%以上，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo).試驗(yàn)現(xiàn)場溫度為34.3 ℃，濕度為54%.

表1 效率試驗(yàn)記錄

表2為雙變流器無功功率試驗(yàn)時(shí)，無功功率控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從表2中數(shù)據(jù)可知，在變流器機(jī)側(cè)運(yùn)行的情況下，發(fā)電機(jī)輸出有功，功率因素在0.9以上；在變流器機(jī)側(cè)不運(yùn)行的情況下，變流器可向電網(wǎng)輸出給定的無功功率，達(dá)到預(yù)期效果.

表2 無功功率控制試驗(yàn)記錄表

表3為雙變流器功率因素測定試驗(yàn)時(shí)，兩臺(tái)變流器機(jī)側(cè)電壓、電流、功率、頻率值以及對應(yīng)的變流器電網(wǎng)側(cè)的電壓、電流及功率值，從數(shù)據(jù)可知，變流器電網(wǎng)側(cè)輸出的功率因素在0.9以上，由此可見，變流器的輸出特性良好.

表3 電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)測定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖5數(shù)據(jù)顯示，在額定運(yùn)行條件下,被測變流器向電網(wǎng)饋送的直流電流含量在其輸出電流額定值的0.5%以內(nèi)，符合試驗(yàn)要求.

如圖6、圖7所示中變流器工作在額定運(yùn)行狀態(tài)，可以看到網(wǎng)側(cè)電壓Uab的電壓諧波含量THD=0.013%，網(wǎng)側(cè)電流諧波含量THD=0.023%，試驗(yàn)結(jié)果符合試驗(yàn)要求.

圖5 向交流電網(wǎng)饋送的直流電含量

圖6 雙變流器試驗(yàn)電網(wǎng)電壓諧波

圖7 雙變流器試驗(yàn)電網(wǎng)電流諧波

4 結(jié)論

本文提出一種新型兆瓦級直驅(qū)風(fēng)電雙變流器-能量回饋式試驗(yàn)系統(tǒng)，分析了其硬件電路結(jié)構(gòu)與原理，并對可能出現(xiàn)的環(huán)流問題設(shè)計(jì)了解耦控制方法，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)表明：系統(tǒng)試驗(yàn)效率高、輸出電流諧波小，試驗(yàn)損耗低，試驗(yàn)方法靈活，完全滿足風(fēng)電變流器試驗(yàn)要求.

[1] 王 陽.一種測試1.5MW雙饋?zhàn)兞髌髟囼?yàn)臺(tái)[J].重工與起重技術(shù),2015(3):21-22.

[2] 宋 鵬，王 輝，王德默，等.一種大功率AFE變頻器試驗(yàn)方法[J].電氣傳動(dòng)，2014(9):9-10.

[3] 李保國，陳燕平，蔣云富，等.全功率風(fēng)電變流器并聯(lián)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究[J].大功率變流技術(shù)，2016(4):38-41.

[4] 李金喜，陳繼勇.全功率風(fēng)電變流器并聯(lián)運(yùn)行控制策略及損耗研究[J].電器與能效管理技術(shù)，2016(11):34-38.

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StudyonDoubleMW-directedWindPowerConverterEnergyFeedbackTestingSystem

ZHANG Bi1,2,3, ZHAO Yi-jun1,2,3, LI Mo-fa4

(1. College of Elect. and Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China; 2. Collaborative Innovation Center of Wind Power Equipment and Power Transformation in Hunan Province, Xiangtan 411104, China;3. The Key Laboratory of Hunan Province on Wind Turbine Generator Set and Control, Xiangtan 411104, China;4. College of Elect. and Information Eng., Hunan University, Changsha 410082, China)

Aimed at the problems of the existing wind power converter test system with high energy consumption and low test efficiency, the article proposes a kind of energy feedback testing with double wind power converter working. Simultaneously in the form of dragging each other under no coupling condition, the hardware and software testing platform of the MW-permanent magnet direct drive wind power converter is built, and the test of two MW wind power converter is performed. The experimental data indicate that the efficiency of the tested converter is high and the harmonic of the output current was low, and the testing system can meet the test requirements with it Low testing loss and flexible experiment method.

directed wind power converter; energy feedback; decoupling control; test

2017-06-29

張 碧(1987-)，女,碩士研究生,研究方向：動(dòng)力工程-電能變換技術(shù).

趙毅君(1965-)，男，碩士生導(dǎo)師，研究員級高級工程師，研究方向： 新型電機(jī)與智能電器、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化.

TM614

A

1671-119X(2017)04-0006-04