2 MW變流器自主可控技術(shù)研究與應(yīng)用

［摘 要］隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，變流器作為關(guān)鍵設(shè)備在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。然而，隨著國際關(guān)系變化和供應(yīng)鏈的不確定性，外國品牌的變流器在中國市場的維護(hù)和供應(yīng)面臨諸多挑戰(zhàn)。為解決這一問題，文章介紹了GE 公司開發(fā)的新一代國產(chǎn)化控制系統(tǒng)2 MW變流器。該系統(tǒng)不僅完全替代了原GE 控制系統(tǒng)，解決了備件供應(yīng)問題，還顯著提升了控制精度、響應(yīng)速度及設(shè)備的可靠性。

［關(guān)鍵詞］2 MW 變流器；自主可控技術(shù)；應(yīng)用

［中圖分類號］TP309 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0090–03

隨著GE 公司逐步退出中國風(fēng)電市場，其開發(fā)的獨特架構(gòu)產(chǎn)品2 MW 變流器在國內(nèi)市場的應(yīng)用逐漸減少，導(dǎo)致維護(hù)服務(wù)、升級服務(wù)及備件供應(yīng)面臨嚴(yán)重的不確定性。為解決這一問題，龍源電氣公司開發(fā)了新一代國產(chǎn)化控制系統(tǒng)2 MW 變流器，旨在完全替代原GE 的控制系統(tǒng)，有效解決了變流器運行中備件供應(yīng)不足的問題，同時為后續(xù)涉網(wǎng)性能提升改造提供了必要的技術(shù)支持。

1 2MW變流器自主可控技術(shù)研究的意義

1.1 實現(xiàn)國產(chǎn)化設(shè)計，技術(shù)自主可控，供貨不受國際關(guān)系影響

實現(xiàn)國產(chǎn)化設(shè)計意味著我國能夠獨立開發(fā)和設(shè)計這類關(guān)鍵電力設(shè)備，不再依賴于進(jìn)口，從而降低了對外部技術(shù)供應(yīng)的依賴性，不僅可以提升我國電力設(shè)備制造業(yè)的技術(shù)水平，還有助于提升國際競爭力。在供貨和技術(shù)支持方面，不再受到國際關(guān)系的直接影響，確保了電力設(shè)備的穩(wěn)定供應(yīng)和運行。通過2 MW 變流器自主可控技術(shù)的研究，可以顯著提升我國電力行業(yè)的技術(shù)自主性和創(chuàng)新能力。這種技術(shù)進(jìn)步不僅可以推動電力設(shè)備的先進(jìn)化，還可以推動整個行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。此外，技術(shù)自主可控性也為電力行業(yè)帶來了更多的創(chuàng)新機會和空間，促使企業(yè)在技術(shù)上不斷迭代更新，不斷優(yōu)化產(chǎn)品性能和提升市場競爭力[1]。

1.2 備件充足，供貨響應(yīng)快，國內(nèi)供貨周期2～3周以內(nèi)

通過實現(xiàn)國產(chǎn)化設(shè)計和技術(shù)自主可控，能夠確保備件充足，從而保障電力設(shè)備的供貨響應(yīng)速度，在國內(nèi)供貨周期短至2～3 周以內(nèi)的情況下，可以迅速滿足市場需求，降低了因備件不足而導(dǎo)致的生產(chǎn)停頓和維修延誤風(fēng)險。這種快速響應(yīng)能力大幅提升了電力設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，有助于減少能源供應(yīng)中斷的可能性，提升了電力行業(yè)的整體運行效率。

1.3 大幅提升控制精度、響應(yīng)速度等性能

2 MW 變流器的自主可控技術(shù)能夠顯著提升變流器的控制精度，使其在電力轉(zhuǎn)換和分配過程中能夠更加精準(zhǔn)地控制電能的輸出和分配，從而提高能源利用效率。這不僅有助于降低能源損耗，還能夠提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，確保電力設(shè)備長期穩(wěn)定運行。響應(yīng)速度的提升意味著在電力需求變化較大或電網(wǎng)負(fù)荷波動較大的情況下，變流器能夠更快速地調(diào)整輸出電能，滿足電力系統(tǒng)對電能穩(wěn)定供應(yīng)的要求，對于提高電力系統(tǒng)的應(yīng)對能力和適應(yīng)性非常重要，能夠有效應(yīng)對突發(fā)的電力需求波動，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和電力供應(yīng)的可靠性[2]。

1.4 提高電路板集成化程度，大幅降低備品備件的采購和管理成本

2 MW 變流器自主可控技術(shù)可以顯著提高變流器電路板的集成化程度，相較之前電路板數(shù)量減少60%，大幅降低電路板的體積和重量。由于電路板數(shù)量的減少，企業(yè)在采購、庫存管理和備件維護(hù)方面的成本將大幅降低，有效緩解了因備件不足而導(dǎo)致的生產(chǎn)停頓和維修延誤風(fēng)險。減少電路板的數(shù)量和連接件的使用，可以降低因連接不良、接觸不良等問題而導(dǎo)致的電路故障概率，從而提升了變流器的長期穩(wěn)定運行能力，這對于電力行業(yè)來說尤為重要，能夠保證電力設(shè)備在高負(fù)荷、復(fù)雜環(huán)境下的可靠性和持久性。

1.5 減少了中間環(huán)節(jié)，故障率降低

2 MW 變流器自主可控技術(shù)能夠大幅簡化變流器的電路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，減少中間環(huán)節(jié)的使用，這不僅降低了故障發(fā)生的概率，還能夠顯著減少維護(hù)和修復(fù)成本，提升了電力設(shè)備的整體可靠性和穩(wěn)定性。值得注意的是，新技術(shù)在電磁兼容方面的抗干擾能力更強，進(jìn)一步提高了變流器的可靠性。強化的電磁兼容性能意味著變流器能夠更好地抵御來自電磁干擾的影響，保證其在復(fù)雜電磁環(huán)境下的正常工作。這種提高的可靠性對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要，能夠有效減少因電磁干擾導(dǎo)致的設(shè)備故障和生產(chǎn)中斷，提升了電力設(shè)備在關(guān)鍵應(yīng)用場景下的可信度。

2 2 MW變流器自主可控技術(shù)的應(yīng)用

2.1 保留原GE主電氣部分的設(shè)計，做兼容設(shè)計

在應(yīng)用2 MW 變流器自主可控技術(shù)時，保留GE公司2 MW 變流器設(shè)計并進(jìn)行兼容設(shè)計至關(guān)重要。深入分析和調(diào)整IO 接口、PWM 控制、電壓電流采集及溫度變量采集等關(guān)鍵技術(shù)，以確保新技術(shù)能夠平穩(wěn)集成和運行。

IO 接口在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中是設(shè)備之間進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵紐帶。在保留原GE 主電氣部分設(shè)計的基礎(chǔ)上，優(yōu)化和調(diào)整現(xiàn)有的IO 接口，以確保其能夠與新系統(tǒng)的要求相匹配。通過細(xì)致的接口分析和適配，可以實現(xiàn)設(shè)備在不同工作狀態(tài)下的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，從而提升整體控制系統(tǒng)的可靠性和效率[3]。

在應(yīng)用2 MW 變流器自主可控技術(shù)時，對現(xiàn)有的PWM 控制系統(tǒng)進(jìn)行深入優(yōu)化，通過精細(xì)的參數(shù)調(diào)整和算法優(yōu)化，可以實現(xiàn)對電力輸出的精確控制，從而提高能源利用效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。在技術(shù)應(yīng)用中對現(xiàn)有的電壓電流采集系統(tǒng)進(jìn)行全面分析和調(diào)整，以確保其能夠兼容和集成新的變流器控制技術(shù)。通過精確的數(shù)據(jù)采集和處理，可以實現(xiàn)對電力輸出質(zhì)量的精確控制和監(jiān)測，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

溫度變量采集是對系統(tǒng)中關(guān)鍵部件溫度進(jìn)行實時監(jiān)測和管理的重要手段。在變流器控制技術(shù)應(yīng)用中，需要對現(xiàn)有的溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以確保其能夠有效監(jiān)控和管理關(guān)鍵部件的工作溫度，精細(xì)的溫度數(shù)據(jù)采集和智能控制算法，可以有效提升系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，避免因過熱而導(dǎo)致的設(shè)備損壞和停機事件。

2.2 設(shè)計新電路板配盤，優(yōu)化功能

在2 MW 變流器技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計新的電路板配盤對于提升自主可控性和優(yōu)化功能十分重要。其主要目標(biāo)是在減少電路板數(shù)量、最小化改造工作量的同時，方便替換原控制系統(tǒng)。這不僅提升了操作效率，還確保了與現(xiàn)代控制系統(tǒng)的兼容性，并最大程度地減少了維護(hù)成本。新的電路板設(shè)計集成了高效能功率轉(zhuǎn)換模塊和強大的控制算法等先進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化布局，關(guān)鍵組件被戰(zhàn)略性地放置，以增強熱管理和減少電磁干擾（EMI），還簡化了替換過程，確保與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的無縫集成。

數(shù)字信號處理器（DSP）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的集成實現(xiàn)了對功率流的實時監(jiān)控和自適應(yīng)控制，這些組件被戰(zhàn)略地放置在電路板上，以最小化信號衰減，并優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸速率，確保在多樣化的環(huán)境條件下可靠運行。新的電路板布局還整合了安全性和可靠性功能，以滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求，包括容錯設(shè)計方法和冗余電源配置，以確保不間斷運行。嚴(yán)格的測試流程可驗證電路板布局的優(yōu)化功能，包括熱應(yīng)力測試、振動測試和電磁兼容性（EMC）測試[4]。

2.3 提升軟件及控制算法

在2 MW 變流器技術(shù)的應(yīng)用中，提升軟件及控制算法非常重要，特別是使用更先進(jìn)的工業(yè)芯片來提高計算能力和穩(wěn)定性，這不僅優(yōu)化了軟件控制算法和邏輯控制，還為變流器的涉網(wǎng)性能設(shè)計改造提供了堅實的基礎(chǔ)。新一代工業(yè)芯片的采用，如先進(jìn)的數(shù)字信號處理器（DSP）和高性能現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），顯著提升了計算能力和穩(wěn)定性。這些芯片能夠處理復(fù)雜的控制算法，確保變流器在各種負(fù)載條件下高效運行。優(yōu)化軟件控制算法，如增強型的調(diào)制技術(shù)和快速響應(yīng)的電網(wǎng)同步控制，進(jìn)一步提升了變流器的動態(tài)響應(yīng)能力和電能質(zhì)量，滿足了現(xiàn)代電網(wǎng)對高品質(zhì)電能的要求。

在邏輯控制方面，新一代工業(yè)芯片的使用使得邏輯控制算法更加精確和可靠。這些算法通過實時監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)和負(fù)載變化，動態(tài)調(diào)整功率輸出，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過智能功率管理和電網(wǎng)互聯(lián)功能的優(yōu)化，變流器能夠?qū)崿F(xiàn)對電網(wǎng)的主動支持和電能質(zhì)量的實時調(diào)節(jié)，有效應(yīng)對電網(wǎng)波動和電能質(zhì)量問題。為了提升涉網(wǎng)性能，新一代軟件控制算法還增加了安全性和通信性能的設(shè)計，通過加密和認(rèn)證技術(shù)保障數(shù)據(jù)的安全傳輸，同時優(yōu)化通信協(xié)議和接口設(shè)計，確保變流器與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接和高效通信。

2.4 更新網(wǎng)側(cè)功率單元驅(qū)動板、機側(cè)功率單元驅(qū)動板、低穿組件驅(qū)動板

在2 MW 變流器自主可控技術(shù)的應(yīng)用中，更新網(wǎng)側(cè)功率單元驅(qū)動板、機側(cè)功率單元驅(qū)動板和低穿組件驅(qū)動板是提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能的重要措施，這不僅優(yōu)化了電力轉(zhuǎn)換效率，還增強了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力，適應(yīng)了電網(wǎng)運行的復(fù)雜環(huán)境和高品質(zhì)電能的要求。這些板塊通過優(yōu)化電路布局和控制算法，實現(xiàn)了對電網(wǎng)的高效響應(yīng)和動態(tài)調(diào)節(jié)能力，還采用先進(jìn)的硅控整流器和智能功率模塊，提升了功率轉(zhuǎn)換效率和能源利用率，減少了能量損耗和電網(wǎng)污染。更新的驅(qū)動板還增加了對電網(wǎng)狀態(tài)的實時監(jiān)測和動態(tài)調(diào)整功能，確保了系統(tǒng)在各種負(fù)載條件下的穩(wěn)定運行。

機側(cè)功率單元驅(qū)動板采用了先進(jìn)的控制算法和高效能功率模塊，提升了轉(zhuǎn)換效率和電能質(zhì)量，降低了噪聲和電磁干擾。低穿組件驅(qū)動板則通過優(yōu)化電路設(shè)計和硬件配置，實現(xiàn)了對低電壓穿越能力的快速響應(yīng)和動態(tài)調(diào)節(jié)，保證了系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓波動和瞬時干擾下的穩(wěn)定運行，提升了2 MW 變流器的技術(shù)性能，還加強了系統(tǒng)的安全性和可操作性。更新后的板塊設(shè)計考慮了環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求，通過嚴(yán)格的測試和驗證過程，確保了新技術(shù)在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和長期可靠性，如通過熱應(yīng)力測試、振動測試和電磁兼容性（EMC）測試，驗證了更新板塊在惡劣環(huán)境條件下的可靠運行能力。

2.5 散熱風(fēng)扇控制方式升級

傳統(tǒng)上，散熱風(fēng)扇的啟動和調(diào)速通常依賴于外部控制信號，這種方式容易受到傳輸線路的電磁干擾影響，導(dǎo)致風(fēng)扇啟動失敗或工作不穩(wěn)定。為了解決這一問題，現(xiàn)代變流器技術(shù)采用了風(fēng)扇內(nèi)部控制的設(shè)計方案，即通過內(nèi)部傳感器實時監(jiān)測風(fēng)扇運行狀態(tài)，并自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，確保在各種負(fù)載和環(huán)境條件下的穩(wěn)定工作。風(fēng)扇內(nèi)部控制技術(shù)通過優(yōu)化電路設(shè)計和硬件配置，實現(xiàn)了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的智能調(diào)節(jié)和動態(tài)響應(yīng)。這種技術(shù)不僅能夠根據(jù)變流器的工作狀態(tài)實時調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，還可以根據(jù)環(huán)境溫度和熱量負(fù)荷自動調(diào)節(jié)散熱效果，提升系統(tǒng)的熱管理能力和工作效率，如當(dāng)變流器負(fù)載增加或環(huán)境溫度升高時，風(fēng)扇能夠快速響應(yīng)并提升風(fēng)量，有效降低設(shè)備溫度，延長設(shè)備的使用壽命。

此外，風(fēng)扇內(nèi)部控制技術(shù)還增加了系統(tǒng)的安全性。通過在風(fēng)扇上集成過載保護(hù)、溫度監(jiān)測和故障診斷功能，可及時發(fā)現(xiàn)和處理風(fēng)扇運行異常，避免因故障導(dǎo)致整個系統(tǒng)的停機或損壞，這不僅提高了設(shè)備的安全性，還減少了維護(hù)和運維的成本與工作量。風(fēng)扇內(nèi)部控制技術(shù)的應(yīng)用不僅提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還降低了設(shè)備的能耗和噪聲水平，優(yōu)化了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和功率消耗的匹配，減少了不必要的能源浪費及設(shè)備運行時的噪聲污染，改善了工作環(huán)境和用戶體驗。

3 結(jié)束語

龍源電氣公司開發(fā)的新一代國產(chǎn)化控制系統(tǒng)2 MW 變流器自主可控技術(shù)解決了原GE 公司2 MW變流器在中國市場面臨的供應(yīng)和維護(hù)問題。新系統(tǒng)不僅保障了備件充足、供貨速度，還顯著降低了運營成本和維護(hù)工作量，為風(fēng)電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。而通過保留原有電氣設(shè)計并進(jìn)行兼容優(yōu)化，該系統(tǒng)在提升設(shè)備可靠性和抗干擾能力方面取得了顯著成效。未來，隨著新技術(shù)和市場需求的不斷變化，文章所提的自主可控技術(shù)將推動中國風(fēng)電行業(yè)朝著更加高效、智能化的方向邁進(jìn)。

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