高壓變頻器在風力發(fā)電全功率實驗臺上的應用

摘要：介紹了多電平高壓變頻器的原理及其在某公司風力發(fā)電機組全功率實驗系統(tǒng)中的應用情況，提出了高壓變頻器應用于該實驗臺的設計方案。根據設計方案建設的3 MW風力發(fā)電機組全功率實驗臺，經大量實驗驗證后，投入到風力發(fā)電機組的出廠實驗和老化實驗中。經應用實踐表明，風力發(fā)電機組全功率實驗系統(tǒng)采用高壓變頻器驅動原動機后，取得了很好的應用效果，同時拓寬了多電平單元串聯(lián)高壓變頻器的應用領域。
關鍵詞：高壓變頻器；多電平；風力機；全功率

1 引言
作為一種清潔的可再生能源，風能受到各國的重視。風電是風能利用的主要形式，在各類新能源中，風力發(fā)電技術相對成熟且最具大規(guī)模商業(yè)開發(fā)條件，成本相對較低，發(fā)展速度最快，產業(yè)前景最好。風力發(fā)電在可再生能源發(fā)電技術中成本最接近常規(guī)能源，成為產業(yè)化發(fā)展最快的清潔能源。
目前，風力發(fā)電機組類型主要有雙饋型、半直驅型和直驅型。每種風力發(fā)電機組在運輸到風場前，都要經過廠內的全功率實驗考核。風力發(fā)電機組有多種全功率實驗方法，這里結合3 MW半直驅型風力發(fā)電機組全功率實驗臺設計方案和應用案例，介紹了一種在實驗系統(tǒng)中拖動風力發(fā)電機運轉的原動機采用高壓變頻器驅動的方法。

2 實驗系統(tǒng)介紹
風力發(fā)電機組全功率實驗臺包括原動機、齒輪箱、風力發(fā)電機、并網變頻器及驅動原動機的可變頻調速的變頻器等設備。原動機在系統(tǒng)中帶動發(fā)電機旋轉，通過可變頻調速的變頻器調節(jié)原動機的轉速，使發(fā)電機可在不同轉速下運行，模擬現場風輪驅動發(fā)電機的運行特性。
風力發(fā)電機組的實驗系統(tǒng)耗電量較大，在設計時需考慮系統(tǒng)的節(jié)能。通常采用能量回饋循環(huán)再利用的方式，即讓風力發(fā)電機發(fā)出的電能回送到電網，原動機再利用這部分電能。這樣系統(tǒng)就可盡量少用外部輸入的電能，外部輸入電能僅需補充整個實驗系統(tǒng)的損耗即可達到用電量最小的目的。由于風力發(fā)電機組均配置有并網變頻器，因此，整個實驗系統(tǒng)無需增加額外的并網設備即可實現將電能回饋到電網。
大型工廠中，用電設備數量多，設備容量較大。因此，供電部門送到用戶端的電源電壓等級一般為高壓10 kV，而風力發(fā)電機組常見的輸出電壓等級為低壓690 V或其他，3 MW風力發(fā)電機組的額定并網電壓為620 V。這樣在實驗系統(tǒng)中就形成了一個兩級電網，在該電網中，可將能量回饋設置在10 kV級或620 V級。10 kV級為廠用電的入口級，除了給風力發(fā)電機組實驗供電外，還可能給其他設備供電，因此，若在10 kV級實現能量回饋，則可能對其他設備的用電產生一定影響。同時，由于電壓等級較高，導致實驗系統(tǒng)的建設成本較高；若在620 V級實現能量回饋，由于這部分電源僅給風力發(fā)電機組實驗系統(tǒng)供電，還有10 kV／620 V降壓變壓器的隔離，可使風力發(fā)電機組在實驗時對其他設備的用電影響最小。同時，電壓等級的大幅降低，將大大降低實驗系統(tǒng)的建設成本。
傳統(tǒng)的低壓原動機和低壓變頻器驅動的組合方式，在故障維護成本和響應時間等方面存在一定的局限性。隨著現代電力電子技術和微電子技術的發(fā)展，多電平高壓變頻技術已經非常成熟，它能輸出完美的正弦波，所以可利用高壓變頻器為風力發(fā)電機組全功率實驗系統(tǒng)提供變頻電源的方法，即采用多電平高壓變頻器替代低壓變頻器，原動機選擇高壓電動機。目前國內高壓變頻器的容量設計水平可達到20 MW以上，且技術非常成熟，應用非常廣泛，維護成本低，響應快速。這里選擇了在技術含量及綜合成本上均有較大優(yōu)勢的以高壓變頻器為主體的技術方案。

3 設計方案
3．1 高壓變頻器選型
3 MW半直驅型風力發(fā)電機組全功率實驗臺配置一臺4 MW／6 kV高壓原動機，由于風力發(fā)電機組在出廠實驗中需進行過載實驗，故高壓變頻器的額定容量配置為5 MVA。風力發(fā)電機組并網電壓為620 V，能量回饋循環(huán)利用在620 V級電網實現，故需將驅動高壓原動機的變頻器額定輸入電壓設為620 V。高壓變頻器的額定輸出電壓為6 kV，三相共采用24個IGBT功率單元模塊串聯(lián)組成多電平高壓變頻器。
3．2 系統(tǒng)方案
根據實驗臺設計的實際情況，系統(tǒng)方案在風力發(fā)電機組并網電壓620 V，能量回饋在620 V級電網下實現。系統(tǒng)中，10 kV／50 Hz電源經10 kV／620 V降壓變壓器后，直接輸入到高壓變頻器輸入端，經高壓變頻器變換后，為高壓原動機提供變頻電源，高壓原動機即可實現調速運行。再通過傳動鏈帶動風力發(fā)電機在不同轉速下運行，發(fā)出的電能經風機并網變頻器回饋到620 V電網。整個能量回饋循環(huán)系統(tǒng)可模擬風力發(fā)電機在風場不同轉速下的運行模式，并可進行各種實驗。
同時，高壓變頻器的輸出頻率是可調節(jié)的，因此，可讓高壓原動機實現變頻調速運行，既可節(jié)能，又可達到讓發(fā)電機模擬現場風速變化時各種運行模式的目的。

4 高壓變頻器的組成和原理
MLVERT-D系列高壓變頻器變頻器運行穩(wěn)定，輸出正弦波形好，效率高；對電網諧波污染小，THD4％，滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準：輸入電流功率因數高，不必采用功率因數補償裝置；輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動、噪音、輸出du／dt、共模電壓等問題。
4．1 輸入輸出方式
高壓變頻器常用“高-高”的輸入輸出方式。在3 MW風力發(fā)電機組全功率實驗系統(tǒng)中，發(fā)電機的并網額定電壓為620 V。若在620 V級電網實現能量回饋，對于高壓變頻器，需改為“低-高”方式，即低壓620 V直接輸入，高壓6 kV直接輸出。圖1示出高壓變頻器的主電路原理圖。