高壓變頻器在風(fēng)力發(fā)電全功率實(shí)驗(yàn)臺上的應(yīng)用

摘要：介紹了多電平高壓變頻器的原理及其在某公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，提出了高壓變頻器應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計方案。根據(jù)設(shè)計方案建設(shè)的3 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率實(shí)驗(yàn)臺，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，投入到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出廠實(shí)驗(yàn)和老化實(shí)驗(yàn)中。經(jīng)應(yīng)用實(shí)踐表明，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用高壓變頻器驅(qū)動原動機(jī)后，取得了很好的應(yīng)用效果，同時拓寬了多電平單元串聯(lián)高壓變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器；多電平；風(fēng)力機(jī)；全功率

1 引言
作為一種清潔的可再生能源，風(fēng)能受到各國的重視。風(fēng)電是風(fēng)能利用的主要形式，在各類新能源中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)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(chǎn)業(yè)前景最好。風(fēng)力發(fā)電在可再生能源發(fā)電技術(shù)中成本最接近常規(guī)能源，成為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的清潔能源。
目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型主要有雙饋型、半直驅(qū)型和直驅(qū)型。每種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)輸?shù)斤L(fēng)場前，都要經(jīng)過廠內(nèi)的全功率實(shí)驗(yàn)考核。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有多種全功率實(shí)驗(yàn)方法，這里結(jié)合3 MW半直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計方案和應(yīng)用案例，介紹了一種在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中拖動風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的原動機(jī)采用高壓變頻器驅(qū)動的方法。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率實(shí)驗(yàn)臺包括原動機(jī)、齒輪箱、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、并網(wǎng)變頻器及驅(qū)動原動機(jī)的可變頻調(diào)速的變頻器等設(shè)備。原動機(jī)在系統(tǒng)中帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過可變頻調(diào)速的變頻器調(diào)節(jié)原動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)可在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，模擬現(xiàn)場風(fēng)輪驅(qū)動發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)耗電量較大，在設(shè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能回送到電網(wǎng)，原動機(jī)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(bǔ)充整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的損耗即可達(dá)到用電量最小的目的。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均配置有并網(wǎng)變頻器，因此，整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無需增加額外的并網(wǎng)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)將電能回饋到電網(wǎng)。
大型工廠中，用電設(shè)備數(shù)量多，設(shè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組常見的輸出電壓等級為低壓690 V或其他，3 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定并網(wǎng)電壓為620 V。這樣在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中就形成了一個兩級電網(wǎng)，在該電網(wǎng)中，可將能量回饋設(shè)置在10 kV級或620 V級。10 kV級為廠用電的入口級，除了給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)供電外，還可能給其他設(shè)備供電，因此，若在10 kV級實(shí)現(xiàn)能量回饋，則可能對其他設(shè)備的用電產(chǎn)生一定影響。同時，由于電壓等級較高，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)成本較高；若在620 V級實(shí)現(xiàn)能量回饋，由于這部分電源僅給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)供電，還有10 kV／620 V降壓變壓器的隔離，可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)驗(yàn)時對其他設(shè)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)成本。
傳統(tǒng)的低壓原動機(jī)和低壓變頻器驅(qū)動的組合方式，在故障維護(hù)成本和響應(yīng)時間等方面存在一定的局限性。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，多電平高壓變頻技術(shù)已經(jīng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率實(shí)驗(yàn)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(jī)選擇高壓電動機(jī)。目前國內(nèi)高壓變頻器的容量設(shè)計水平可達(dá)到20 MW以上，且技術(shù)非常成熟，應(yīng)用非常廣泛，維護(hù)成本低，響應(yīng)快速。這里選擇了在技術(shù)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(shù)方案。

3 設(shè)計方案
3．1 高壓變頻器選型
3 MW半直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率實(shí)驗(yàn)臺配置一臺4 MW／6 kV高壓原動機(jī)，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在出廠實(shí)驗(yàn)中需進(jìn)行過載實(shí)驗(yàn)，故高壓變頻器的額定容量配置為5 MVA。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)電壓為620 V，能量回饋循環(huán)利用在620 V級電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，故需將驅(qū)動高壓原動機(jī)的變頻器額定輸入電壓設(shè)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(jù)實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計的實(shí)際情況，系統(tǒng)方案在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)電壓620 V，能量回饋在620 V級電網(wǎng)下實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中，10 kV／50 Hz電源經(jīng)10 kV／620 V降壓變壓器后，直接輸入到高壓變頻器輸入端，經(jīng)高壓變頻器變換后，為高壓原動機(jī)提供變頻電源，高壓原動機(jī)即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行。再通過傳動鏈帶動風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，發(fā)出的電能經(jīng)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)變頻器回饋到620 V電網(wǎng)。整個能量回饋循環(huán)系統(tǒng)可模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)場不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行模式，并可進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。
同時，高壓變頻器的輸出頻率是可調(diào)節(jié)的，因此，可讓高壓原動機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速運(yùn)行，既可節(jié)能，又可達(dá)到讓發(fā)電機(jī)模擬現(xiàn)場風(fēng)速變化時各種運(yùn)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(yùn)行穩(wěn)定，輸出正弦波形好，效率高；對電網(wǎng)諧波污染小，THD4％，滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)：輸入電流功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；輸出波形好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)額定電壓為620 V。若在620 V級電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)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。