中壓全功率變流器在風電場中的應用

1、胡緒超 林章 北京ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司摘要：風電系統(tǒng)對中壓大功率變流器的需求日益增加,大功率變流器已引起人們極大的興趣。本文介紹了PCS 6000在風力發(fā)電中的應用，重點介紹了ABB PCS 6000中壓全功率變頻器的特性。關鍵詞：中壓變頻器PCS 6000風力發(fā)電 IGCT圖1繞線式異步發(fā)電機+全功率變頻器系統(tǒng)圖 圖2 永磁發(fā)電機+全功率變頻器系統(tǒng)圖1. 引言海上風電由于其資源豐富、風速穩(wěn)定、對環(huán)境的負面影響較少，允許機組制造更為大型化，從而可以增加單位面積的總裝機量，可以大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢，一直受到風電開發(fā)商的關注。但是就目前情況來看，雙饋型風力發(fā)電機仍占主流，然而全功率風力發(fā)電機組以

2、其固有的優(yōu)勢受到了越來越多的關注，但是隨著風力發(fā)電機的單機容量不斷增大，受功率器件材料的耐壓極限和制作工藝的限制，同時單一功率器件的容量也是有限的，全功率變流器的設計和制造是電網(wǎng)友好型風力發(fā)電機的一個重點和難點，它對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運行至關重要。同時對于當今先進水平的多兆瓦級風電機，中壓技術是處理其額定功率的理想之選，可將發(fā)電機、變流器及電纜的損耗降至最低。中壓系統(tǒng)能夠降低電流值，不但節(jié)省空間、減少布線，更減小系統(tǒng)損耗。與性能有限的交流解決方案相比，中壓全功率變流器還允許對風電機的轉速與功率實施最大限度的控制；此外，中壓全功率變流器的另一重要特性是能以高效策略應對電網(wǎng)故障。2. 全功率動

3、力驅動系統(tǒng)方案全功率動力驅動系統(tǒng)方案具有優(yōu)秀的低（零）電壓穿越能力和良好的功率調節(jié)特性，能很好的應對電網(wǎng)故障和調節(jié)上網(wǎng)的有功和無功功率。目前流行的全功率風力發(fā)電機組的動力驅動系統(tǒng)主要兩種方案：一種是升速齒輪箱+繞線式異步發(fā)電機+ 全功率變頻器；一種是無齒輪箱的直接驅動低速永磁發(fā)電機+全功率變頻器。2.1 升速齒輪箱+繞線式異步發(fā)電機+ 全功率變頻器其結構如圖1所示。該動力驅動系統(tǒng)優(yōu)點是采用可靠的異步發(fā)電機，發(fā)電機結構簡單，免維護。既沒有雙饋的滑環(huán)和電刷系統(tǒng)，不需要更換電刷和清理滑環(huán)；也沒有直驅機組的磁鋼退磁問題。機組維護簡單，運行可靠性高。缺點是增加了升速齒輪箱，維護量大，維護成本高。2.2

4、無齒輪箱的直接驅動低速永磁發(fā)電機+全功率變頻器其結構如圖2所示。該動力驅動系統(tǒng)優(yōu)點是沒有升速齒輪箱，葉輪直接驅動低速發(fā)電機轉子，故障率低，降低維護工作量，運行效率高。由于發(fā)電機定子繞組不直接與電網(wǎng)相連，而是通過變頻器連接，因此電機額定轉速可以降低，使電機極數(shù)減少至合理值。缺點是采用低速永磁發(fā)電機，國內的生產工藝還不夠成熟，體積大，吊裝、安裝成本偏高，定子繞組絕緣等級要求高，制造成本高。目前大部分全功率風電機組都采用永磁發(fā)電機方案，既無齒輪箱的直接驅動低速永磁發(fā)電機+全功率變頻器，但由于異步發(fā)電機的運行可靠、價格低等優(yōu)勢，使得異步發(fā)電機+全功率變頻器方案備受關注。PCS 6000采用三電平四象限

5、全功率的拓撲結構，不但滿足永磁發(fā)電機+全功率變頻器的方案，而且匹配異步發(fā)電機+全功率變頻器的方案。圖3 變頻器現(xiàn)場安裝布局 圖4 變頻器功率柜3. ABB中壓全功率風電變頻器PCS 6000風電變頻器PCS 6000是一款38MVA風電機組電網(wǎng)連接的理想的變頻器，它沿用了ABB 6000系列的水冷方式，基于功率器件集成門極換流晶閘管（IGCT）并聯(lián)技術，以其大功率密度、高可靠性為風電機組提供最優(yōu)方案。其緊湊的結構，為客戶提供簡潔的布局方案，圖3展示了現(xiàn)場的安裝布局。3.1 系統(tǒng)結構風電變頻器PCS 6000含有兩個通過直流連接的功率單元，既網(wǎng)側變流器和機側變流器，其硬件結構完全一致。發(fā)電機通過

6、PCS 6000連接電網(wǎng)的升壓變壓器，系統(tǒng)結構如圖5所示。該系統(tǒng)圖還包含了網(wǎng)側濾波器、VLU（voltage limit unit）和機側濾波器。機側濾波器作用是為了降低發(fā)電機側的電壓尖峰，從而避免發(fā)電機過壓，損壞電機。而網(wǎng)側濾波器是一個LC濾波器，同時包含了一個特別的阻尼電路，降低電網(wǎng)側的低次諧波，來滿足電網(wǎng)的要求。并聯(lián)在中間直流環(huán)節(jié)的VLU單元，其作用是在電網(wǎng)發(fā)生穿越時保護直流單元正常工作，避免發(fā)電機轉矩隨著電網(wǎng)的波動而振動。在發(fā)電機側變流器（INU）和發(fā)電機斷路器之間還并聯(lián)了一個預充電單元，通過預充電單元把直流母線電壓沖到額定值，之后網(wǎng)側變流器（ARU）啟動并與電網(wǎng)同步，這樣就保證閉合網(wǎng)

7、側斷路器的時候，沒有沖擊電流，實現(xiàn)軟啟的功能。由于風電變頻器PCS 6000采用了三電平的拓撲結構，和傳統(tǒng)的兩電平電壓型變頻器相比較有著固有的優(yōu)勢：電流波動小和更好的諧波曲線，從而減小發(fā)電機的轉矩振動對齒輪的沖擊。同時PCS 6000采用了集成的冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)由水/空氣熱交換器和閉環(huán)冷卻回路組成。冗余冷卻泵可以自動切換，確保無故障運行，延長零部件維修間隔；在起動與運行中，集成的熱交換器旁通閥將冷卻水溫維持在最佳水平。3.2 技術特點（1）變流器緊湊度高。電壓限制單元、充電單元、水冷單元都集成在PCS 6000柜內；8MVA只需26塊集成門極換流晶閘管（IGCT），增加可靠性；適合安裝在塔架內

8、部的單一平臺上。（2）U/F模式?？蛇M行發(fā)電機電動工況下的全速試驗，出廠前以額定電流和速度高效測試風電機各組件。充當驅動器的變流器可在全部4象限內運行，提供雙向電流并全面控制無功功率。（3）I/F模式。精確轉子定位功能，直升機可以更安全的接近風電機，為風電機安裝與維護提供便利。（4）主動傳動系阻尼功能?？蓪l(fā)電機從電網(wǎng)解列，最大限度減輕破壞性峰值扭矩造成的沖擊，避免了電網(wǎng)擾動時或擾動后對齒輪的沖擊。它還能消除整個轉速范圍內的嚴重系統(tǒng)振蕩，生成平滑的扭矩曲線。（5） 軟啟功能。自動啟動變流器預充電、變壓器預磁化及零電流電網(wǎng)同步，實現(xiàn)無沖擊并網(wǎng)，嚴格遵守電網(wǎng)規(guī)范。（6）無與倫比的諧波性能。變流器內

9、置的算法可消除29次以下的諧波，滿足電網(wǎng)的相關標準。（7）有功和無功全控功能。即使連接較弱的電網(wǎng)，通過有功和無功的動態(tài)調節(jié)也可以最佳地穩(wěn)定電壓與頻率。（8）穿越功能。電網(wǎng)出現(xiàn)重大擾動時，通過啟動制動斬波器，把產生的能量消耗在并聯(lián)的電阻上，確保風電機不脫；當故障解除時，風電機即按相關電網(wǎng)規(guī)范，平滑并網(wǎng)。變頻器可以實現(xiàn)發(fā)電機和電網(wǎng)的完全解耦，減小發(fā)電機期間的壓力。圖5變頻器系統(tǒng)簡圖 圖6 變頻器冷卻系統(tǒng)簡圖圖7 系統(tǒng)控制簡圖 圖8 ABB Commissioner圖9 遠程監(jiān)控系統(tǒng)簡圖 圖10 無功補償簡圖圖11 無功雙向補償簡圖 圖12 U/Q特性曲線圖13 過勵磁下的感性無功響應 圖14 電壓

10、平衡跌落70%圖15 直流充電波形（9）風機超速保護。變頻器以弱磁模式工作，維持發(fā)電機在超速情況下在網(wǎng)并發(fā)出最大功率。(10) 免熔斷器設計。海上風機發(fā)生故障時，一旦故障排除，可立即遠程重啟，不必赴現(xiàn)場更換熔斷器。3.3 PCS 6000控制系統(tǒng)圖7展示了PCS 6000的控制系統(tǒng)?？刂坪捅O(jiān)控系統(tǒng)、外部接口和測量設備等都位于控制柜中。核心控制器800 PEC，它是ABB的一款高性能處理控制系統(tǒng)。800 PEC控制器通過Control Builder M 配置和編程的，基于組合式的最優(yōu)解決方案：高速響應電力電子器件請求；低速處理PLC任務。800 PEC內部集成了Anybus通信模塊， 與上位機

11、進行通訊； 通過ABB Commissioner對PCS 6000進行操作和故障分析；也可以通過以太網(wǎng)可以進行遠程監(jiān)控變頻器的實時數(shù)據(jù)、狀態(tài)和命令，這對于海上風機顯得尤為重要。通過對ABB的信息診斷分析系統(tǒng)（DIAS）的監(jiān)控，任何故障都可以得到來自瑞士技術中心團隊提供的優(yōu)質服務。圖16 無功補償模式下電壓、電流的波形4. 滿足電網(wǎng)準則盡管國家電網(wǎng)不斷提高風電場入網(wǎng)的準則，要求風電機組具有無功補償、電壓調節(jié)，低電壓穿越等功能，ABB始終以其不斷完善、銳意創(chuàng)新的變流技術滿足當前乃至未來的電網(wǎng)規(guī)范要求。4.1 無功補償原理為了向電網(wǎng)提供無功功率，需要一個電壓可變的電壓源和一個電感，比如一個變壓器，如

12、圖10所示。UComp代表了補償?shù)淖冾l器，UGrid代表了電網(wǎng)，感抗XT代表了變壓器的漏抗，UT表示經過變壓器的電壓降，它也決定了UComp向UGr id補償?shù)臄?shù)量。由電壓降UT可以直接得到電網(wǎng)的電流I Gr id=UT/XT，I Gr idUGr id就是變頻器需要向電網(wǎng)補償?shù)墓β省D11給出了電網(wǎng)電壓恒定的情況下的兩種補償簡圖。左邊的圖說明在UCompUGr id的情況下，I Gr id被定義為容性；右邊的圖說明UCompUGrid的情況下，IGrid被定義為感性。由此可知， PCS6000可以看作成UComp因此可以向電網(wǎng)動態(tài)的補償無功。4.2 電壓控制電壓由一個比例控制器所控制，圖12所示。與電壓相關的有UO和增益N（數(shù)值可以由U/Q的特性回滯曲線得到）能被上位機控制并調節(jié)。電網(wǎng)電壓的測量值被反饋到上位機，無功功率隨著電壓的設定點進行調解。當控制著兩臺或者更多臺并聯(lián)的PCS6000的時候，通過調節(jié)設定點UO和回滯比例N可以控制每臺變頻器的電壓。一個經過擾動的系統(tǒng)想要母線電壓恢復到正常值，比如有一個很大的負載變化，這時電壓能夠很快的恢復。典型的響應時間為5070ms。下面的參數(shù)應用于U/Q特性回滯曲線，見表1。表15. 仿真結果風機額定功率5MW過勵磁下的感性無功響應：電壓平衡跌落70響應：6. 應用案例某風電公司研發(fā)的6 MW風機使用了PCS