SWITCH變流器在兆瓦級直驅(qū)型風機中的應(yīng)用

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１.

簡介

近年來，兆瓦級風機市場在以極快的速度增長著。金風公司在國內(nèi)領(lǐng)先引導(dǎo)的直驅(qū)型風機，是其中很有前途的一種機型,其中主要使用的變流器是SWITCH公司的產(chǎn)品。在過去的兩年里，SWITCＨ公司制造的全功率變流器和金風公司直驅(qū)型風機一同進步,逐漸成熟。

2.

金風直驅(qū)型風機的原理及特點

2.1。

直驅(qū)型風機之原理

兆瓦級風機市場上的主流是變漿變速風機,依據(jù)結(jié)構(gòu)的不同又可以分為兩種:雙饋型和直驅(qū)型.雙饋型采納雙饋發(fā)電機，在轉(zhuǎn)子繞組上串入可以四象限運行的變頻器,掌握定子繞組和電網(wǎng)之間的功率流淌。這種結(jié)構(gòu)對變頻器的功率要求只有系統(tǒng)總功率的1／3左右。

圖１:雙饋型變流裝置示意圖

金風公司的直驅(qū)型風力發(fā)電機組采納永磁式發(fā)電機的形式，將電機定子繞組輸出直接連接到全功率的變流器上,由變流器將電機輸出變化的電壓/電流轉(zhuǎn)換為和接入電網(wǎng)電壓和頻率相匹配的形式.

圖２：直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

為了降低電機成本，盼望變流器具有能夠調(diào)節(jié)電機內(nèi)磁場的功能，因此全功率四象限變流器就成為了直驅(qū)型風機變流器的首選。

２。２。

直驅(qū)型風機之優(yōu)點及和雙饋機型的異同

和雙饋型風力發(fā)電機組相比,直驅(qū)型機組有如下特點:

優(yōu)點包括:

省略了齒輪箱,機械系統(tǒng)大為簡化，機械牢靠性顯著提高。

在發(fā)電機和電網(wǎng)之間采納了完全可控的全功率變流器進行功率轉(zhuǎn)換，在電網(wǎng)側(cè)能夠自由的實現(xiàn)各種功能，如低電壓穿越、動態(tài)無功補償，甚至有限的諧波補償能力。在接入網(wǎng)性能方面，直驅(qū)型機組具有無以倫比的優(yōu)勢。

由于少了齒輪箱等傳動機構(gòu)，且沒有附加的勵磁損耗,風機整體效率較雙饋機組高,理論值為3％，在吉林、內(nèi)蒙多個風況相同現(xiàn)場的實際差異則遠高于此數(shù)值。

由于沒有齒輪箱、碳刷等機構(gòu)，機組需要定期維護的器件數(shù)量大大降低,長期維護成本較低。

由于直驅(qū)發(fā)電機的特點，使得直驅(qū)風機在低速時切入速度小于雙饋機組,從而使整機的發(fā)電量和發(fā)電效率提高。

缺點是：

由于采納了低速電機,電機尺寸浩大，整體重量和成本較雙饋機組更高.吊裝、安裝等成本也有所上升.?

由于必須使用全功率變流器,在這一個部件上的成本也要高出５０%。相應(yīng)的，變流器故障率也較雙饋型機組更高。

目前，金風公司1．5ＭW直驅(qū)型機組已經(jīng)在新疆、內(nèi)蒙、渤海灣等多個現(xiàn)場運行了兩年以上,其可利用率不斷上升，發(fā)電量高、易于維護等優(yōu)點也逐漸為各個業(yè)主所認可。

3．

SＷＩTCH變流器的原理和特點

3．1。

基本參數(shù)

電機參數(shù)：

雙繞組,

額定電壓：690V

額定功率：160０ｋW

每繞組額定電流:620A

額定頻率:13．７Ｈz

功率因數(shù)：1。0

電網(wǎng)參數(shù):

額定電壓:690V

額定頻率:50/60Hｚ

額定電流：132０A

功率因數(shù):0.9５.

等效年工作時間:3500小時。

環(huán)境參數(shù):

運行環(huán)境溫度：－40～+40攝氏度

儲存環(huán)境溫度：—50~＋5０攝氏度

運行濕度：＜90％

3.2．

拓撲結(jié)構(gòu)

圖3：sｗｉtch變流器一次系統(tǒng)圖

從上圖中可見，SWITCH變流器主要由網(wǎng)側(cè)逆變單元1Ｕ1，電機側(cè)逆變單元２U1,3Ｕ1和制動單元4Ｕ１組成。每個模塊的設(shè)計原理均相同，在結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵器件選型上有所差別。這樣在保證了較低成本的同時提高了生產(chǎn)的全都性,降低了產(chǎn)業(yè)化的難度。

為了保護電機絕緣,在電機側(cè)逆變單元出口處還設(shè)置了dｕｄt濾波器。

3。3。

掌握及保護原理

和大多數(shù)商用四象限變頻器一樣，ｓwitch在掌握上采納了分布式掌握的方式,也即每個功率模塊都能夠獨立的執(zhí)行掌握、保護、監(jiān)測等功能，模塊之間則通過現(xiàn)場總線連接.

圖４：模塊間通信拓撲

為了實現(xiàn)掌握目標解耦,在網(wǎng)側(cè)逆變單元處采納了以直流電壓恒定為目標的掌握方式，在電機側(cè)采納了跟蹤風機掌握器給定轉(zhuǎn)矩的方式。

下圖給出了網(wǎng)側(cè)掌握規(guī)律框圖:?

圖5:sｗitｃｈ變流器網(wǎng)側(cè)掌握框圖

除了前面提到的以直流電壓恒定為目標掌握Iq之外,作為全功率變流器還具有自由調(diào)節(jié)輸出無功電流Id的能力.變流器可以依據(jù)風機給定值發(fā)出或汲取無功功率,這對于降低業(yè)主風電場投資,改善電壓特性具有明顯的作用。

目前，金風公司的直驅(qū)型風機已在東北某風電場實現(xiàn)了無功功率補償功能，依據(jù)目前數(shù)據(jù),該風電場66kＶ高壓側(cè)的功率因數(shù)達到了1。

３。4.

結(jié)構(gòu)和冷卻

ＳＷITCH變流器采納了水冷冷卻方式，這種方式能夠大大縮小變流器體積和重量,為吊裝和維護供應(yīng)便利。變流器大部分熱量，包括IGBＴ發(fā)熱都將由循環(huán)水帶走。

變流器內(nèi)除了IＧＢT之外還有其他發(fā)熱體，這部分熱量通過柜內(nèi)通風循環(huán)最終由水帶走,見下圖：

圖6：SWIＴCH變流器散熱方式圖

在柜體中部有數(shù)個水-風熱交換器,其他發(fā)熱體所產(chǎn)生的熱量通過熱交換器被水帶走.實際測試的結(jié)果表明，在滿負荷的工況下,柜內(nèi)空氣溫度與環(huán)境溫度差在5攝氏度左右。

３.5．

后臺監(jiān)控(NCDRＩVＥ)

為了便利現(xiàn)場應(yīng)用,SWITCH變流器給用戶配置了后臺監(jiān)控軟件ＮＣDＲＩVE。這是一個可以全面監(jiān)控變流器的工具,用它不但可以實現(xiàn)簡潔的參數(shù)調(diào)整,還能夠在現(xiàn)場實時監(jiān)測變流器的工作狀況，相當于一個便攜的示波器；此外其附帶的故障記錄功能還可以在消滅問題時幫助我們快速的找到問題的根源。

圖７:NCＤRIVE的監(jiān)控窗口

圖8：NCＤRIＶＥ故障記錄窗口

具備了以上特性,SＷITCH變流器能夠基本適應(yīng)直驅(qū)型風機對變流器的需求。

以下介紹SＷITCＨ變流器在風機行業(yè)一個關(guān)鍵的問題上的表現(xiàn)：

４.

低電壓穿越功能

依據(jù)Ｅ-ON的要求,風機必須實現(xiàn)低電壓穿越功能，才能符合接入電網(wǎng)的條件。也即當風機并網(wǎng)點電壓跌落水平高于圖中實線范圍時,要求風機不脫網(wǎng)，甚至以滿電流發(fā)出無功功率以支撐系統(tǒng)電壓。

圖９:低電壓穿越要求曲線

始終以來對于低電壓穿越功能的有用型都存在爭議。但隨著風機在不同電網(wǎng)條件環(huán)境下的應(yīng)用，人們都開頭意識到：風資源良好的地方，往往都處于電網(wǎng)末梢,其短路容量較低，在消滅短路故障或有大電機負荷啟動的時候，系統(tǒng)電壓降低常常發(fā)生。不能實現(xiàn)低電壓穿越功能的機組，或者選擇停機等待電網(wǎng)穩(wěn)定，或者必須承受一次又一次的緊急停機——而這樣的沖擊對于槳葉、軸承等機械元件的牢靠性都是不利的。同時，在風電裝機比例較高地區(qū)的電網(wǎng)上，在高風速期間,由于輸電網(wǎng)故障引起的大量風電切除會導(dǎo)致系統(tǒng)浪流的大幅變化,甚至可能引起大面積的停電,造成頻率穩(wěn)定性的波動，從而影響整體電網(wǎng)的性能。

因此低電壓穿越功能具有突出的現(xiàn)實意義，對于提高風機的長期牢靠性和短期可利用率都是有益的。

作為直驅(qū)型風機變流器，SＷITCH變流器具有良好的低電壓穿越能力,下圖為實際測試中的電流波形:

圖1０：ＳＷITＣH變流器三相低電壓穿越試驗波形

對于現(xiàn)場消滅幾率更高的單相低電壓穿越,最近的試驗表明SＷITCH變流器也能夠順利的通過，關(guān)于此內(nèi)容將另行撰文敘述.

5.

結(jié)論

直驅(qū)型風機在電網(wǎng)接入性能，機械系統(tǒng)牢靠性、整機效率等方面對雙饋型風機具有顯著優(yōu)勢，在成本得到有效掌握后，將會全面超越雙饋型風機。

SWＩTCH變流器是一種四象限變頻器,通過采納分布式掌握，模塊化功率單元設(shè)計，在保證較低成本的同時提高了生產(chǎn)的全都性,降低了產(chǎn)業(yè)化的難度。

高效的柜內(nèi)散熱能力，緊湊的柜體外形,便利靈敏的有用工具，讓SWIＴＣＨ變流器對風機環(huán)境具有較好的適應(yīng)能力。

低電壓穿越功能對于風電場業(yè)主而言在短期的機組可利用率，和長期的機械系統(tǒng)牢靠性兩方面具有重要意義.風機系統(tǒng)中的實踐證明，SWＩTCH變流器具有良好的低電壓穿越能