高壓變頻器在風(fēng)力發(fā)電全功率實(shí)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(fēng)力發(fā)電機組全功率實(shí)驗系統中的應用情況，提出了高壓變頻器應用于該實(shí)驗臺的設計方案。根據設計方案建設的3 MW風(fēng)力發(fā)電機組全功率實(shí)驗臺，經(jīng)大量實(shí)驗驗證后，投入到風(fēng)力發(fā)電機組的出廠(chǎng)實(shí)驗和老化實(shí)驗中。經(jīng)應用實(shí)踐表明，風(fēng)力發(fā)電機組全功率實(shí)驗系統采用高壓變頻器驅動(dòng)原動(dòng)機后，取得了很好的應用效果，同時(shí)拓寬了多電平單元串聯(lián)高壓變頻器的應用領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器；多電平；風(fēng)力機；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(lèi)新能源中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對成熟且最具大規模商業(yè)開(kāi)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)電機組類(lèi)型主要有雙饋型、半直驅型和直驅型。每種風(fēng)力發(fā)電機組在運輸到風(fēng)場(chǎng)前，都要經(jīng)過(guò)廠(chǎng)內的全功率實(shí)驗考核。風(fēng)力發(fā)電機組有多種全功率實(shí)驗方法，這里結合3 MW半直驅型風(fēng)力發(fā)電機組全功率實(shí)驗臺設計方案和應用案例，介紹了一種在實(shí)驗系統中拖動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機運轉的原動(dòng)機采用高壓變頻器驅動(dòng)的方法。

2 實(shí)驗系統介紹
風(fēng)力發(fā)電機組全功率實(shí)驗臺包括原動(dòng)機、齒輪箱、風(fēng)力發(fā)電機、并網(wǎng)變頻器及驅動(dòng)原動(dòng)機的可變頻調速的變頻器等設備。原動(dòng)機在系統中帶動(dòng)發(fā)電機旋轉，通過(guò)可變頻調速的變頻器調節原動(dòng)機的轉速，使發(fā)電機可在不同轉速下運行，模擬現場(chǎng)風(fēng)輪驅動(dòng)發(fā)電機的運行特性。
風(fēng)力發(fā)電機組的實(shí)驗系統耗電量較大，在設計時(shí)需考慮系統的節能。通常采用能量回饋循環(huán)再利用的方式，即讓風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能回送到電網(wǎng)，原動(dòng)機再利用這部分電能。這樣系統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(gè)實(shí)驗系統的損耗即可達到用電量最小的目的。由于風(fēng)力發(fā)電機組均配置有并網(wǎng)變頻器，因此，整個(gè)實(shí)驗系統無(wú)需增加額外的并網(wǎng)設備即可實(shí)現將電能回饋到電網(wǎng)。
大型工廠(chǎng)中，用電設備數量多，設備容量較大。因此，供電部門(mén)送到用戶(hù)端的電源電壓等級一般為高壓10 kV，而風(fēng)力發(fā)電機組常見(jiàn)的輸出電壓等級為低壓690 V或其他，3 MW風(fēng)力發(fā)電機組的額定并網(wǎng)電壓為620 V。這樣在實(shí)驗系統中就形成了一個(gè)兩級電網(wǎng)，在該電網(wǎng)中，可將能量回饋設置在10 kV級或620 V級。10 kV級為廠(chǎng)用電的入口級，除了給風(fēng)力發(fā)電機組實(shí)驗供電外，還可能給其他設備供電，因此，若在10 kV級實(shí)現能量回饋，則可能對其他設備的用電產(chǎn)生一定影響。同時(shí)，由于電壓等級較高，導致實(shí)驗系統的建設成本較高；若在620 V級實(shí)現能量回饋，由于這部分電源僅給風(fēng)力發(fā)電機組實(shí)驗系統供電，還有10 kV／620 V降壓變壓器的隔離，可使風(fēng)力發(fā)電機組在實(shí)驗時(shí)對其他設備的用電影響最小。同時(shí)，電壓等級的大幅降低，將大大降低實(shí)驗系統的建設成本。
傳統的低壓原動(dòng)機和低壓變頻器驅動(dòng)的組合方式，在故障維護成本和響應時(shí)間等方面存在一定的局限性。隨著(zhù)現代電力電子技術(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)電機組全功率實(shí)驗系統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(dòng)機選擇高壓電動(dòng)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(shù)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(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 設計方案
3．1 高壓變頻器選型
3 MW半直驅型風(fēng)力發(fā)電機組全功率實(shí)驗臺配置一臺4 MW／6 kV高壓原動(dòng)機，由于風(fēng)力發(fā)電機組在出廠(chǎng)實(shí)驗中需進(jìn)行過(guò)載實(shí)驗，故高壓變頻器的額定容量配置為5 MVA。風(fēng)力發(fā)電機組并網(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，故需將驅動(dòng)高壓原動(dòng)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(gè)IGBT功率單元模塊串聯(lián)組成多電平高壓變頻器。
3．2 系統方案
根據實(shí)驗臺設計的實(shí)際情況，系統方案在風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)電壓620 V，能量回饋在620 V級電網(wǎng)下實(shí)現。系統中，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(dòng)機提供變頻電源，高壓原動(dòng)機即可實(shí)現調速運行。再通過(guò)傳動(dòng)鏈帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機在不同轉速下運行，發(fā)出的電能經(jīng)風(fēng)機并網(wǎng)變頻器回饋到620 V電網(wǎng)。整個(gè)能量回饋循環(huán)系統可模擬風(fēng)力發(fā)電機在風(fēng)場(chǎng)不同轉速下的運行模式，并可進(jìn)行各種實(shí)驗。
同時(shí)，高壓變頻器的輸出頻率是可調節的，因此，可讓高壓原動(dòng)機實(shí)現變頻調速運行，既可節能，又可達到讓發(fā)電機模擬現場(chǎng)風(fēng)速變化時(shí)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定，輸出正弦波形好，效率高；對電網(wǎng)諧波污染小，THD4％，滿(mǎn)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(dòng)、噪音、輸出du／dt、共模電壓等問(wèn)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)電機組全功率實(shí)驗系統中，發(fā)電機的并網(wǎng)額定電壓為620 V。若在620 V級電網(wǎng)實(shí)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。