李學(xué)哲張全柱鄧永紅黃成玉

(華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所，北京東燕郊 101601)

MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)主電路的應(yīng)用研究①

李學(xué)哲②張全柱鄧永紅黃成玉

(華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所，北京東燕郊 101601)

對MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)主電路進(jìn)行了研究，比較分析了兩種主電路結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點，提出了一種交流勵磁變換結(jié)構(gòu)的主電路結(jié)構(gòu)形式。重點介紹了該電路系統(tǒng)的原理、實現(xiàn)方案及主要特點。該系統(tǒng)設(shè)計方案新穎、技術(shù)先進(jìn)、性能指標(biāo)優(yōu)越，可以在風(fēng)電行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。

MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;主電路結(jié)構(gòu);交流勵磁變換

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問題日益嚴(yán)重。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到各國的重視，已經(jīng)成為各國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。風(fēng)力發(fā)電的過程是將風(fēng)能經(jīng)由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，其中負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其主電路系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，其運(yùn)行狀況直接影響著整個系統(tǒng)的性能。因此，研制適用于風(fēng)電轉(zhuǎn)換的高可靠性、高效率的主電路系統(tǒng)和供電性能良好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，具有重要的意義。

發(fā)電機(jī)是實現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿脑O(shè)備。交流發(fā)電機(jī)可分為同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)兩種［1］。同步發(fā)電機(jī)的電樞繞組與三相電網(wǎng)連接，勵磁繞組與直流電源連接，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜;而異步發(fā)電機(jī)的定子繞組接交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組不需要與其它電源連接，具有結(jié)構(gòu)簡單，制造，使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠。質(zhì)量較小，成本較低等優(yōu)點，因此國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本都選用異步發(fā)電機(jī)。

目前，MW級大型風(fēng)電系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)一直是各國研究的重點，很多關(guān)鍵技術(shù)仍需要深入研究。本文分析比較了兩種常用大型風(fēng)電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，提出了一種新型的交流勵磁變換結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在元器件的選型和模塊串并聯(lián)技術(shù)上，有一定的創(chuàng)新，實現(xiàn)了器件的動態(tài)均壓和均流運(yùn)行。

1 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主電路結(jié)構(gòu)形式比較

1.1 全額定值變換結(jié)構(gòu)

要將風(fēng)電機(jī)組輸出的電壓和頻率變?yōu)殡娋W(wǎng)的恒定電壓和頻率加以傳輸，目前一般采用全額定值變換原理，見圖1。風(fēng)電機(jī)組通過全額定值變頻器和變壓器與高壓電網(wǎng)相聯(lián)，變頻器將風(fēng)電機(jī)組輸出的總是在不停變化的交流電壓，首先變換成直流，再逆變成電壓頻率和幅值及相位與電網(wǎng)一致的交流電源電壓。顯然，變頻器的容量必須與發(fā)電機(jī)的額定容量對等，因此，把這種變頻器稱作全額定值變頻器［2］。這種方式的最大優(yōu)點是發(fā)電機(jī)的變速范圍寬，適用風(fēng)力變化較大的環(huán)境能力強(qiáng)，而且維護(hù)簡便。缺點是變頻器容量大，體積大，并由于風(fēng)力機(jī)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)角頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電網(wǎng)工頻角頻率，為減輕發(fā)電機(jī)的重量，以及變頻器中直流環(huán)節(jié)的紋波系數(shù)，必須在風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間設(shè)置增速用齒輪箱。

圖1 全額定值變換結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計如圖2所示的主電路原理圖。該電路實質(zhì)為交直交功率變換系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)輸出的幅值和頻率變化交流電通過整流和斬波升壓，調(diào)整成DC1200V，再通過逆變單元和變壓器輸出電壓頻率和幅值及相位與電網(wǎng)一致的交流電源電壓。為了增大系統(tǒng)容量，主電路功率器件均采用并聯(lián)技術(shù)。

圖2 全額定值變換主電路原理圖

2.2 交流勵磁變換結(jié)構(gòu)

除上述圖1這種方式外，較為受關(guān)注的是用變頻器對風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行勵磁方式。如圖3所示。

圖3 交流勵磁變換結(jié)構(gòu)

通過控制變頻器對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路輸出的三相交流低頻電壓的相位、幅值及頻率，來達(dá)到發(fā)電機(jī)變速恒頻恒壓以致聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的目的。這種方式的優(yōu)點是，所用變頻器的體積容量大為減少，變頻器容量只有被勵發(fā)電機(jī)容量的1/3～1/4，而且省去了風(fēng)力與發(fā)電機(jī)間的增速齒輪箱，以及發(fā)電機(jī)電樞繞組與電網(wǎng)間的可能需要設(shè)置的升壓變壓器。

系統(tǒng)的工作原理：變流器和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是通過控制轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變速運(yùn)行。轉(zhuǎn)子通過變流器連接到主電源上，變流器能夠根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速提供給轉(zhuǎn)子電壓、頻率可變的電源。變流器能使轉(zhuǎn)差功率在主電源和變流器直流回路中進(jìn)行輸送和回饋的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)使用主電抗器把變頻器和主電源隔離開來，確保主電源上粘附的諧波分量被限制后輸送到變流器。

本文設(shè)計的變流器系統(tǒng)采用交流勵磁變換結(jié)構(gòu)，采用PWM整流+PWM逆變方式，電壓等級690V，適合發(fā)電機(jī)組功率1.2MW。下面詳細(xì)加以介紹。

3 雙饋型風(fēng)能發(fā)電機(jī)組變流器主電路設(shè)計

3.1 系統(tǒng)工作原理

變流器和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是通過控制轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變速運(yùn)行。三相雙饋異步發(fā)電機(jī)定子繞組通過定子接觸器K2直接連接到變壓器690V電源輸出的二次繞組上，轉(zhuǎn)子則通過濾波器，變流器，電抗器和轉(zhuǎn)子接觸器連接到這一點上。發(fā)電機(jī)的定子通過逆變器的轉(zhuǎn)子通過變流器連接到主電源上，變流器應(yīng)能夠根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速提供給轉(zhuǎn)子電壓、頻率可變的電源。變流器能使轉(zhuǎn)差功率在主電源和變流器直流回路中進(jìn)行輸送和回饋的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)使用主電抗器把變頻器和主電源隔離開來，確保主電源上粘附的諧波分量被限制后輸送到變流器。

變流器應(yīng)能根據(jù)預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)矩或電機(jī)內(nèi)部性能通過高一級控制器的速度設(shè)置來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率。變流器應(yīng)能通過判斷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)來決定轉(zhuǎn)差功率是主電源輸送到電機(jī)還是轉(zhuǎn)差功率從電機(jī)反饋到主電源。

如果主電源短路時發(fā)電機(jī)過流，變頻器應(yīng)能夠通過電流檢測裝置關(guān)斷變流器從而保護(hù)變頻器中的半導(dǎo)體器件，轉(zhuǎn)子電流能夠通過短路排進(jìn)行短路，直到勵磁電流接近于零。同時要使發(fā)電機(jī)從主電源中被分?jǐn)嚅_來。

圖4顯示了整個系統(tǒng)的工作原理。它的重要部件是雙電源雙饋異步電動機(jī)，起到發(fā)電機(jī)的作用。在定子一側(cè)，雙饋異步電動機(jī)通過定子接觸器，同步開關(guān)連接到690V主電源上。在轉(zhuǎn)子一側(cè)，標(biāo)準(zhǔn)脈沖變流器，即IGBT機(jī)側(cè)變流器(MPR)根據(jù)不同速度調(diào)整電壓及頻率，提供給雙饋異步電動機(jī)。另一個標(biāo)準(zhǔn)脈沖變流器，網(wǎng)側(cè)變流器(NPR)，能使轉(zhuǎn)差功率在主電源和變流器直流回路中進(jìn)行輸送和回饋的轉(zhuǎn)換。扼流圈把主電源和變壓器隔離開來。

圖4 雙饋型風(fēng)能發(fā)電機(jī)組變流器主電路原理圖

變流器能對機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，并確保運(yùn)行過程的安全性和可靠性。

3.2 主電路關(guān)鍵元器件選型

1)IGBT模塊

圖5－a IGBT實物圖

圖5－b IGBT原理圖

系統(tǒng)中IGBT模塊采用英飛凌(infineon)公司的高壓模塊FZ1500R33HL3。該模塊實物圖及原理圖如圖5所示。

FZ1500R33HL3是英飛凌公司生產(chǎn)的高性能大功率單開關(guān)IGBT模塊［3］，由于采用了并聯(lián)擴(kuò)容技術(shù)，模塊的功率得到了極大的增強(qiáng)，VCES最高可達(dá)3300V，最大工作電流可達(dá)1500A。該模塊的技術(shù)參數(shù)可以滿足MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)的要求。

2)傳感器

系統(tǒng)中電壓的檢測采用南京托肯電子科技有限公司的霍爾電壓傳感器TBV10/25A。系統(tǒng)中電流的檢測采用LEM公司的電流互感器DHR 500 C420。這兩種傳感器都屬于結(jié)構(gòu)緊湊的通用型傳感器，適用于高電壓、大電流應(yīng)用場合。

3)散熱器

為了增強(qiáng)散熱效果，系統(tǒng)采用新型熱管散熱器散熱，高效率/低風(fēng)阻散熱風(fēng)道通風(fēng)。在自然對流冷卻條件下，熱管散熱器比實體散熱器的性能可提高十倍以上。熱管自冷散熱系統(tǒng)沒有噪音、免維修、安全可靠。

5)冷卻風(fēng)扇

冷卻風(fēng)扇采用深圳建準(zhǔn)電機(jī)工業(yè)有限公司生產(chǎn)的交流風(fēng)機(jī)1123XBT。該風(fēng)機(jī)采用AC110V供電，功率15W，轉(zhuǎn)速2000rpm，風(fēng)量65 cfm，冷卻效果極好。

3.3 IGBT主電路設(shè)計

IGBT主電路包括網(wǎng)側(cè)變流器(NPR)和機(jī)側(cè)變流器(MPR)［4］，原理圖如圖6、7所示。NPR和MPR分別由6個功率開關(guān)組成。在逆變器直流母線上用0.1uF/3300V的高頻無感電容作為Snubber吸收電容，以吸收高頻尖峰電壓，以保護(hù)IGBT器件。NPR在控制電路的驅(qū)動脈沖作用下，實現(xiàn)AC690V三相交流電壓至DC1200V直流電壓轉(zhuǎn)變。MPR在控制電路的驅(qū)動脈沖作用下，實現(xiàn)變頻、變壓三相交流電壓輸出。

圖6 網(wǎng)側(cè)變流器(NPR)原理圖

圖7 機(jī)側(cè)變流器(MPR)原理圖

3.4 主電路設(shè)計特點

主電路在元器件的選型和模塊串并聯(lián)技術(shù)上，有一定的創(chuàng)新，實現(xiàn)了器件的動態(tài)均壓和均流運(yùn)行。主電路在風(fēng)冷散熱方面有一定的創(chuàng)新設(shè)計，表現(xiàn)在新型熱管散熱器的選擇、高效率/低風(fēng)阻散熱風(fēng)道的設(shè)計、高速散熱軸流風(fēng)機(jī)的選擇與設(shè)計等方面;

在驅(qū)動電路和檢測電路等弱電回路中，完全貫徹了電氣領(lǐng)域電磁兼容的設(shè)計理念，在設(shè)計上有多處創(chuàng)新點。如驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)用光纜傳輸驅(qū)動信號，多通道傳感檢測、故障自動切換和冗余設(shè)計等，使系統(tǒng)可靠性高，抗電磁干擾能力強(qiáng)，電磁兼容性能好。

4 結(jié)語

本文提出的采用交流勵磁結(jié)構(gòu)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換主電路系統(tǒng)，集現(xiàn)代電力電子技術(shù)、計算機(jī)測控技術(shù)于一體，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。由于在主電路上采用了模塊串并聯(lián)技術(shù)，極大的提高了系統(tǒng)的功率。通過模塊串聯(lián)提高系統(tǒng)耐壓，通過模塊并聯(lián)增大系統(tǒng)功率，非常適合用在大功率、要求較高的風(fēng)力發(fā)電廠中。

［1］姚興佳.大型變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總體設(shè)計中的幾個問題探討［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，(2)：64－69

［2］葉啟明.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點［J］.華中電力，2002，(2)：67－68

［3］楊俊華.現(xiàn)代控制技術(shù)在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.北京：太陽能學(xué)報，2004，(4)：64－69

［4］陳伯時.矩陣式交－交變換器及其控制［J］.電力電子技術(shù)，1999，(1)：10－54

The application research of main circuit of MW level wind power system

LI Xuezhe，ZHANG Quanzhu，DENG Yonghong，HUANG Chengyu
(North China institute of science and technology，Yanjiao Beijing-East101601)

In the paper，we study the main circuit of MW level wind power system，and compare the advantages and disadvantages of two main circuit structure forms.Finally a kind of ac excitation transform structure is put forward，and the principle，circuit system implementation scheme and main characteristics are mainly introduced.The system has innovative designing，advanced technology，superior performance.It can be promoted application in wind power industry.

MW level wind power system;structure form of main circuit;Ac excitation

TM614

A

1672－7169(2011)01－0045－05

2010－12－07

李學(xué)哲(1976－)，男，吉林通化人，碩士，華北科技學(xué)院機(jī)電系講師，研究方向：傳感器測控，光機(jī)電一體化技術(shù)。