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一种应用于1.5MW双馈风力发电机的变流系统介绍
jiang_0514 发表于 2009/7/10 12:38:49 2100 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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一种应用于1.5MW双馈风力发电机的变流系统介绍
——南京南瑞继保电气有限公司 杨浩
一、引言
风力发电技术是目前开发最成熟和商业化运作最成功的新能源技术，也是解决我国电力和能源紧缺的重要战略选择，在我国有广阔的发展前景。但从技术层面上看，国内的风电设备研发技术仍显薄弱，风电产业链发育不完善，风电设备产能不足，大型风电设备的严重依赖进口。
随着计算机与控制技术的飞速发展，风力发电技术的发展极为迅速，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展。目前市场上的风机机组类型以双馈变速恒频型、变速恒频直驱型为主体，其中，由于双馈型较之直驱型又具有容量更小（为机端容量的30%左右）等优点。
双馈发电系统的核心部分在于其双馈变流系统及其控制系统，而国内双馈变速恒频风电机组的变流系统部分基本被国外电气巨头垄断，严重依赖进口，价格昂贵。南瑞继保电气有限公司作为主要从事电力系统保护、控制领域的技术开发和产业化的国家级重点高新技术企业，多年来已在电力电子技术领域取得了一系列重大的成绩和突破，在高压直流输电的控制和保护、SVC、直流融冰等方面达到了国际领先的技术水平，也积累了比较丰富的电力电子领域的开发和工程应用经验。依靠这些先进的技术后盾保证、强大的软硬件平台支撑，以及丰富完善的试验调试手段，我公司研制出一套针对于风电双馈发电机的变流系统。
二、变速恒频双馈变流系统的工作原理和特点
图1变速恒频双馈发电的拓扑结构
变速恒频双馈发电的结构简图如图1所示。电机转子由两个“背靠背”连接的电压型PWM变换器（分别称做机侧变换器和网侧变换器）进行励磁，双PWM变换器向转子绕组馈入所需的励磁电流，实现最大风能捕捉和定子输出无功的调节。当电机亚同步速运行时，往转子中馈入能量，网侧作整流器运行，转子侧变换器作逆变器运行，提供励磁电流；当电机超同步速运行时，电机同时由定子和转子发出电能给电网；处于同步运行状态时，发电机作为同步电机运行，变流系统向转子提供直流励磁。采用这种发电模式的优点在于：
? 可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。
? 可实现发电机输出有功功率和无功功率的解耦控制，控制有功可调节风电机组转速，进而实现最大风能捕获的追踪控制；调节无功可调节电网功率因数，提高风力发电机组及电力系统运行的动、静态稳定性。
? 可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，即发电机输出电压的频率、幅值、相位不受转子速度和瞬时位置的影响。而且变速恒频系统比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行。
网侧变换器和机侧变换器分别采用两个控制单元控制。网侧控制单元主要用于控制网侧变换器，维持直流母线电压的稳定，并保证其良好的输入电流波形和单位功率因数；机侧控制单元主要用于控制机侧变换器，它通过控制DFIG转子电流的转矩和励磁分量来分别调节DFIG的输出有功和无功，跟踪有功无功指令，从而使DFIG运行在风机的最佳功率曲线上实现最大风能捕获运行。
三、南瑞继保双馈变流系统的主要构成
南瑞继保风电双馈变流系统专为1.5MW双馈风力发电机设计，主接线图如图2所示。该系统并于690V、50Hz电网。该系统由三个屏柜组成：并网柜、功率模块柜和控制柜。
图2双馈变流系统电气主接线图
1、变流系统一次部分
⑴功率模块
网侧和机侧各含三个功率模块，每个功率模块集成有每相的上下一对IGBT桥、信号驱动板、直流电容以及热电阻、散热系统等附属元件。六组功率模块通过叠层直流母线（busbar）连接，直流电容采用高质量的电解电容。功率模块是完成变频的主体部分。
⑵扼流电抗器
包括网侧和机侧扼流电抗器，安装于功率模块柜的底部。扼流电抗器可以限制电压的上升率和电流的上升率，抑制过电压的产生，可增进过电压保护功能，利于电机绕组的绝缘。
⑶滤波元件
变流系统中包含的滤波元件包括网侧的LCL滤波器，以及机侧的du/dt滤波器。网侧LCL滤波器可以滤除从变换器进入电网的高频谐波，同时也能保证进入到变流系统的电流的正弦性。du/dt滤波器则与机侧扼流电抗器一起，抑制转子绝缘上出现的电压尖峰和快速瞬变电压，有效延缓电机的绝缘老化。
⑷转子侧过电压保护crowbar
出现运行故障、线路故障或转子高电压时，crowbar对电机侧的功率半导体器件起到保护作用，使变流系统在电网故障时也可对电网提供支持，具有低电压穿越能力。crowbar包含其控制板、一个二极管桥和一个晶闸管。
⑸加热系统
在变流器通电之前，必须保证柜体内的温度和湿度在允许的范围之内，而系统中设计的加热逻辑电路保证只有当工作条件满足要求时才能启动变流器。温控系统通过安装于功率模块上的热电阻进行预热，通过风扇及强制通风的散热槽进行冷却。
2、变流系统控制部分
变流系统控制器是双馈变流系统的核心。变流系统中的网侧变换器和机侧变换器分别采用两个控制单元控制（即控制装置的插件DSP1、DSP2），控制系统的输出驱动信号通过光纤与功率模块的驱动板接口，通过驱动板将信号放大之后，去控制IGBT的通断实现PWM控制。此外，控制系统还能实现变流系统的并网、远程通信等功能。
⑴控制器总体结构
变流系统控制器的拓扑结构如图3所示。
图3双馈变流系统控制器拓扑图
⑵控制器的硬件布置
控制机箱的外观（背视）如图4所示。CPU板负责与上层控制的通信、协调各板卡间的信息交互；触发输入板用于IGBT驱动板的反馈信号（一般为过温、过流等出错信息）接收和crowBar的反馈信号接收，它通过背板I/O连到两块DSP板；两块DSP板分别完成网侧和机侧的控制算法；模拟量板卡完成交流电压量、电流量、直流电压等的模拟采样；开入板采用光耦板；开出板采用跳闸输出板；电源板为控制装置提供稳定的直流电源。
图4控制机箱示意图
此外，系统还提供一个直流电源模块，模块的输入电源为交流230V，输出为直流15V和24V，主要是为系统内的IGBT驱动板、接触器的控制线圈、霍尔元件等提供直流电源。
⑶控制器的功能
双馈变流系统控制器采用南瑞继保自主开发的完善的软硬件平台，具有高可靠性，其特点是系统集成度高，所有控制功能都由软件实现；硬件平台具有通用性，可由多种通用功能的板卡构成实现不同需求的数据采集、控制和监视；软件平台采用图形化编程和调试工具，界面友好、程序可读性高，修改、调试、维护方便，效率高。基于此硬件平台开发出来的控制系统，具有较好的快速性、鲁棒性和可靠性。控制器的主要功能在于：
? 根据由上层风机控制发出的转矩指令，实现对电机转速的控制，使DFIG运行在风机的最佳功率曲线上实现最大风能捕获运行。
? 根据由上层风机控制发出的功率因数指令，实现对功率因数的控制。
? 完成变流系统的启动、退出及并网控制。
? 对转子侧过电压保护crowbar的控制，实现变流系统的低电压穿越功能。
? 检查变流系统的运行工况，及时准确地记录并显示出来，对于一些特殊的情况或故障，及时地报警或发出跳闸指令。
? 提供远方控制中心（如网省调）的接口子系统，实现对变流系统的远程监控功能。
? 对预热、散热系统的启动或关闭控制。
? 提供友好的运行人员操作系统，以方便用户的操作及维护。运行人员操作系统是变流系统正常运行时运行人员的主人机界面和监控数据存储系统，采用基于高档微机的图形化人机界面，控制和监控的功能更加灵活、方便、可靠。
四、结束语
南瑞继保研制生产的风电双馈变流系统，在系统研究、设备的设计制造及控制保护系统的研制均采用国际上先进的技术，开发过程中，充分利用南瑞继保所拥有的RTDS、动模系统、EMTDC等科研平台，并着重从以下方面进行了考虑：⑴适用于恶劣的使用环境。可以耐受高温、低温、高湿环境。柜体内和模块内均内置加热器，配置温度和湿度传感器。所有线路板均带防腐涂层，全部柜体都具有很好的防护等级。⑵紧凑型设计。使用相同的IGBT变流桥模块并联运行，每个功率模块安装和拆卸方便。控制系统的各板卡集中于控制机箱内，采用背插式插件，维护调试方便，且体积小、抗干扰能力强。⑶优化的滤波器设计，保证进入电网的谐波含量很低。⑷优异的远程诊断特性。使用以太网技术，可实现对变流系统的远程访问，同时满足风电场营运时的远程数据采集要求。⑸可在电网故障时对电网提供支持，具有低电压穿越功能。随着国家对新能源领域的不断重视和加大投入，我公司在风电领域新产品的研发、关键技术的国产化方面必将作出更大的贡献。