MW級直驅式風電全功率變流器系統設計與實現*

張 懿， 顧 凱， 魏海峰

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

隨著大容量風電機組的快速發展，作為與之的配套設備，大功率變流器已成為今后的發展趨勢。2012年，國內陸上主流風電機組單機容量由1.5MW逐步邁向2MW和2.5MW。目前，3MW級風電機組已有小批量生產，緊跟國外技術發展水平開發的5MW和6MW風電機組也已投入運行[1]。

主流變流器有雙饋式變流器和全功率變流器兩種。雖然雙饋型風力變流器應用較早，但是雙饋型機組中常用的控制方法依賴于電機本身的參數，需要詳盡準確的電機模型，變流器電路存在的非線性也會向電網注入諧波電流。而且雙饋型變流器對電網電壓和頻率的波動比較敏感。在電網跌落和不對稱時，需要特殊算法來實現，否則電流沖擊和畸變均很嚴重，也會對電機產生危害。全功率變流器相對于雙饋式變流器的優點在于將發電機和電網完全隔離，電機調速范圍更寬，從而能實現更大范圍的最大功率點跟蹤運行。另外，在電網異常和故障狀態下，變流器的兼容運行能力更強，比如電網跌落和不對稱時，由于電機和電網隔離，還可以運行在對稱狀態。MW級風電機組以直驅型風電機組為主，由于直驅型風電機組的配套采用，MW級全功率變流器的份額也在加大[2-3]。現在風電裝機比重大的國家，全功率變流器已經有取代雙饋變流器的趨勢。但是變流器的容量的增大，對變流器的控制、電路和結構設計有了更高的要求[4-7]。

本文設計并實現了MW級直驅式風電全功率變流器系統，闡述了全功率變流器的系統結構、硬件拓撲及軟件流程，分析了系統的技術特點，并通過試驗結果驗證了系統設計的有效性。

1 系統結構

所設計全功率變流器采用背靠背雙PWM控制方式，系統結構如圖1所示。機側變流器和網側變流器作為風力發電機組的功率變換單元，通過直流側連接，其硬件結構基本一致。圖1中，與發電機相連的變流器為機側變流器，其主要作用是調節電機轉速進行機組最大風能跟蹤的控制，實現永磁同步發電機(Permanet Magnet Synchro-nous Generator， PMSG)單位功率因數輸出。與電網相連的變流器為網側變流器，主要作用是實現有功、無功的解耦，控制直流側電壓的穩定，最終實現輸出順利并網。

該變流器系統還包含了進線電抗器、出線電抗器、制動單元和勵磁模塊。進線電抗器作用是降低發電機側的電壓尖峰，避免發電機過壓，損壞電機。出線電抗器作用在于降低電網側的低次諧波，滿足電網的要求。并聯在中間直流環節的制動單元，其作用是在電網發生穿越時保護直流單元正常工作，避免發電機轉矩隨著電網的波動而振動。在機側變流器和發電機斷路器之間還并聯了一個預充電單元，通過預充電單元把直流母線電壓沖到額定值，之后網側變流器起動并與電網同步，這就保證閉合網側斷路器的時候，沒有沖擊電流，實現軟起動。該變流器采用水冷卻方式，由水/空氣熱交換器和閉環冷卻回路組成。冗余冷卻泵可以自動切換，確保無故障運行，延長零部件使用壽命。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設計要求范圍內。

2 硬件設計

2.1 主電路設計

雙PWM型變換電路具有能量雙向流動、恒定直流電壓控制、低諧波輸入電流、功率因數可調等優點，非常適用于風力發電變流電路。本文采用的功率模塊并聯的方式實現其與風機容量的匹配，該結構設計的優點在于多組模塊并聯在一起，擁有共同的直流母線，減少了系統的復雜性，容易實現系統集成化，能夠大大減小控制系統的體積。兩個模塊可分開控制，也可共用一個控制電路，由于兩個模塊的交流輸入、直流輸出等均相同，只要輸入濾波電感的參數相同，就可使兩個PWM電路均分負荷[8]。根據變流器容量的要求，主電路采用了兩個模塊并聯的方式，制動單元和勵磁模塊連接在直流側，發電機側和網側接有電壓測量模塊。

2.2 控制板電路設計

由于系統已采用雙PWM結構，為提高設備的通用性及靈活性，機側變流器與網側變流器的DSP控制板電路采用相同的硬件結構。控制板電路主要是對弱電控制信號的處理，可分為DSP芯片電路、電源轉換電路、信號采樣、調節電路和IGBT驅動、保護電路等部分。

(1) DSP芯片電路。

DSP芯片所需的外圍輔助電路包括進一步轉換工作電源的電路、邏輯控制信號的處理電路、保護電路、PWM脈沖信號的一級放大電路、時鐘/復位電路、以太網及CAN通信電路、DA輸出轉化電路、JTAG仿真接口和外部擴展RAM電路等[9]。

(2) 信號采樣、調節電路。

采樣電路將采集的信號轉換成0～3V的電壓信號，以滿足DSP的AD口輸入電壓的需要。該控制系統需采集的信號有機側電壓、機側電流、網側電壓、網側電流和直流母線電壓等。采集的強電信號和電流傳感器采集輸出的電流信號，都需要在采樣電路上將其轉換成相應的電壓信號。而采集信號無論是電流信號或是電壓信號經采樣調理后，均為交流量，其幅值有正有負，為能滿足DSP的A/D口對輸入信號的要求，還需進行分壓與提升，將采樣調理后的-3～3V分壓成-1.5～1.5V，再提升至 0～3V。

(3) 電源轉換電路。

控制板需要的直流電有±24V、±15V、±5V等。電源轉換電路的作用是為整個DSP控制電路提供工作電源。此外，還需要更低的工作電壓，將在DSP芯片電路中單獨轉換。

(4) IGBT驅動、保護電路。

逆變電路主開關元件采用1000A/1700V的IGBT。由于其所需要的瞬時驅動電流很大，且該系統的性能要求相當高，經研究選用2SD315AI-17作為IGBT的驅動器件。該芯片內部集成了短路與過流保護電路、欠壓監測電路。芯片的驅動電壓為15V，PWM脈沖信號在經過DSP芯片電路的一級放大后，還需進行二級隔離放大。驅動芯片的故障信號可回饋給DSP，故障清除后，通過DSP的復位信號復位。為防止IGBT上下橋臂直通，設置了硬件死區保護[8-9]。

3 軟件流程

軟件以DSP TMS320F2812為核心實現對變流器運行的控制，包括數據采集、坐標變換、有功功率和無功功率計算、整流和逆變驅動電路的控制、EEPROM讀數、電源切換等控制任務。控制系統的軟件結構由主程序和3個中斷程序組成。主程序在DSP復位后，對變量、調節器參數及各個模塊進行初始化，包括系統時鐘設定、中斷使能、中斷向量表的載入、PWM脈沖輸出I/O電平設置、A/D轉換工作模式及采樣通道的設置等，用一些簡單的參數修改即可，用于等待中斷、響應中斷的循環過程。3個中斷子程序中，以A/D中斷的優先級最高，可保證數據的有效性，提高系統的控制性能。A/D中斷程序，主要負責對外部電流、電壓等信號的采集。PWM主中斷程序是控制系統的核心部分，其中包括A/D采樣數據的處理、坐標變換、調節器的實現及其空間矢量算法的實現等關鍵的控制部分。1ms定時中斷子程序的優先級最低，用作管理程序的定時控制。例如： 運行狀態的控制、故障檢測和端子指令的處理等[10，11]。系統主程序流程圖、中斷子程序流程圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 主程序流程圖

圖3 中斷子程序流程圖

4 系統實現

4.1 技術特點

該直驅式全功率變流器系統具有如下技術特點。

(1) 變流器緊湊度高。電壓限制單元、充電單元、水冷單元都集成在柜內；容量可調范圍較大。

(2) 雙PWM控制，四象限運行，在低風速下仍可保持較高的能量轉換效率。

(3) 自適應無速度傳感器矢量控制方法，能精確檢測發電機轉速，實現磁場定向，提高發電效率。

(4) 軟起動功能。自動起動變流器預充電、變壓器預磁化及零電流電網同步，實現無沖擊并網，滿足電網規范要求。

(5) 有功和無功全控功能。即使在電網不穩定時，通過有功和無功的動態調節也可以最佳地穩定電壓與頻率。

(6) 低電壓穿越能力。電網出現重大擾動時，通過起動制動單元，把產生的能量消耗在并聯的電阻上，確保風力發電機組不脫網；當故障解除時，風力發電機組可以滿足相關電網規范，平滑并網。全功率變流器可以實現發電機和電網的完全解耦，減小發電機期間的壓力。

4.2 試驗結果

試驗樣機的機側、網側技術參數分別如表1、表2所示。

表1 機側參數

表2 網側參數

所設計樣機的試驗波形如圖4～圖8所示，波形縱坐標皆為標幺值表示。各參數標幺值的基值如表3所示。

表3 各參數標幺值的基值

直流側電壓如圖4所示。從圖中可以看出直流側電壓基本穩定在1000V，波動較小，相對誤差約為2%，表明網側變流器可實現維持直流母線電壓穩定的功能。

圖4 直流側電壓

圖5 網側三相輸出電流

網側輸出電流1732A時的波形如圖5所示。由圖5可知，電流波形平滑，三相電流均衡，波形接近正弦波，電流幅值、相序和頻率都滿足設計要求。

由于機側變流器在風場應用時的頻率范圍為5～11Hz，本文測取了11Hz時的機側線電壓波形如圖6所示。由圖6可知，機側電壓波形在幅值、相序和頻率上有較好的均衡度，能達到設計要求，但是波形波峰處存在一定的諧波分量，有待進一步改進。

圖6 機側AB、BC線電壓(11Hz)

網側變流器在風場實際應用時的頻率為50Hz。50Hz的網側額定電壓波形如圖7所示。由圖7知，波形的相序和頻率均達到設計要求，電壓幅值波動范圍在±10%以內，波形平滑，正弦度較好，電壓均衡。

圖7 網側AB、BC線電壓(50Hz)

制動電阻放電波形如圖8所示。考查制動電阻放電波形主要為驗證變流器卸荷電路在直流側電壓異常時的保護功能。由圖8可看出，卸荷電路能夠在0.9s內快速放電，可實現對系統的有效保護。

圖8 制動單元放電

5 結 語

當前，國產大功率風電變流器技術已有了飛速發展，但與國外先進水平相比，在標準化、智能化和功能完備化方面，仍有一定的差距。進一步深入研究大容量風電變流器的特有問題與關鍵技術，推進國產大功率變流器的研發，對于促進我國風電行業的發展有著重要的意義。

本文設計的MW級直驅式全功率變流系統，各項功能均已通過型式測試，現已投入實際生產并已裝機運行，有力地提升了國產風電變流器行業的技術水平。

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