風電變流器試驗方法研究

羅 浩，楊躍龍，2，劉愛平，王迎旭，2

（1.湖南工程學院 電氣信息學院，湖南 湘潭 411101；2.電氣測控研究所，湖南 湘潭 411101；3.湘潭電機股份有限公司，湖南 湘潭 411101）

1 概 述

風能作為一種新型的可再生能源具有非常大的開發潛力，從目前情況來看，國家對風電的發展規劃至2010年1 000萬千瓦累計裝機容量已在2008年被提前完成，2012年實現了5 000萬千瓦以上裝機容量。根據正在擬議的新能源行業振興規劃，未來的風電裝機容量必定會有大量提高，有望2015年我國的風電規模達到1億千瓦、2020年達到2億千瓦［1］。

而變速恒頻技術的應用極大地促進了風力發電機組的發展，變速恒頻技術也成為變速恒頻風電裝備和兆瓦級以上的風力發電機組中應用的主流技術［2］。所以風電變流器的性能好壞也影響著整個發電系統。風電產品為了保證其性能的可靠性必須要到風場中進行試驗，以便不斷的發現其中存在的問題并加以改進，但是現在的風場都是比較分散的，無固定的專用試驗風場，所以對于那些沒有整機生產能力的變流器生產公司都需要自行去聯系風場來進行產品試驗。而且產品在出廠前進行整機試驗，由于其功率非常大，直接并入電網進行試驗將會造成大量的電能損耗，這也無形中增加了公司成本，所以如何搭建一個完整的并能滿足風電變流器出廠測試的試驗平臺顯得非常重要。本文提出一種環形功率回饋法對風電變頻器進行試驗，通過此試驗法不僅能滿足變流器的測試要求，而且大大減少了能量的損耗，實現了能量的回饋，工作可靠性高，控制精度準，達到了節能降耗的目的 。

2 風電變流器一般試驗項目

對于風電變流器而言，由于其所處環境的特殊性，經常會有諸如電網電壓脫落、電網電壓三相不平衡、同步故障、功率曲線等問題。針對這些可能出現的問題，其主要的電氣性能試驗如下：

（1）負載試驗

變流器的最重要的特性之一就是其負載特性，變流器中負載特性的好壞，將直接影響用戶工作中性能的優劣。變流器的負載試驗包括：負載、輕載、過載及以下特性負載試驗［3］：

a.與電機速度成正比例的負載特性試驗：

b.與電機速度平方成比例的負載特性試驗；

c.階梯變化負載特性試驗；

d.用戶自定義負載突變特性試驗。

（2）變流器實載長期考核及老化試驗

首先把變流器的負載特性設計好，然后根據不同的現場情況，讓被試變流器按用戶的規定長時間運行，用以考核被試變流器在運行中的長期可靠性。

（3）變流器變壓器溫升試驗

在實際滿載運行中，測量觀察被試變流器變壓器的溫度變化情況。

（4）變流器功率器件溫升耐壓試驗

在實際滿載運行中升高電壓，測量觀察被試變流器功率器件的溫度變化情況。

（5）變流器額定輸出電壓及電壓不平衡度試驗

在實際滿載運行中，測量并記錄下輸出電壓波形，分析其輸出電壓的不平衡情況，并模擬電壓不平衡狀態對交流的影響。

（6）變流器功率損耗試驗

在實際滿載運行中，通過測量變流器的輸入功率和輸出功率，計算出變流器的功率損耗。

（7）諧波分析

在不同的工作情況下，分別對其輸出電流、電壓信號進行錄波、分析。

3 風電變流器的一般試驗方法

3.1 交－直－交 交流傳動試驗系統

如圖1所示，首先變頻器經過整流器逆變器輸出交流電供給異步電機，異步電機獲得電量后會同軸帶動直流發電機發電，然后由直流發電機發出的直流電驅動直流電動機運轉，最后直流電動機同軸帶動三相交流同步發電機并發出電能回饋到電網，在此試驗過程中通過改變每個電動機的勵磁電流來實現變流器各種特性的試驗［4］。

圖1 交－直－交 交流傳動試驗系統

3.2 逆變器－電動機－逆變器 互饋試驗系統

如圖2所示，異步電機1由變流器給電后同軸帶動異步電機2，異步電機2發出的電能經過逆變器2后再回饋到逆變器1輸入端，如此實現能量的循環。

圖2 逆變器－電動機－逆變器 互饋試驗系統

雖然通過以上兩種技術方案都能滿足各種試驗要求，但這兩種試驗系統不易控制，其可靠性不高，安全性較低，機組損耗高，能量的利用率較低。而且對于風電變頻器而言其功率非常大，工作頻率范圍廣，對電機性能要求高，會產生較大的諧波污染電網。

4 風電變流器環形功率回饋試驗法

針對傳統風電變流器試驗方法對電網的能量損耗較大，提出了能夠實現能量供給和回饋的環形功率試驗法。

4.1 環形功率回饋試驗法總體設計

4.1.1 試驗電路

圖3給出了變流器試驗方法的主電路框圖。

圖3 變頻器試驗主電路圖

如圖3所示，電網電能通過配電柜1（包含測量系統）進來、再通過變壓器原邊側進入環形功率回饋系統。環形功率回饋系統由變壓器網側、配電柜2（包含測量系統）、被試變頻器、濾波電抗器和配電柜3（包含測量系統）組成。圖中L1、C1分別為變頻器網側濾波電抗器和變頻器網側濾波電容器，而L2、C2則為試驗臺的濾波電抗器和電容器，電抗器的主要作用是濾波和環流系統發生故障時，降低故障對變壓器的沖擊。

4.1.2 試驗過程

（1）將被試變頻器的相關主電路和控制線路接好，在逆變系統交流負載輸出端接電感負載。

（2）通過PWM方式控制變頻器電力電子功率器件的開通和關斷，使逆變輸出端產生可變頻變壓的交流輸出，調節達到交流輸出端負載可以通過穩定的大電流，使負載大電流導通穩定。

（3）試驗中的有效電流很大（達到1 800 A左右），但由于采用了微阻抗大電流電感作為負載，有效壓降很低（一般只有70 V左右），所以消耗的有功功率相對就很低。

以被試變頻器的負載導通線電流IC＝1 800 A，負載有效線壓降UL＝70 V，功率因數cosθ＝0.85為例。被試變頻器負載端有功功率：

（4）被試變頻器負載輸出端輸出的有功功率經過配電柜3，通過機側電力變壓器變換為與網側變壓器同頻率電壓，形成回饋輸入到被試變頻器整流系統部分。

4.2 主要部件及關鍵技術

4.2.1 電力變壓器

該系統中有兩臺3 600 kVA的電力變壓器，分為網側變壓器和機側變壓器。電能經配電柜1輸出到網側變壓器，網側變壓器將電能輸出到被試變頻器上，被試變頻器的輸出功率經濾波電抗和配電柜3到機側變壓器再回饋到被試變頻器。兩臺變壓器并聯運行并且保持同頻率。

4.2.2 配電柜及測量系統

在系統中分為三個配電柜，每個配電柜內都包含了所有入戶開關、母聯開關、線路組會開關、斷路器、接觸器等。由于配電柜內包含了測量系統，整個系統的控制都是基于一些電信號的檢測來實現的，包括雙PWM變流器主電路電壓、電流信號檢測（網側電流、電壓檢測、直流母線電壓檢測、機側電流檢測等）。上述信號的檢測均通過測量系統中的霍爾傳感器、電參數測量儀等工具來測量并顯示分析。

4.2.3 數字變頻試驗電源

系統的試驗電源為電路內回饋變頻電源，集被試電機正弦波電源和陪試電機電源于一身，電功率回饋是在電源內部實現的，是風電變頻器試驗電源的一次創新。電源建立在逆變數字電源組基礎上，除具備通用變頻電源的特點外，還可為風電變頻器試驗提供等效負載及在線測試的必要支持，適用于各種不同類型的風電變頻器測試要求。而且調節數字變頻電源組，可以實現試驗時對變流器的最佳效率控制，達到節能的目的。

4.2.4 關鍵技術及創新點

（1）系統采用數字電源組，自動升高和降低控制電壓以搜索最佳效率，為風電變頻器試驗提供等效負載鎖定，實現設置能量優化控制程序。

（2）采用集散控制方式和多層集中控制方式，用于風電變頻器的電能平衡控制，實現方便、簡單、效果好的在線控制與實現方案。

（3）試驗過程不采用負載消耗能量，達到節能的目的。

（4）將現場設備與集中控制設備組成一個能完成組態、運行、控制、自動處理數據并生成試驗報表等功能完整的風電變頻器測控網絡系統。

（5）交流接近于實際工作狀態，對變流器的性能考核更加充分。

4.3 系統實現的功能

整個系統的實時通訊通過集中監控軟件來實現，同時通過監控軟件在后臺形成虛擬示波器，其能夠實現測試數據分析、日志報表形成、自動參數測試等功能；并且用戶可以根據自己的需求定制特殊功能。

系統提供仿真試驗界面，采用鍵盤輸入和液晶屏幕顯示，顯示屏上有兩個主界面，主要用于系統試驗的操作和相應的系統設置等，包括測試功能區、檢測區、數據實時區。檢測平臺主要通過實時監測參數，并對參數進行分析給出顯示結果，實現對平臺更好地控制和保護。

系統實現對各種電能質量參數及溫度情況進行長期在線監測和顯示，其中包括系統輸出電壓和電流有效值、幅值、系統頻率、電壓和電流諧波、電壓和電流的不平衡度、有功功率、無功功率、諧波測試的分析與結果、實時測試波形等。

5 結束語

環形功率回饋法的風電變流器試驗系統，采用了數字逆變電源組做試驗電源和電源電路內部回饋的方式，不消耗負載，不回饋電網，整個試驗系統構成電能閉環的工作模式，不僅減少了對電網的諧波污染，也節約了能源。該試驗系統在國內風電變流器的試驗中處于領先水平，具有非常大的研究應用前景。

［1］ 國家能源局.風電發展“十二五”規劃 ［S］.北京：國家能源局，2011.

［2］ 李方圓.變頻器行業應用實踐 ［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［3］ 施婷婷.運用機組能量回饋策略設計高壓變頻試驗室［D］.南京：東南大學，2007.

［4］ 張春波，薛 山.變頻器在電機試驗系統中的應用 ［J］.變頻器世界，2005，05（03）：90－92.