2 MW變流器自主可控技術(shù)研究與應(yīng)用

［摘 要］隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，變流器作為關(guān)鍵設(shè)備在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。然而，隨著國(guó)際關(guān)系變化和供應(yīng)鏈的不確定性，外國(guó)品牌的變流器在中國(guó)市場(chǎng)的維護(hù)和供應(yīng)面臨諸多挑戰(zhàn)。為解決這一問(wèn)題，文章介紹了GE 公司開(kāi)發(fā)的新一代國(guó)產(chǎn)化控制系統(tǒng)2 MW變流器。該系統(tǒng)不僅完全替代了原GE 控制系統(tǒng)，解決了備件供應(yīng)問(wèn)題，還顯著提升了控制精度、響應(yīng)速度及設(shè)備的可靠性。

［關(guān)鍵詞］2 MW 變流器；自主可控技術(shù)；應(yīng)用

［中圖分類號(hào)］TP309 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0090–03

隨著GE 公司逐步退出中國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)，其開(kāi)發(fā)的獨(dú)特架構(gòu)產(chǎn)品2 MW 變流器在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的應(yīng)用逐漸減少，導(dǎo)致維護(hù)服務(wù)、升級(jí)服務(wù)及備件供應(yīng)面臨嚴(yán)重的不確定性。為解決這一問(wèn)題，龍?jiān)措姎夤鹃_(kāi)發(fā)了新一代國(guó)產(chǎn)化控制系統(tǒng)2 MW 變流器，旨在完全替代原GE 的控制系統(tǒng)，有效解決了變流器運(yùn)行中備件供應(yīng)不足的問(wèn)題，同時(shí)為后續(xù)涉網(wǎng)性能提升改造提供了必要的技術(shù)支持。

1 2MW變流器自主可控技術(shù)研究的意義

1.1 實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)，技術(shù)自主可控，供貨不受?chē)?guó)際關(guān)系影響

實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)意味著我國(guó)能夠獨(dú)立開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)這類關(guān)鍵電力設(shè)備，不再依賴于進(jìn)口，從而降低了對(duì)外部技術(shù)供應(yīng)的依賴性，不僅可以提升我國(guó)電力設(shè)備制造業(yè)的技術(shù)水平，還有助于提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。在供貨和技術(shù)支持方面，不再受到國(guó)際關(guān)系的直接影響，確保了電力設(shè)備的穩(wěn)定供應(yīng)和運(yùn)行。通過(guò)2 MW 變流器自主可控技術(shù)的研究，可以顯著提升我國(guó)電力行業(yè)的技術(shù)自主性和創(chuàng)新能力。這種技術(shù)進(jìn)步不僅可以推動(dòng)電力設(shè)備的先進(jìn)化，還可以推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。此外，技術(shù)自主可控性也為電力行業(yè)帶來(lái)了更多的創(chuàng)新機(jī)會(huì)和空間，促使企業(yè)在技術(shù)上不斷迭代更新，不斷優(yōu)化產(chǎn)品性能和提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

1.2 備件充足，供貨響應(yīng)快，國(guó)內(nèi)供貨周期2～3周以內(nèi)

通過(guò)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)和技術(shù)自主可控，能夠確保備件充足，從而保障電力設(shè)備的供貨響應(yīng)速度，在國(guó)內(nèi)供貨周期短至2～3 周以內(nèi)的情況下，可以迅速滿足市場(chǎng)需求，降低了因備件不足而導(dǎo)致的生產(chǎn)停頓和維修延誤風(fēng)險(xiǎn)。這種快速響應(yīng)能力大幅提升了電力設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，有助于減少能源供應(yīng)中斷的可能性，提升了電力行業(yè)的整體運(yùn)行效率。

1.3 大幅提升控制精度、響應(yīng)速度等性能

2 MW 變流器的自主可控技術(shù)能夠顯著提升變流器的控制精度，使其在電力轉(zhuǎn)換和分配過(guò)程中能夠更加精準(zhǔn)地控制電能的輸出和分配，從而提高能源利用效率。這不僅有助于降低能源損耗，還能夠提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，確保電力設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。響應(yīng)速度的提升意味著在電力需求變化較大或電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)較大的情況下，變流器能夠更快速地調(diào)整輸出電能，滿足電力系統(tǒng)對(duì)電能穩(wěn)定供應(yīng)的要求，對(duì)于提高電力系統(tǒng)的應(yīng)對(duì)能力和適應(yīng)性非常重要，能夠有效應(yīng)對(duì)突發(fā)的電力需求波動(dòng)，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和電力供應(yīng)的可靠性[2]。

1.4 提高電路板集成化程度，大幅降低備品備件的采購(gòu)和管理成本

2 MW 變流器自主可控技術(shù)可以顯著提高變流器電路板的集成化程度，相較之前電路板數(shù)量減少60%，大幅降低電路板的體積和重量。由于電路板數(shù)量的減少，企業(yè)在采購(gòu)、庫(kù)存管理和備件維護(hù)方面的成本將大幅降低，有效緩解了因備件不足而導(dǎo)致的生產(chǎn)停頓和維修延誤風(fēng)險(xiǎn)。減少電路板的數(shù)量和連接件的使用，可以降低因連接不良、接觸不良等問(wèn)題而導(dǎo)致的電路故障概率，從而提升了變流器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行能力，這對(duì)于電力行業(yè)來(lái)說(shuō)尤為重要，能夠保證電力設(shè)備在高負(fù)荷、復(fù)雜環(huán)境下的可靠性和持久性。

1.5 減少了中間環(huán)節(jié)，故障率降低

2 MW 變流器自主可控技術(shù)能夠大幅簡(jiǎn)化變流器的電路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，減少中間環(huán)節(jié)的使用，這不僅降低了故障發(fā)生的概率，還能夠顯著減少維護(hù)和修復(fù)成本，提升了電力設(shè)備的整體可靠性和穩(wěn)定性。值得注意的是，新技術(shù)在電磁兼容方面的抗干擾能力更強(qiáng)，進(jìn)一步提高了變流器的可靠性。強(qiáng)化的電磁兼容性能意味著變流器能夠更好地抵御來(lái)自電磁干擾的影響，保證其在復(fù)雜電磁環(huán)境下的正常工作。這種提高的可靠性對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要，能夠有效減少因電磁干擾導(dǎo)致的設(shè)備故障和生產(chǎn)中斷，提升了電力設(shè)備在關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景下的可信度。

2 2 MW變流器自主可控技術(shù)的應(yīng)用

2.1 保留原GE主電氣部分的設(shè)計(jì)，做兼容設(shè)計(jì)

在應(yīng)用2 MW 變流器自主可控技術(shù)時(shí)，保留GE公司2 MW 變流器設(shè)計(jì)并進(jìn)行兼容設(shè)計(jì)至關(guān)重要。深入分析和調(diào)整IO 接口、PWM 控制、電壓電流采集及溫度變量采集等關(guān)鍵技術(shù)，以確保新技術(shù)能夠平穩(wěn)集成和運(yùn)行。

IO 接口在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中是設(shè)備之間進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵紐帶。在保留原GE 主電氣部分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化和調(diào)整現(xiàn)有的IO 接口，以確保其能夠與新系統(tǒng)的要求相匹配。通過(guò)細(xì)致的接口分析和適配，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備在不同工作狀態(tài)下的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，從而提升整體控制系統(tǒng)的可靠性和效率[3]。

在應(yīng)用2 MW 變流器自主可控技術(shù)時(shí)，對(duì)現(xiàn)有的PWM 控制系統(tǒng)進(jìn)行深入優(yōu)化，通過(guò)精細(xì)的參數(shù)調(diào)整和算法優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力輸出的精確控制，從而提高能源利用效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。在技術(shù)應(yīng)用中對(duì)現(xiàn)有的電壓電流采集系統(tǒng)進(jìn)行全面分析和調(diào)整，以確保其能夠兼容和集成新的變流器控制技術(shù)。通過(guò)精確的數(shù)據(jù)采集和處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力輸出質(zhì)量的精確控制和監(jiān)測(cè)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

溫度變量采集是對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵部件溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理的重要手段。在變流器控制技術(shù)應(yīng)用中，需要對(duì)現(xiàn)有的溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以確保其能夠有效監(jiān)控和管理關(guān)鍵部件的工作溫度，精細(xì)的溫度數(shù)據(jù)采集和智能控制算法，可以有效提升系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，避免因過(guò)熱而導(dǎo)致的設(shè)備損壞和停機(jī)事件。

2.2 設(shè)計(jì)新電路板配盤(pán)，優(yōu)化功能

在2 MW 變流器技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)新的電路板配盤(pán)對(duì)于提升自主可控性和優(yōu)化功能十分重要。其主要目標(biāo)是在減少電路板數(shù)量、最小化改造工作量的同時(shí)，方便替換原控制系統(tǒng)。這不僅提升了操作效率，還確保了與現(xiàn)代控制系統(tǒng)的兼容性，并最大程度地減少了維護(hù)成本。新的電路板設(shè)計(jì)集成了高效能功率轉(zhuǎn)換模塊和強(qiáng)大的控制算法等先進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化布局，關(guān)鍵組件被戰(zhàn)略性地放置，以增強(qiáng)熱管理和減少電磁干擾（EMI），還簡(jiǎn)化了替換過(guò)程，確保與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)縫集成。

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）的集成實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率流的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自適應(yīng)控制，這些組件被戰(zhàn)略地放置在電路板上，以最小化信號(hào)衰減，并優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸速率，確保在多樣化的環(huán)境條件下可靠運(yùn)行。新的電路板布局還整合了安全性和可靠性功能，以滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求，包括容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法和冗余電源配置，以確保不間斷運(yùn)行。嚴(yán)格的測(cè)試流程可驗(yàn)證電路板布局的優(yōu)化功能，包括熱應(yīng)力測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試和電磁兼容性（EMC）測(cè)試[4]。

2.3 提升軟件及控制算法

在2 MW 變流器技術(shù)的應(yīng)用中，提升軟件及控制算法非常重要，特別是使用更先進(jìn)的工業(yè)芯片來(lái)提高計(jì)算能力和穩(wěn)定性，這不僅優(yōu)化了軟件控制算法和邏輯控制，還為變流器的涉網(wǎng)性能設(shè)計(jì)改造提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。新一代工業(yè)芯片的采用，如先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和高性能現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA），顯著提升了計(jì)算能力和穩(wěn)定性。這些芯片能夠處理復(fù)雜的控制算法，確保變流器在各種負(fù)載條件下高效運(yùn)行。優(yōu)化軟件控制算法，如增強(qiáng)型的調(diào)制技術(shù)和快速響應(yīng)的電網(wǎng)同步控制，進(jìn)一步提升了變流器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和電能質(zhì)量，滿足了現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)高品質(zhì)電能的要求。

在邏輯控制方面，新一代工業(yè)芯片的使用使得邏輯控制算法更加精確和可靠。這些算法通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)狀態(tài)和負(fù)載變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整功率輸出，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)智能功率管理和電網(wǎng)互聯(lián)功能的優(yōu)化，變流器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的主動(dòng)支持和電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，有效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)和電能質(zhì)量問(wèn)題。為了提升涉網(wǎng)性能，新一代軟件控制算法還增加了安全性和通信性能的設(shè)計(jì)，通過(guò)加密和認(rèn)證技術(shù)保障數(shù)據(jù)的安全傳輸，同時(shí)優(yōu)化通信協(xié)議和接口設(shè)計(jì)，確保變流器與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接和高效通信。

2.4 更新網(wǎng)側(cè)功率單元驅(qū)動(dòng)板、機(jī)側(cè)功率單元驅(qū)動(dòng)板、低穿組件驅(qū)動(dòng)板

在2 MW 變流器自主可控技術(shù)的應(yīng)用中，更新網(wǎng)側(cè)功率單元驅(qū)動(dòng)板、機(jī)側(cè)功率單元驅(qū)動(dòng)板和低穿組件驅(qū)動(dòng)板是提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能的重要措施，這不僅優(yōu)化了電力轉(zhuǎn)換效率，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力，適應(yīng)了電網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)雜環(huán)境和高品質(zhì)電能的要求。這些板塊通過(guò)優(yōu)化電路布局和控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)的高效響應(yīng)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，還采用先進(jìn)的硅控整流器和智能功率模塊，提升了功率轉(zhuǎn)換效率和能源利用率，減少了能量損耗和電網(wǎng)污染。更新的驅(qū)動(dòng)板還增加了對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整功能，確保了系統(tǒng)在各種負(fù)載條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。

機(jī)側(cè)功率單元驅(qū)動(dòng)板采用了先進(jìn)的控制算法和高效能功率模塊，提升了轉(zhuǎn)換效率和電能質(zhì)量，降低了噪聲和電磁干擾。低穿組件驅(qū)動(dòng)板則通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和硬件配置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低電壓穿越能力的快速響應(yīng)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，保證了系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓波動(dòng)和瞬時(shí)干擾下的穩(wěn)定運(yùn)行，提升了2 MW 變流器的技術(shù)性能，還加強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可操作性。更新后的板塊設(shè)計(jì)考慮了環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求，通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證過(guò)程，確保了新技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性，如通過(guò)熱應(yīng)力測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試和電磁兼容性（EMC）測(cè)試，驗(yàn)證了更新板塊在惡劣環(huán)境條件下的可靠運(yùn)行能力。

2.5 散熱風(fēng)扇控制方式升級(jí)

傳統(tǒng)上，散熱風(fēng)扇的啟動(dòng)和調(diào)速通常依賴于外部控制信號(hào)，這種方式容易受到傳輸線路的電磁干擾影響，導(dǎo)致風(fēng)扇啟動(dòng)失敗或工作不穩(wěn)定。為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)代變流器技術(shù)采用了風(fēng)扇內(nèi)部控制的設(shè)計(jì)方案，即通過(guò)內(nèi)部傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)，并自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，確保在各種負(fù)載和環(huán)境條件下的穩(wěn)定工作。風(fēng)扇內(nèi)部控制技術(shù)通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和硬件配置，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的智能調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這種技術(shù)不僅能夠根據(jù)變流器的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，還可以根據(jù)環(huán)境溫度和熱量負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)散熱效果，提升系統(tǒng)的熱管理能力和工作效率，如當(dāng)變流器負(fù)載增加或環(huán)境溫度升高時(shí)，風(fēng)扇能夠快速響應(yīng)并提升風(fēng)量，有效降低設(shè)備溫度，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

此外，風(fēng)扇內(nèi)部控制技術(shù)還增加了系統(tǒng)的安全性。通過(guò)在風(fēng)扇上集成過(guò)載保護(hù)、溫度監(jiān)測(cè)和故障診斷功能，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理風(fēng)扇運(yùn)行異常，避免因故障導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的停機(jī)或損壞，這不僅提高了設(shè)備的安全性，還減少了維護(hù)和運(yùn)維的成本與工作量。風(fēng)扇內(nèi)部控制技術(shù)的應(yīng)用不僅提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還降低了設(shè)備的能耗和噪聲水平，優(yōu)化了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和功率消耗的匹配，減少了不必要的能源浪費(fèi)及設(shè)備運(yùn)行時(shí)的噪聲污染，改善了工作環(huán)境和用戶體驗(yàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

龍?jiān)措姎夤鹃_(kāi)發(fā)的新一代國(guó)產(chǎn)化控制系統(tǒng)2 MW 變流器自主可控技術(shù)解決了原GE 公司2 MW變流器在中國(guó)市場(chǎng)面臨的供應(yīng)和維護(hù)問(wèn)題。新系統(tǒng)不僅保障了備件充足、供貨速度，還顯著降低了運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)工作量，為風(fēng)電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。而通過(guò)保留原有電氣設(shè)計(jì)并進(jìn)行兼容優(yōu)化，該系統(tǒng)在提升設(shè)備可靠性和抗干擾能力方面取得了顯著成效。未來(lái)，隨著新技術(shù)和市場(chǎng)需求的不斷變化，文章所提的自主可控技術(shù)將推動(dòng)中國(guó)風(fēng)電行業(yè)朝著更加高效、智能化的方向邁進(jìn)。

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