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MW级大功率风电机组变流器系统的研究

日期:2019-11-20    来源:《电气技术》  作者:李学哲、黄成玉

国际新能源网

2019
11/20
09:36

关键词: 风电机组 风电机组变流器 风力发电

  本文分析研究了风电系统中常用的三种大功率变流器的拓扑结构,提出了一种基于变频器并联扩容技术的大功率风力发电变流器系统,系统以DSPIC30F6010A单片微机为控制核心,利用其内部集成的串行CAN接口,实现模块之间的同步控制。重点介绍了系统的原理及实现方案,给出了关键电路原理和实验波形。实验结果表明,系统很好地解决了MW级大功率风力发电机组的控制问题,有效的保证了系统的稳定运行。
  各国的风电技术已经取得了长足的发展,但仍有亟待完善的地方,尤其是针对MW级大功率风电机组的变流器系统问题更是突出。风电现场迫切需要研制出一种稳定、可靠的MW级大功率风电机组控制方案。本系统是基于这样的实际应用背景和需求而进行立项开发的,采用先进的CAN总线技术和并联扩容技术,很好的解决了大功率风电机组控制问题,提高了系统的稳定性和可靠性。
  1.风电系统大功率变流器拓扑结构的比较
  1.1 基本型变流器拓扑结构
  大功率是指功率等级在数百千瓦以上,实现大功率变换的有效途径是高电压或大电流。基本型变流器是通过提高IGBT等功率器件的耐压和容量来提高风电系统的功率等级。这种方案电路结构简单,容易实现,但缺点是对器件的技术指标和制造水平依赖较大,功率提高的水平也是有限的,而且更重要的是,由于各器件均工作在极限参数下,系统的稳定性和可靠性也大打折扣。图1为采用基本型结构的变流器主电路。随着功率器件的制造工艺和技术水平的提高,其功率等级也不断提高。
  图1基本型变流器结构
  1.2 器件串并联型大功率变流器拓扑结构
  图2是采用IGBT直接串联方式的高压变频器,由图可以看出:该系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器,经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波,再经逆变器逆变,加上正弦波滤波器,简单易行地实现高压变频输出,可供给高压电动机或接变压器耦合入电网。
  图2器件串联式变流器拓扑结构
  图3是采用器件并联方式的风电机组变流器拓扑结构图,该电路实质为交直交功率变换系统,发电机输出的幅值和频率变化交流电通过整流和斩波升压,调整成DC1200V,再通过逆变单元和变压器输出电压频率和幅值及相位与电网一致的交流电源电压。为了增大系统容量,主电路功率器件均采用并联技术。
  图3器件并联式变流器拓扑结构
  采用器件串并联方式提高变流器的功率,具有拓扑结构简单,功率器件个数少等优点。但器件串联会带来分压不均问题, 器件并联会带来器件的均流问题,因而对驱动电路的要求也大大提高,要尽量做到串联器件同时导通和关断,否则由于各器件开断时间不一,承受电压不均或分流不均,会导致器件损坏甚至整个逆变器崩溃。
  1.3 多电平大功率变流器
  多电平变频器本质依赖于内部多电平逆变器的“多电平逆变”功能,相对于传统的两电平变频器,其主要优点在于:单个器件承受的电压应力小,更容易实现高压大功率;在相同开关频率下,输出波形更接近正弦波,谐波含量更低;同时还大大减轻了电磁干扰(EMI)问题。
  图4为采用飞跨电容型四电平拓扑结构图。分析图 4 可知,该拓扑在功率器件串联的基础上,引入了电容进行箝位,保证了电压的安全分配。其主要特点为:
  (1)通过整体单元装置的串并联拓扑结构以满足不同的电压等级(如3.3kV,4.16kV,6.6kV,10kV)的需要;(2)可使系统普遍采用直流母线方案,以实现多台高压变频器之间能量的互相交换;(3)这种结构没有传统结构中的各级功率器件上的众多分压分流装置,消除了系统中可靠性低的因素,从而使系统结构非常简单可靠,易于维护;(4)输出波形非常接近正弦波。
  缺点是需要的电容器多、控制技术复杂、且需要额外的电容预充电电路。
  图4四电平高压变频器拓扑结构图
  2.变频器并联型大功率变流器及其实现
  2.1系统技术方案及特点
  前面介绍了三种大功率变流器的拓扑结构,各有优缺点。变频器并联扩容技术很好的克服了上面三种方案的不足。设计标准功率变流器,当单个变流器功率不能满足风电机组功率要求时,通过变流器并联,提高功率。这样既能灵活的满足风电机组的各种功率等级,又能使各个分变流器工作在额定状态下,增强系统的稳定性。图5为系统结构示意图。
  图5 系统结构框图
  系统由一个操作器和两个并联的变流器组成。系统各个对象之间采用CAN总线方式进行通信。操作器(人机接口)控制各变流单元的启停和参数修改;变流器负责机侧整流与网侧逆变。机侧整流原理,变流器根据检测的电网电流、直流母线电压等生成驱动脉冲,驱动IGBT,实现机侧整流,同时把各参数值发送至现场总线;网侧逆变原理,变流器采样三相输入电压,得到网侧电压矢量角,实现逆变与并网控制。
  本系统单个变流器设计功率为500KW,直流母线电压设计为1200VDC,主电路IGBT采用英飞凌(infineon)公司的高压模块FZ1500R33HL3,该模块由于采用了并联扩容技术,模块的功率得到了极大的增强,VCES最高可达3300V,最大工作电流可达1500A。
  变频器控制系统是以高速、高性能、耐高温单片微机DSPIC30F6010A CPU为核心而构成的全数字化电路。该单片机运算速度快,运算功能强;接口资源丰富,具有多路A/D采样,多路的I/O接口,集成CAN接口,控制功能强;内置多路波形发生器,非常适合于电机传动控制,可以产生多种形式的SPWM或PWM波,应用非常方便;电磁兼容性能好,该单片微机具有较好的抗电磁干扰性能设计。
  系统特点为:(1)采用高频开关技术及复杂的生产技术和高质量的电子元器件,结构紧密、重量轻、效率高;(2)多个逆变单元并联,提高了电流等级,从而提高了逆变器的功率,且易于实现多级冗余并联,提高整体运行的稳定性。并可给线性与非线性负载供电;(3)所有的监测与控制单元通过CAN总线集成在一起,实现各模块的同步协调与控制。然而,多个逆变器单元并联运行,增加了控制的难度,且还可能引起环流问题。
  2.2变频器主电路设计
  图6变频器主电路原理图
  变频器主电路包括网侧变流器(NPR)和机侧变流器(MPR) [4],原理图如图6所示。NPR和MPR分别由6个功率开关组成。在逆变器直流母线上用0.1uF/3300V的高频无感电容作为Snubber吸收电容,以吸收高频尖峰电压,以保护IGBT器件。MPR在控制电路的驱动脉冲作用下,实现机侧整流,输出直流1200V。NPR在控制电路的驱动脉冲作用下,实现逆变与并网控制。
  2.3变频器驱动电路设计
  变流器驱动电路采用2SD315AI-33为核心模块设计。2SD315AI-33模块是瑞士CONCEPT公司生产的SCALE系列驱动器之一,是驱动和保护大功率IGBT的专用集成驱动模块,该模块采用脉冲变压器隔离方式,能同时驱动两个IGBT模块,电气隔离可达到6000VAC。具有准确可靠的驱动功能与灵活可调的过流保护功能,同时可对电源电压进行欠压检测。驱动电路主要将主控电路产生的12路SPWM信号隔离、调整,以驱动IGBT管子通断,实现变流控制。
  2.4变频器控制电路设计
  控制电路是整个变流器系统的核心,负责电压、电流、故障等信号的检测,SPWM波产生与输出,CAN接口实现与操作器的通信及各模块之间的同步控制等。控制电路及其核心软件是变流器各项功能指标的重要保证。变流器控制电路按功能可以分为如下模块:CPU模块、信号检测模块、SPWM输出模块和CAN通讯模块。控制电路框图如图7所示。变流器控制系统是以高速、高性能、耐高温单片微机DSPIC30F6010A CPU为核心而构成的全数字化电路,实现高速、可靠的系统控制。
  图7控制电路结构框图
  风电系统对电磁兼容特性有较高的要求,要求系统具有极强的抗干扰能力,工作性能稳定。传统的导线式信号传输方式不能满足这种要求,信号在传输过程中极易引入电磁干扰,造成电路误动作,甚至IGBT炸管子。为了解决这一问题,系统对重要信号的传输应采用光纤方案设计,利用光纤传导信号,大大降低了传输过程中的电磁干扰,增强了系统的稳定性。光纤系统框图如图8所示。
  图8光纤系统框图
  3.系统实验结果
  针对设计的变流器系统,进行了轻负载调试试验(2A)。实验室模拟DC1200V输入,逆变器U相输出电压波形如图9所示。用钳形电流表监测逆变器输出电流分别为0.9A(变流器1)和0.85A(变流器2)。实验结果表明,信号在传输过程中没有丢失,一致性非常好,较好地实现了变流器并联输出同步和负载均分,达到了预期的效果。
  图9变流器1与变流器2并联输出电压
  4.结语
  本文提出的基于变频器并联的大功率风力发电变流器系统,集微型计算机控制技术、风电转换技术、现代光纤技术于一体,实现了变流器并联时电压和电流输出同步,较好地解决了MW级风电变流器并联控制中的环流问题。系统具有结构简洁、扩容方便、可靠性高的优点。
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