高壓變頻器在風力發電全功率實驗臺上的應用

摘要：介紹了多電平高壓變頻器的原理及其在某公司風力發電機組全功率實驗系統中的應用情況，提出了高壓變頻器應用于該實驗臺的設計方案。根據設計方案建設的3 MW風力發電機組全功率實驗臺，經大量實驗驗證后，投入到風力發電機組的出廠實驗和老化實驗中。經應用實踐表明，風力發電機組全功率實驗系統采用高壓變頻器驅動原動機后，取得了很好的應用效果，同時拓寬了多電平單元串聯高壓變頻器的應用領域。
關鍵詞：高壓變頻器；多電平；風力機；全功率

1 引言
作為一種清潔的可再生能源，風能受到各國的重視。風電是風能利用的主要形式，在各類新能源中，風力發電技術相對成熟且最具大規模商業開發條件，成本相對較低，發展速度最快，產業前景最好。風力發電在可再生能源發電技術中成本最接近常規能源，成為產業化發展最快的清潔能源。
目前，風力發電機組類型主要有雙饋型、半直驅型和直驅型。每種風力發電機組在運輸到風場前，都要經過廠內的全功率實驗考核。風力發電機組有多種全功率實驗方法，這里結合3 MW半直驅型風力發電機組全功率實驗臺設計方案和應用案例，介紹了一種在實驗系統中拖動風力發電機運轉的原動機采用高壓變頻器驅動的方法。

2 實驗系統介紹
風力發電機組全功率實驗臺包括原動機、齒輪箱、風力發電機、并網變頻器及驅動原動機的可變頻調速的變頻器等設備。原動機在系統中帶動發電機旋轉，通過可變頻調速的變頻器調節原動機的轉速，使發電機可在不同轉速下運行，模擬現場風輪驅動發電機的運行特性。
風力發電機組的實驗系統耗電量較大，在設計時需考慮系統的節能。通常采用能量回饋循環再利用的方式，即讓風力發電機發出的電能回送到電網，原動機再利用這部分電能。這樣系統就可盡量少用外部輸入的電能，外部輸入電能僅需補充整個實驗系統的損耗即可達到用電量最小的目的。由于風力發電機組均配置有并網變頻器，因此，整個實驗系統無需增加額外的并網設備即可實現將電能回饋到電網。
大型工廠中，用電設備數量多，設備容量較大。因此，供電部門送到用戶端的電源電壓等級一般為高壓10 kV，而風力發電機組常見的輸出電壓等級為低壓690 V或其他，3 MW風力發電機組的額定并網電壓為620 V。這樣在實驗系統中就形成了一個兩級電網，在該電網中，可將能量回饋設置在10 kV級或620 V級。10 kV級為廠用電的入口級，除了給風力發電機組實驗供電外，還可能給其他設備供電，因此，若在10 kV級實現能量回饋，則可能對其他設備的用電產生一定影響。同時，由于電壓等級較高，導致實驗系統的建設成本較高；若在620 V級實現能量回饋，由于這部分電源僅給風力發電機組實驗系統供電，還有10 kV／620 V降壓變壓器的隔離，可使風力發電機組在實驗時對其他設備的用電影響最小。同時，電壓等級的大幅降低，將大大降低實驗系統的建設成本。
傳統的低壓原動機和低壓變頻器驅動的組合方式，在故障維護成本和響應時間等方面存在一定的局限性。隨著現代電力電子技術和微電子技術的發展，多電平高壓變頻技術已經非常成熟，它能輸出完美的正弦波，所以可利用高壓變頻器為風力發電機組全功率實驗系統提供變頻電源的方法，即采用多電平高壓變頻器替代低壓變頻器，原動機選擇高壓電動機。目前國內高壓變頻器的容量設計水平可達到20 MW以上，且技術非常成熟，應用非常廣泛，維護成本低，響應快速。這里選擇了在技術含量及綜合成本上均有較大優勢的以高壓變頻器為主體的技術方案。

3 設計方案
3．1 高壓變頻器選型
3 MW半直驅型風力發電機組全功率實驗臺配置一臺4 MW／6 kV高壓原動機，由于風力發電機組在出廠實驗中需進行過載實驗，故高壓變頻器的額定容量配置為5 MVA。風力發電機組并網電壓為620 V，能量回饋循環利用在620 V級電網實現，故需將驅動高壓原動機的變頻器額定輸入電壓設為620 V。高壓變頻器的額定輸出電壓為6 kV，三相共采用24個IGBT功率單元模塊串聯組成多電平高壓變頻器。
3．2 系統方案
根據實驗臺設計的實際情況，系統方案在風力發電機組并網電壓620 V，能量回饋在620 V級電網下實現。系統中，10 kV／50 Hz電源經10 kV／620 V降壓變壓器后，直接輸入到高壓變頻器輸入端，經高壓變頻器變換后，為高壓原動機提供變頻電源，高壓原動機即可實現調速運行。再通過傳動鏈帶動風力發電機在不同轉速下運行，發出的電能經風機并網變頻器回饋到620 V電網。整個能量回饋循環系統可模擬風力發電機在風場不同轉速下的運行模式，并可進行各種實驗。
同時，高壓變頻器的輸出頻率是可調節的，因此，可讓高壓原動機實現變頻調速運行，既可節能，又可達到讓發電機模擬現場風速變化時各種運行模式的目的。

4 高壓變頻器的組成和原理
MLVERT-D系列高壓變頻器變頻器運行穩定，輸出正弦波形好，效率高；對電網諧波污染小，THD4％，滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準：輸入電流功率因數高，不必采用功率因數補償裝置；輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出du／dt、共模電壓等問題。
4．1 輸入輸出方式
高壓變頻器常用“高-高”的輸入輸出方式。在3 MW風力發電機組全功率實驗系統中，發電機的并網額定電壓為620 V。若在620 V級電網實現能量回饋，對于高壓變頻器，需改為“低-高”方式，即低壓620 V直接輸入，高壓6 kV直接輸出。圖1示出高壓變頻器的主電路原理圖。