MW级大功率风电机组变流器系统的研究

电力电子MW级大功率风电机组变流器系统的研究李学哲黄成玉张全柱邓永红华北科技学院信息与控制技术研究所，河北三河101601摘要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DSPIC30F60】0A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。关键词并联扩容；风力发电；变频器；CAN总线THERESEARCHOFMWLEVELHIGHPOWERWTGCONVERTERSYSTEMLIXUEZHEHUANGCHENGYUZHANGQUANZHUDENGYONGHONGNORTHCHINAINSTITUTEOFSCIENCEANDTECHNOLOGY，SANHE，HEBEI101601ABSTRACTINTHEPAPER,WESTUDYTHEWINDPOWERSYSTEMINCOMMONUSEOFTHREEKINDSOFHIGHPOWERCONVENERTOPOLOGY,ANDAKINDOFHIGHPOWERWINDDRIVENGENERATORCONVERTERSYSTEMBASEDONPARALLELEXPANSIONTECHNOLOGYISINTRODUCED，WHICHHASACONTROLCOREOFDSPIC30F6010ASINGLECHIPCOMPUTERANDUSESITSINTERNALINTEGRATINGSERIALCANINTERFACETOREALIZESYNCHRONIZATIONBETWEENMODULESTHEPAPERALSOINTRODUCESTHEPRINCIPLEANDIMPLEMENTATIONOFSYSTEMPROJECTANDGIVETHEKEYCIRCUITPRINCIPLEANDEXPERIMENTALWAVEFORMEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHESYSTEMSOLVESTHEPROBLEMOFMWLEVELHIGHPOWERWTGCONTRO1GUARANTEETHESTABLEOPERATIONOFTHESYSTEMKEYWORDSPARALLELEXPANSIONWINDPOWER；CONVERTERSYSTEM；CANBUSL引言随着经济的快速发展，能源问题日益严重。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到各国的重视，经成为各国可持续发展战略的重要组成部分_LJ。FJ前，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种稳定、可靠的MW级大功率风电机组控制方案。木系统是基于这样的实际应用背景和需求而进行立项丌发的，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。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牢等级。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、也是有限的，而且更重要的是，由于择器件均工作极限参数下，系统的稳定性和可靠性也人打折扣。图1为采用基本型结构的变流器主电路。随着功牢器件的制造工艺和技术水平的提高，功率等级也不断提高。P一_IVS2VSIN2VSCN图1基本型变流器结构2一一。一。由图番墨妻萼曼三上孝，曩LLJ适嵩篆震基军功率变换的有效途径是高电压或大电流。基本型变一一一一一一2011年第5期电卑技术L21电力电子抗器和电容滤波，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。RT厂_IL【上JJ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。IL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。23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31。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22L9MTMLLT2011年第5期主要特点为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33KV，416KV，66KV，10KV的需要；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；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；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3变频器并联型大功率变流器及其实现31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DSPIC30F6010ACPU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AD采样，多路的IO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训。系统特点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；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；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，L1还可能引起环流问题。32变频器主电路设计憔LL|HR“一LLL机倒逆变IPR、嗣侧逆变R图6变频器主电路原理图变频器主电路包括网侧交流器NPRH机侧变流器MPRI4J，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01GF3300V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。33变频器驱动电路设计变流器驱动电路采用2SD3L5AI33为核心模块设计。2SD315AI33模块是瑞士CONCEPT公司生产的SCALE系列驱动器之一，是驱动和保护大功电力电子率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。驱动电路主要将宅控电路产生的12路SPWM信号隔离、调整，以驱动IGBT管子通断，实现变流控制。34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通信模块。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DSPIC30F6010ACPU为核心而构成的全数字化电路，实现高速、可靠的系统控制。信号镌奄路CPUI块图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，L作性能稳定。传统的导线IL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丁扰，造成电路误动作，甚牟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4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。川钳形电流表监测逆变2011年第5期ET气技柬L23一一一一一一；_卜“一一罾圜电力电子器输出电流分别为09A变流器1和085A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图9变流器1上与变流器2下并联输出电压5结论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。参考文献1杨俊华现代控制技术在风能转换系统中的应用J北京太阳能学报，2004464692】徐甫荣中高压变频器主电路拓扑结构的分析比较J】L电气传动自动化，2003，2545123】李永东等大容量多电平变换器一原理控制应用【M】北京科学出版社，2005104陈伯时矩阵式交一交变换器及其控制【J北京电力电子技术，199911054作者简介李学哲1976一，男，吉林通化市人，工学硕士，现任华北科技学院机电系教师，讲师。研究方向传感器测控，光机电一体化技术。黄成玉1977，男，内蒙古通辽人，硕士，讲师，华北科技学院信息与控制技术研究所，研究方向电子信息技术，微型计算机测控技术等。张全柱1965，男，内蒙古乌兰察布市人，工学博士后，现任华北科技学院信息与控制技术研究所，教授，硕士研究生导师。研究方向电力电子与电能变换，电气传动，微型计算机控制技术等。邓永红1975一，男，湖南涟源市人，工学硕士，现任华北科技学院信息与控制技术研究所，工程师。研究方向电力电子与电能变换，微型计算机控制技术等。西门子APT环游记首届摄影大赛颁奖仪式暨新产品发布会2011年4月16日，由西门子APT主办，电气时代杂志社、中国工控网、中国开关电器网协办的“APT环游记一一首届摄影大赛颁奖仪式暨新产品发布会”在北京国际饭店会议中心隆重召开。来自电气行业的设计院代表、行业协会代表、用户代表、经销商代表、摄影大赛获奖者以及媒体代表齐聚一堂，共同见证“2OL0APT杯中国开关电器摄影大赛”的胜利收官和新一轮APT“环游记”的顺利启动。“首届APT杯中国开关电器摄影大赛”于2010年1月1曰启动，历时一年，旨在通过镜头记录开关电器在生产应用过程中的点点滴滴，突出工业产品的艺术感受和工业之美，倡导生产者与技术人员共同“关注开关电器，探寻APT”。本届摄影大赛共有超过3万余人参与，收到有效作品2047幅，通过网上投票及专家评审，最终评选出12幅获奖作品。24I嘲罩曩L纛贰2011年第5期随着首届APT杯中国开关电器摄影大赛”的完美落幕，“20L1两门子一APT环游记”也正式举行了启动仪式。APT“环游记”将在第二届摄影大赛的基础上增加更多的在线互动内容，旨