各國的風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展,但仍有亟待完善的地方,尤其是針對MW級大功率風(fēng)電機(jī)組的變流器系統(tǒng)問題更是突出。風(fēng)電現(xiàn)場迫切需要研制出一種穩(wěn)定、可靠的MW級大功率風(fēng)電機(jī)組控制方案。本系統(tǒng)是基于這樣的實(shí)際應(yīng)用背景和需求而進(jìn)行立項(xiàng)開發(fā)的,采用先進(jìn)的CAN總線技術(shù)和并聯(lián)擴(kuò)容技術(shù),很好的解決了大功率風(fēng)電機(jī)組控制問題,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
1.1 基本型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
大功率是指功率等級在數(shù)百千瓦以上,實(shí)現(xiàn)大功率變換的有效途徑是高電壓或大電流。基本型變流器是通過提高IGBT等功率器件的耐壓和容量來提高風(fēng)電系統(tǒng)的功率等級。這種方案電路結(jié)構(gòu)簡單,容易實(shí)現(xiàn),但缺點(diǎn)是對器件的技術(shù)指標(biāo)和制造水平依賴較大,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極限參數(shù)下,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性也大打折扣。圖1為采用基本型結(jié)構(gòu)的變流器主電路。隨著功率器件的制造工藝和技術(shù)水平的提高,其功率等級也不斷提高。
圖1基本型變流器結(jié)構(gòu)
1.2 器件串并聯(lián)型大功率變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖2是采用IGBT直接串聯(lián)方式的高壓變頻器[2],由圖可以看出:該系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進(jìn)入變頻器,經(jīng)過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波,再經(jīng)逆變器逆變,加上正弦波濾波器,簡單易行地實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出,可供給高壓電動機(jī)或接變壓器耦合入電網(wǎng)。
圖2器件串聯(lián)式變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖3是采用器件并聯(lián)方式的風(fēng)電機(jī)組變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,該電路實(shí)質(zhì)為交直交功率變換系統(tǒng),發(fā)電機(jī)輸出的幅值和頻率變化交流電通過整流和斬波升壓,調(diào)整成DC1200V,再通過逆變單元和變壓器輸出電壓頻率和幅值及相位與電網(wǎng)一致的交流電源電壓。為了增大系統(tǒng)容量,主電路功率器件均采用并聯(lián)技術(shù)。
圖3器件并聯(lián)式變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
采用器件串并聯(lián)方式提高變流器的功率,具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,功率器件個數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。但器件串聯(lián)會帶來分壓不均問題, 器件并聯(lián)會帶來器件的均流問題,因而對驅(qū)動電路的要求也大大提高,要盡量做到串聯(lián)器件同時導(dǎo)通和關(guān)斷,否則由于各器件開斷時間不一,承受電壓不均或分流不均,會導(dǎo)致器件損壞甚至整個逆變器崩潰。
1.3 多電平大功率變流器
多電平變頻器本質(zhì)依賴于內(nèi)部多電平逆變器的“多電平逆變”功能,相對于傳統(tǒng)的兩電平變頻器,其主要優(yōu)點(diǎn)在于:單個器件承受的電壓應(yīng)力小,更容易實(shí)現(xiàn)高壓大功率;在相同開關(guān)頻率下,輸出波形更接近正弦波,諧波含量更低;同時還大大減輕了電磁干擾(EMI)問題。
圖4為采用飛跨電容型四電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。分析圖 4 可知,該拓?fù)湓诠β势骷?lián)的基礎(chǔ)上,引入了電容進(jìn)行箝位,保證了電壓的安全分配。其主要特點(diǎn)為:
(1)通過整體單元裝置的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以滿足不同的電壓等級(如3.3kV,4.16kV,6.6kV,10kV)的需要;(2)可使系統(tǒng)普遍采用直流母線方案,以實(shí)現(xiàn)多臺高壓變頻器之間能量的互相交換;(3)這種結(jié)構(gòu)沒有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各級功率器件上的眾多分壓分流裝置,消除了系統(tǒng)中可靠性低的因素,從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單可靠,易于維護(hù);(4)輸出波形非常接近正弦波。
缺點(diǎn)是需要的電容器多、控制技術(shù)復(fù)雜、且需要額外的電容預(yù)充電電路。
圖4四電平高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
2.1系統(tǒng)技術(shù)方案及特點(diǎn)
前面介紹了三種大功率變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),各有優(yōu)缺點(diǎn)。變頻器并聯(lián)擴(kuò)容技術(shù)很好的克服了上面三種方案的不足。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)功率變流器,當(dāng)單個變流器功率不能滿足風(fēng)電機(jī)組功率要求時,通過變流器并聯(lián),提高功率。這樣既能靈活的滿足風(fēng)電機(jī)組的各種功率等級,又能使各個分變流器工作在額定狀態(tài)下,增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖5為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)由一個操作器和兩個并聯(lián)的變流器組成。系統(tǒng)各個對象之間采用CAN總線方式進(jìn)行通信。操作器(人機(jī)接口)控制各變流單元的啟停和參數(shù)修改;變流器負(fù)責(zé)機(jī)側(cè)整流與網(wǎng)側(cè)逆變。機(jī)側(cè)整流原理,變流器根據(jù)檢測的電網(wǎng)電流、直流母線電壓等生成驅(qū)動脈沖,驅(qū)動IGBT,實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)整流,同時把各參數(shù)值發(fā)送至現(xiàn)場總線;網(wǎng)側(cè)逆變原理,變流器采樣三相輸入電壓,得到網(wǎng)側(cè)電壓矢量角,實(shí)現(xiàn)逆變與并網(wǎng)控制。
本系統(tǒng)單個變流器設(shè)計(jì)功率為500KW,直流母線電壓設(shè)計(jì)為1200VDC,主電路IGBT采用英飛凌(infineon)公司的高壓模塊FZ1500R33HL3,該模塊由于采用了并聯(lián)擴(kuò)容技術(shù),模塊的功率得到了極大的增強(qiáng),VCES最高可達(dá)3300V,最大工作電流可達(dá)1500A。
變頻器控制系統(tǒng)是以高速、高性能、耐高溫單片微機(jī)DSPIC30F6010A CPU為核心而構(gòu)成的全數(shù)字化電路。該單片機(jī)運(yùn)算速度快,運(yùn)算功能強(qiáng);接口資源豐富,具有多路A/D采樣,多路的I/O接口,集成CAN接口,控制功能強(qiáng);內(nèi)置多路波形發(fā)生器,非常適合于電機(jī)傳動控制,可以產(chǎn)生多種形式的SPWM或PWM波,應(yīng)用非常方便;電磁兼容性能好,該單片微機(jī)具有較好的抗電磁干擾性能設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)特點(diǎn)為:(1)采用高頻開關(guān)技術(shù)及復(fù)雜的生產(chǎn)技術(shù)和高質(zhì)量的電子元器件,結(jié)構(gòu)緊密、重量輕、效率高;(2)多個逆變單元并聯(lián),提高了電流等級,從而提高了逆變器的功率,且易于實(shí)現(xiàn)多級冗余并聯(lián),提高整體運(yùn)行的穩(wěn)定性。并可給線性與非線性負(fù)載供電;(3)所有的監(jiān)測與控制單元通過CAN總線集成在一起,實(shí)現(xiàn)各模塊的同步協(xié)調(diào)與控制。然而,多個逆變器單元并聯(lián)運(yùn)行,增加了控制的難度,且還可能引起環(huán)流問題。
2.2變頻器主電路設(shè)計(jì)
圖6變頻器主電路原理圖
變頻器主電路包括網(wǎng)側(cè)變流器(NPR)和機(jī)側(cè)變流器(MPR) [4],原理圖如圖6所示。NPR和MPR分別由6個功率開關(guān)組成。在逆變器直流母線上用0.1uF/3300V的高頻無感電容作為Snubber吸收電容,以吸收高頻尖峰電壓,以保護(hù)IGBT器件。MPR在控制電路的驅(qū)動脈沖作用下,實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)整流,輸出直流1200V。NPR在控制電路的驅(qū)動脈沖作用下,實(shí)現(xiàn)逆變與并網(wǎng)控制。
2.3變頻器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
變流器驅(qū)動電路采用2SD315AI-33為核心模塊設(shè)計(jì)。2SD315AI-33模塊是瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的SCALE系列驅(qū)動器之一,是驅(qū)動和保護(hù)大功率IGBT的專用集成驅(qū)動模塊,該模塊采用脈沖變壓器隔離方式,能同時驅(qū)動兩個IGBT模塊,電氣隔離可達(dá)到6000VAC。具有準(zhǔn)確可靠的驅(qū)動功能與靈活可調(diào)的過流保護(hù)功能,同時可對電源電壓進(jìn)行欠壓檢測。驅(qū)動電路主要將主控電路產(chǎn)生的12路SPWM信號隔離、調(diào)整,以驅(qū)動IGBT管子通斷,實(shí)現(xiàn)變流控制。
2.4變頻器控制電路設(shè)計(jì)
控制電路是整個變流器系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)電壓、電流、故障等信號的檢測,SPWM波產(chǎn)生與輸出,CAN接口實(shí)現(xiàn)與操作器的通信及各模塊之間的同步控制等。控制電路及其核心軟件是變流器各項(xiàng)功能指標(biāo)的重要保證。變流器控制電路按功能可以分為如下模塊:CPU模塊、信號檢測模塊、SPWM輸出模塊和CAN通訊模塊。控制電路框圖如圖7所示。變流器控制系統(tǒng)是以高速、高性能、耐高溫單片微機(jī)DSPIC30F6010A CPU為核心而構(gòu)成的全數(shù)字化電路,實(shí)現(xiàn)高速、可靠的系統(tǒng)控制。
圖7控制電路結(jié)構(gòu)框圖
風(fēng)電系統(tǒng)對電磁兼容特性有較高的要求,要求系統(tǒng)具有極強(qiáng)的抗干擾能力,工作性能穩(wěn)定。傳統(tǒng)的導(dǎo)線式信號傳輸方式不能滿足這種要求,信號在傳輸過程中極易引入電磁干擾,造成電路誤動作,甚至IGBT炸管子。為了解決這一問題,系統(tǒng)對重要信號的傳輸應(yīng)采用光纖方案設(shè)計(jì),利用光纖傳導(dǎo)信號,大大降低了傳輸過程中的電磁干擾,增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。光纖系統(tǒng)框圖如圖8所示。
圖8光纖系統(tǒng)框圖
針對設(shè)計(jì)的變流器系統(tǒng),進(jìn)行了輕負(fù)載調(diào)試試驗(yàn)(2A)。實(shí)驗(yàn)室模擬DC1200V輸入,逆變器U相輸出電壓波形如圖9所示。用鉗形電流表監(jiān)測逆變器輸出電流分別為0.9A(變流器1)和0.85A(變流器2)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,信號在傳輸過程中沒有丟失,一致性非常好,較好地實(shí)現(xiàn)了變流器并聯(lián)輸出同步和負(fù)載均分,達(dá)到了預(yù)期的效果。
圖9 變流器1(上)與變流器2(下)并聯(lián)輸出電壓
本文提出的基于變頻器并聯(lián)的大功率風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng),集微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、風(fēng)電轉(zhuǎn)換技術(shù)、現(xiàn)代光纖技術(shù)于一體,實(shí)現(xiàn)了變流器并聯(lián)時電壓和電流輸出同步,較好地解決了MW級風(fēng)電變流器并聯(lián)控制中的環(huán)流問題。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡潔、擴(kuò)容方便、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
(本文編自《電氣技術(shù)》,作者為李學(xué)哲、黃成玉等。)