各國(guó)的風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但仍有亟待完善的地方，尤其是針對(duì)MW級(jí)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(chǎng)迫切需要研制出一種穩(wěn)定、可靠的MW級(jí)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．風(fēng)電系統(tǒng)大功率變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較

1.1 基本型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

大功率是指功率等級(jí)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(jí)。這種方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是對(duì)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(jí)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(jiǎn)單易行地實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出，可供給高壓電動(dòng)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(jiǎn)單，功率器件個(gè)數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。但器件串聯(lián)會(huì)帶來分壓不均問題， 器件并聯(lián)會(huì)帶來器件的均流問題，因而對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯(lián)器件同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，否則由于各器件開斷時(shí)間不一，承受電壓不均或分流不均，會(huì)導(dǎo)致器件損壞甚至整個(gè)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(duì)于傳統(tǒng)的兩電平變頻器，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：?jiǎn)蝹€(gè)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(shí)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(jí)(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(tái)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(jí)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(jiǎn)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．變頻器并聯(lián)型大功率變流器及其實(shí)現(xiàn)

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(gè)變流器功率不能滿足風(fēng)電機(jī)組功率要求時(shí)，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(jí)，又能使各個(gè)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(gè)操作器和兩個(gè)并聯(lián)的變流器組成。系統(tǒng)各個(gè)對(duì)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(cè)的電網(wǎng)電流、直流母線電壓等生成驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)IGBT，實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)整流，同時(shí)把各參數(shù)值發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)總線；網(wǎng)側(cè)逆變?cè)恚兞髌鞑蓸尤噍斎腚妷海玫骄W(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(gè)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(dòng)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(gè)逆變單元并聯(lián)，提高了電流等級(jí)，從而提高了逆變器的功率，且易于實(shí)現(xiàn)多級(jí)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(cè)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(gè)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)電路設(shè)計(jì)

變流器驅(qū)動(dòng)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(dòng)器之一，是驅(qū)動(dòng)和保護(hù)大功率IGBT的專用集成驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT模塊，電氣隔離可達(dá)到6000VAC。具有準(zhǔn)確可靠的驅(qū)動(dòng)功能與靈活可調(diào)的過流保護(hù)功能，同時(shí)可對(duì)電源電壓進(jìn)行欠壓檢測(cè)。驅(qū)動(dòng)電路主要將主控電路產(chǎn)生的12路SPWM信號(hào)隔離、調(diào)整，以驅(qū)動(dòng)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(gè)變流器系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)電壓、電流、故障等信號(hào)的檢測(cè)，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(hào)檢測(cè)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(duì)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(hào)傳輸方式不能滿足這種要求，信號(hào)在傳輸過程中極易引入電磁干擾，造成電路誤動(dòng)作，甚至IGBT炸管子。為了解決這一問題，系統(tǒng)對(duì)重要信號(hào)的傳輸應(yīng)采用光纖方案設(shè)計(jì)，利用光纖傳導(dǎo)信號(hào)，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

3．系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)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(cè)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(hào)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

4．結(jié)語

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(shí)電壓和電流輸出同步，較好地解決了MW級(jí)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(jiǎn)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。）