中压全功率变流器在风电场中的应用

1、胡绪超 林章 北京ABB电气传动系统有限公司摘要：风电系统对中压大功率变流器的需求日益增加,大功率变流器已引起人们极大的兴趣。本文介绍了PCS 6000在风力发电中的应用，重点介绍了ABB PCS 6000中压全功率变频器的特性。关键词：中压变频器PCS 6000风力发电 IGCT图1绕线式异步发电机+全功率变频器系统图 图2 永磁发电机+全功率变频器系统图1. 引言海上风电由于其资源丰富、风速稳定、对环境的负面影响较少，允许机组制造更为大型化，从而可以增加单位面积的总装机量，可以大规模开发等优势，一直受到风电开发商的关注。但是就目前情况来看，双馈型风力发电机仍占主流，然而全功率风力发电机组以

2、其固有的优势受到了越来越多的关注，但是随着风力发电机的单机容量不断增大，受功率器件材料的耐压极限和制作工艺的限制，同时单一功率器件的容量也是有限的，全功率变流器的设计和制造是电网友好型风力发电机的一个重点和难点，它对于整个系统的稳定、高效运行至关重要。同时对于当今先进水平的多兆瓦级风电机，中压技术是处理其额定功率的理想之选，可将发电机、变流器及电缆的损耗降至最低。中压系统能够降低电流值，不但节省空间、减少布线，更减小系统损耗。与性能有限的交流解决方案相比，中压全功率变流器还允许对风电机的转速与功率实施最大限度的控制；此外，中压全功率变流器的另一重要特性是能以高效策略应对电网故障。2. 全功率动

3、力驱动系统方案全功率动力驱动系统方案具有优秀的低（零）电压穿越能力和良好的功率调节特性，能很好的应对电网故障和调节上网的有功和无功功率。目前流行的全功率风力发电机组的动力驱动系统主要两种方案：一种是升速齿轮箱+绕线式异步发电机+ 全功率变频器；一种是无齿轮箱的直接驱动低速永磁发电机+全功率变频器。2.1 升速齿轮箱+绕线式异步发电机+ 全功率变频器其结构如图1所示。该动力驱动系统优点是采用可靠的异步发电机，发电机结构简单，免维护。既没有双馈的滑环和电刷系统，不需要更换电刷和清理滑环；也没有直驱机组的磁钢退磁问题。机组维护简单，运行可靠性高。缺点是增加了升速齿轮箱，维护量大，维护成本高。2.2

4、无齿轮箱的直接驱动低速永磁发电机+全功率变频器其结构如图2所示。该动力驱动系统优点是没有升速齿轮箱，叶轮直接驱动低速发电机转子，故障率低，降低维护工作量，运行效率高。由于发电机定子绕组不直接与电网相连，而是通过变频器连接，因此电机额定转速可以降低，使电机极数减少至合理值。缺点是采用低速永磁发电机，国内的生产工艺还不够成熟，体积大，吊装、安装成本偏高，定子绕组绝缘等级要求高，制造成本高。目前大部分全功率风电机组都采用永磁发电机方案，既无齿轮箱的直接驱动低速永磁发电机+全功率变频器，但由于异步发电机的运行可靠、价格低等优势，使得异步发电机+全功率变频器方案备受关注。PCS 6000采用三电平四象限

5、全功率的拓扑结构，不但满足永磁发电机+全功率变频器的方案，而且匹配异步发电机+全功率变频器的方案。图3 变频器现场安装布局 图4 变频器功率柜3. ABB中压全功率风电变频器PCS 6000风电变频器PCS 6000是一款38MVA风电机组电网连接的理想的变频器，它沿用了ABB 6000系列的水冷方式，基于功率器件集成门极换流晶闸管（IGCT）并联技术，以其大功率密度、高可靠性为风电机组提供最优方案。其紧凑的结构，为客户提供简洁的布局方案，图3展示了现场的安装布局。3.1 系统结构风电变频器PCS 6000含有两个通过直流连接的功率单元，既网侧变流器和机侧变流器，其硬件结构完全一致。发电机通过

6、PCS 6000连接电网的升压变压器，系统结构如图5所示。该系统图还包含了网侧滤波器、VLU（voltage limit unit）和机侧滤波器。机侧滤波器作用是为了降低发电机侧的电压尖峰，从而避免发电机过压，损坏电机。而网侧滤波器是一个LC滤波器，同时包含了一个特别的阻尼电路，降低电网侧的低次谐波，来满足电网的要求。并联在中间直流环节的VLU单元，其作用是在电网发生穿越时保护直流单元正常工作，避免发电机转矩随着电网的波动而振动。在发电机侧变流器（INU）和发电机断路器之间还并联了一个预充电单元，通过预充电单元把直流母线电压冲到额定值，之后网侧变流器（ARU）启动并与电网同步，这样就保证闭合网

7、侧断路器的时候，没有冲击电流，实现软启的功能。由于风电变频器PCS 6000采用了三电平的拓扑结构，和传统的两电平电压型变频器相比较有着固有的优势：电流波动小和更好的谐波曲线，从而减小发电机的转矩振动对齿轮的冲击。同时PCS 6000采用了集成的冷却系统，该系统由水/空气热交换器和闭环冷却回路组成。冗余冷却泵可以自动切换，确保无故障运行，延长零部件维修间隔；在起动与运行中，集成的热交换器旁通阀将冷却水温维持在最佳水平。3.2 技术特点（1）变流器紧凑度高。电压限制单元、充电单元、水冷单元都集成在PCS 6000柜内；8MVA只需26块集成门极换流晶闸管（IGCT），增加可靠性；适合安装在塔架内

8、部的单一平台上。（2）U/F模式。可进行发电机电动工况下的全速试验，出厂前以额定电流和速度高效测试风电机各组件。充当驱动器的变流器可在全部4象限内运行，提供双向电流并全面控制无功功率。（3）I/F模式。精确转子定位功能，直升机可以更安全的接近风电机，为风电机安装与维护提供便利。（4）主动传动系阻尼功能。可将发电机从电网解列，最大限度减轻破坏性峰值扭矩造成的冲击，避免了电网扰动时或扰动后对齿轮的冲击。它还能消除整个转速范围内的严重系统振荡，生成平滑的扭矩曲线。（5） 软启功能。自动启动变流器预充电、变压器预磁化及零电流电网同步，实现无冲击并网，严格遵守电网规范。（6）无与伦比的谐波性能。变流器内

9、置的算法可消除29次以下的谐波，满足电网的相关标准。（7）有功和无功全控功能。即使连接较弱的电网，通过有功和无功的动态调节也可以最佳地稳定电压与频率。（8）穿越功能。电网出现重大扰动时，通过启动制动斩波器，把产生的能量消耗在并联的电阻上，确保风电机不脱；当故障解除时，风电机即按相关电网规范，平滑并网。变频器可以实现发电机和电网的完全解耦，减小发电机期间的压力。图5变频器系统简图 图6 变频器冷却系统简图图7 系统控制简图 图8 ABB Commissioner图9 远程监控系统简图 图10 无功补偿简图图11 无功双向补偿简图 图12 U/Q特性曲线图13 过励磁下的感性无功响应 图14 电压

10、平衡跌落70%图15 直流充电波形（9）风机超速保护。变频器以弱磁模式工作，维持发电机在超速情况下在网并发出最大功率。(10) 免熔断器设计。海上风机发生故障时，一旦故障排除，可立即远程重启，不必赴现场更换熔断器。3.3 PCS 6000控制系统图7展示了PCS 6000的控制系统。控制和监控系统、外部接口和测量设备等都位于控制柜中。核心控制器800 PEC，它是ABB的一款高性能处理控制系统。800 PEC控制器通过Control Builder M 配置和编程的，基于组合式的最优解决方案：高速响应电力电子器件请求；低速处理PLC任务。800 PEC内部集成了Anybus通信模块， 与上位机

11、进行通讯； 通过ABB Commissioner对PCS 6000进行操作和故障分析；也可以通过以太网可以进行远程监控变频器的实时数据、状态和命令，这对于海上风机显得尤为重要。通过对ABB的信息诊断分析系统（DIAS）的监控，任何故障都可以得到来自瑞士技术中心团队提供的优质服务。图16 无功补偿模式下电压、电流的波形4. 满足电网准则尽管国家电网不断提高风电场入网的准则，要求风电机组具有无功补偿、电压调节，低电压穿越等功能，ABB始终以其不断完善、锐意创新的变流技术满足当前乃至未来的电网规范要求。4.1 无功补偿原理为了向电网提供无功功率，需要一个电压可变的电压源和一个电感，比如一个变压器，如

12、图10所示。UComp代表了补偿的变频器，UGrid代表了电网，感抗XT代表了变压器的漏抗，UT表示经过变压器的电压降，它也决定了UComp向UGr id补偿的数量。由电压降UT可以直接得到电网的电流I Gr id=UT/XT，I Gr idUGr id就是变频器需要向电网补偿的功率。图11给出了电网电压恒定的情况下的两种补偿简图。左边的图说明在UCompUGr id的情况下，I Gr id被定义为容性；右边的图说明UCompUGrid的情况下，IGrid被定义为感性。由此可知， PCS6000可以看作成UComp因此可以向电网动态的补偿无功。4.2 电压控制电压由一个比例控制器所控制，图12所示。与电压相关的有UO和增益N（数值可以由U/Q的特性回滞曲线得到）能被上位机控制并调节。电网电压的测量值被反馈到上位机，无功功率随着电压的设定点进行调解。当控制着两台或者更多台并联的PCS6000的时候，通过调节设定点UO和回滞比例N可以控制每台变频器的电压。一个经过扰动的系统想要母线电压恢复到正常值，比如有一个很大的负载变化，这时电压能够很快的恢复。典型的响应时间为5070ms。下面的参数应用于U/Q特性回滞曲线，见表1。表15. 仿真结果风机额定功率5MW过励磁下的感性无功响应：电压平衡跌落70响应：6. 应用案例某风电公司研发的6 MW风机使用了PCS