SWITCH变流器在兆瓦级直驱型风机中的应用

SWITCH变流器在兆瓦级直驱型风机中的应用

1. 简介

近年来，兆瓦级风机市场在以极快的速度增长着。金风公司在国内率先引导的直驱型风机，是其中很有前途的一种机型，其中主要使用的变流器是SWITCH公司的产品。在过去的两年里，SWITCH公司制造的全功率变流器和金风公司直驱型风机一同进步，逐渐成熟。

2. 金风直驱型风机的原理及特点

2.1. 直驱型风机之原理

兆瓦级风机市场上的主流是变浆变速风机，根据结构的不同又可以分为两种：双馈型和直驱型。双馈型采用双馈发电机，在转子绕组上串入可以四象限运行的变频器，控制定子绕组和电网之间的功率流动。这种结构对变频器的功率要求只有系统总功率的1/3左右。

图1：双馈型变流装置示意图

金风公司的直驱型风力发电机组采用永磁式发电机的形式，将电机定子绕组输出直接连接到全功率的变流器上，由变流器将电机输出变化的电压/电流转换为和接入电网电压和频率相匹配的形式。

图2：直驱型风力发电系统示意图

为了降低电机成本，希望变流器具有能够调节电机内磁场的功能，因此全功率四象限变流器就成为了直驱型风机变流器的首选。

2.2. 直驱型风机之优点及和双馈机型的异同

和双馈型风力发电机组相比，直驱型机组有如下特点：

优点包括：

省略了齿轮箱，机械系统大为简化，机械可靠性显著提高。

在发电机和电网之间采用了完全可控的全功率变流器进行功率转换，在电网侧能够自由的实现各种功能，如低电压穿越、动态无功补偿，甚至有限的谐波补偿能力。在接入网性能方面，直驱型机组具有无以伦比的优势。

由于少了齿轮箱等传动机构，且没有附加的励磁损耗，风机整体效率较双馈机组高，理论值为3%，在吉林、内蒙多个风况相同现场的实际差异则远高于此数值。

由于没有齿轮箱、碳刷等机构，机组需要定期维护的器件数量大大降低，长期维护成本较低。

由于直驱发电机的特点，使得直驱风机在低速时切入速度小于双馈机组，从而使整机的发电量和发电效率提高。

缺点是：

由于采用了低速电机，电机尺寸庞大，整体重量和成本较双馈机组更高。吊装、安装等成本也有所上升。

由于必须使用全功率变流器，在这一个部件上的成本也要高出50%。相应的，变流器故障率也较双馈型机组更高。

目前，金风公司1.5MW直驱型机组已经在新疆、内蒙、渤海湾等多个现场运行了两年以上，其可利用率不断上升，发电量高、易于维护等优点也逐渐为各个业主所认可。

3. SWITCH变流器的原理和特点

3.1. 基本参数

电机参数：

双绕组，

额定电压：690V

额定功率：1600kW

每绕组额定电流：620A

额定频率：13.7Hz

功率因数：1.0

电网参数：

额定电压：690V

额定频率：50/60Hz

额定电流：1320A

功率因数：0.95。

等效年工作时间：3500小时。

环境参数：

运行环境温度：-40～+40摄氏度

储存环境温度：-50～+50摄氏度

运行湿度：<90%

3.2. 拓扑结构

图3：switch变流器一次系统图

从上图中可见，SWITCH变流器主要由网侧逆变单元1U1，电机侧逆变单元2U1, 3U1和制动单元4U1组成。每个模块的设计原理均相同，在结构和关键器件选型上有所差别。这样在保证了较低成本的同时提高了生产的一致性，降低了产业化的难度。

为了保护电机绝缘，在电机侧逆变单元出口处还设置了dudt滤波器。

3.3. 控制及保护原理

和大多数商用四象限变频器一样，switch在控制上采用了分布式控制的方式，也即每个功率模块都能够独立的执行控制、保护、监测等功能，模块之间则通过现场总线连接。

图4：模块间通信拓扑

为了实现控制目标解耦，在网侧逆变单元处采用了以直流电压恒定为目标的控制方式，在电机侧采用了跟踪风机控制器给定转矩的方式。

下图给出了网侧控制逻辑框图：

图5：switch变流器网侧控制框图

除了前面提到的以直流电压恒定为目标控制Iq之外，作为全功率变流器还具有自由调节输出无功电流Id的能力。变流器可以根据风机给定值发出或吸收无功功率，这对于降低业主风电场投资，改善电压特性具有明显的作用。

目前，金风公司的直驱型风机已在东北某风电场实现了无功功率补偿功能，根据目前数据，该风电场66kV高压侧的功率因数达到了1。

3.4. 结构和冷却

SWITCH变流器采用了水冷冷却方式，这种方式能够大大缩小变流器体积和重量，为吊装和维护提供方便。变流器大部分热量，包括IGBT发热都将由循环水带走。

变流器内除了IGBT之外还有其他发热体，这部分热量通过柜内通风循环最终由水带走，见下图：

图6：SWITCH变流器散热方式图

在柜体中部有数个水-风热交换器，其他发热体所产生的热量通过热交换器被水带走。实际测试的结果表明，在满负荷的工况下，柜内空气温度与环境温度差在5摄氏度左右。

3.5. 后台监控（NCDRIVE）

为了方便现场应用, SWITCH变流器给用户配置了后台监控软件NCDRIVE。这是一个可以全面监控变流器的工具，用它不但可以实现简单的参数调整，还能够在现场实时监测变流器的工作状况，相当于一个便携的示波器；此外其附带的故障记录功能还可以在出现问题时帮助我们快速的找到问题的根源。

图7：NCDRIVE的监控窗口

图8：NCDRIVE 故障记录窗口

具备了以上特性，SWITCH变流器能够基本适应直驱型风机对变流器的需求。

以下介绍SWITCH变流器在风机行业一个关键的问题上的表现：

4. 低电压穿越功能

根据E-ON的要求，风机必须实现低电压穿越功能，才能符合接入电网的条件。也即当风机并网点电压跌落水平高于图中实线范围时，要求风机不脱网，甚至以满电流发出无功功率以支撑系统电压。

图9：低电压穿越要求曲线

一直以来对于低电压穿越功能的实用型都存在争议。但随着风机在不同电网条件环境下的应用，人们都开始意识到：风资源良好的地方，往往都处于电网末梢，其短路容量较低，在出现短路故障或有大电机负荷启动的时候，系统电压降低经常发生。不能实现低电压穿越功能的机组，或者选择停机等待电网稳定，或者必须承受一次又一次的紧急停机——而这样的冲击对于桨叶、轴承等机械元件的可靠性都是不利的。同时，在风电装机比例较高地区的电网上，在高风速期间，由于输电网故障引起的大量风电切除会导致系统浪流的大幅变化，甚至可能引起大面积的停电，造成频率稳定性的波动，从而影响整体电网的性能。

因此低电压穿越功能具有突出的现实意义，对于提高风机的长期可靠性和短期可利用率都是有益的。

作为直驱型风机变流器，SWITCH变流器具有良好的低电压穿越能力，下图为实际测试中的电流波形：

图10：SWITCH变流器三相低电压穿越试验波形

对于现场出现几率更高的单相低电压穿越，最近的试验表明SWITCH变流器也能够顺利的通过，关于此内容将另行撰文叙述。

5. 结论

直驱型风机在电网接入性能，机械系统可靠性、整机效率等方面对双馈型风机具有显著优势，在成本得到有效控制后，将会全面超越双馈型风机。

SWITCH变流器是一种四象限变频器，通过采用分布式控制，模块化功率单元设计，在保证较低成本的同时提高了生产的一致性，降低了产业化的难度。

高效的柜内散热能力，紧凑的柜体外形，方便灵活的实用工具，让SWITCH变流器对风机环境具有较好的适应能力。

低电压穿越功能对于风电场业主而言在短期的机组可利用率，和长期的机械系统可靠性两方面具有重要意义。风机系统中的实践证明，SWITCH变流器具有良好的低电压穿越能力。

参考文献：

1. RorbertHennchen. .Comparison between Double Feed Asynchronues Generator and Synchronues Generator for Use in Wind Turbines[Z]. 2005.

2. The Switch公司，产品说明