1 引言
我國風力發(fā)電起步較晚，2006年前國內(nèi)風力發(fā)電設(shè)備整機制造廠家中，多數(shù)只能制造1MW以下的風力發(fā)電機組。2006年開始制造1.2MW、1.5MW直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組，開始技術(shù)主要靠引進。隨著國家的引導(dǎo)，大功率風電機組開始升溫，隨之而來的就是電控部件國產(chǎn)化問題。到目前為止，兆瓦級以上全功率風力發(fā)電變流器主要依靠進口，所以研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)大功率風電變流器成為當務(wù)之急。
2 幾種風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比
由發(fā)電機和電力電子器件或變流器構(gòu)成的廣泛應(yīng)用的6種風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。下面對圖中的風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)加以簡單比較說明。
圖a是二十世紀八十年代到九十年代被很多風機制造商應(yīng)用的比較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如使用鼠籠型轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機的上風式、失速調(diào)節(jié)、三槳葉風力機就是這種結(jié)構(gòu)。在八十年代這種結(jié)構(gòu)被擴展，為補償無功功率使用了電容器組，為平滑并網(wǎng)使用了電機軟起動器。
圖b是用全程范圍或“低風速區(qū)域”大小的變頻器代替了圖a中的電容器組和電機軟起動器?！暗惋L速區(qū)域”大小的變流器的功率僅為發(fā)電機額定功率的20-30％，而全程范圍的變流器功率大約為發(fā)電機額定功率的120％，但它能使風力發(fā)電機在所有風速下變速運行。
圖c這種結(jié)構(gòu)是二十世紀九十年代中期，Vestas風力機廠生產(chǎn)的名為“Optislip”風力機所采用的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的基本思想是利用電力電子變換器改變外部的轉(zhuǎn)子電阻，來改變總的轉(zhuǎn)子電阻，從而使轉(zhuǎn)差率有10％的變化范圍?？刂屏宿D(zhuǎn)差率也就控制了系統(tǒng)的輸出功率。
圖d這種結(jié)構(gòu)使用雙饋異步發(fā)電機，用變流器直接控制轉(zhuǎn)子繞組里的電流。用功率為發(fā)電機額定功率的30％左右的電力電子變流器，即可控制整個的發(fā)電機輸出功率。有兩個原因促使這種結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用：1）較圖c的結(jié)構(gòu)有更寬的調(diào)速范圍； 2）較全功率變流器更經(jīng)濟。
圖e原來這種功率控制結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用是在航海船只上作為電源。無齒輪箱，通過兩個或三個葉片的上風式風力機與永磁發(fā)電機相連，發(fā)出的電能經(jīng)整流器給蓄電池充電。這種結(jié)構(gòu)的風力機也可以應(yīng)用于家庭風電系統(tǒng)或混合風電系統(tǒng)，這時風力機一般大于1kW小于20kW。ABB公司在2000年利用這種結(jié)構(gòu)提出一個新的設(shè)想：用多極3. 5MW永磁發(fā)電機發(fā)出電能后經(jīng)二極管整流器產(chǎn)生21kV直流電，然后經(jīng)高壓直流輸電并入電網(wǎng)。由于結(jié)構(gòu)簡單，維護成本低，因此這種結(jié)構(gòu)成為世界風力發(fā)電的發(fā)展的另一個方向。
圖f這種結(jié)構(gòu)使用多極的繞線式同步發(fā)電機。由于它使用的是多極發(fā)電機，所以它不需要齒輪箱。它是通過整流器從電機外部來勵磁的。與前幾種結(jié)構(gòu)相比。這種結(jié)構(gòu)吸引力不大是由于三種原因：1）需要勵磁電路；2）需要滑環(huán)；3）風力機更加復(fù)雜的保護策略。
鼠籠型轉(zhuǎn)子異步電機：
（a）
（b）
繞線型轉(zhuǎn)子異步電機：
（對應(yīng)內(nèi)反饋調(diào)速）
（c）
（對應(yīng)雙饋調(diào)速）
（d）
永磁同步電機：
（e）
繞線型轉(zhuǎn)子同步電機：
（f）
圖2-1 廣泛應(yīng)用的風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
目前，電力電子變流裝置很多，表2-1列出應(yīng)用于風力發(fā)電的七種典型電氣拓撲類型的發(fā)展現(xiàn)狀。
表2-1 幾種典型變流器拓撲結(jié)構(gòu)的技術(shù)現(xiàn)狀
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變流器類型 |
特征類型 |
控制技術(shù) |
備注 |
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背靠背式 |
電壓源型變流器 |
PWM |
成熟技術(shù) |
|
不控整流式 |
電壓源型變流器 |
不控整流＋BOOST+PWM |
成熟技術(shù) |
|
背靠背式 |
電流源變流器 |
PWM |
未驗證技術(shù) |
|
串聯(lián)式 |
電流源整流器+電壓源逆變器 |
PWM |
未驗證技術(shù) |
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矩陣式 |
/ |
PWM |
未驗證技術(shù) |
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多電平 |
電壓源型變流器 |
PWM |
成熟技術(shù) |
|
諧振式 |
電壓源型逆變器 |
PWM |
未驗證技術(shù) |
3 不控整流接BOOST加IGBT逆變?nèi)β首兞髌髟?br> 該種風力發(fā)電變流器功率主回路主要由：電機側(cè)濾波器、六相或三相不控整流器、整流輸出電容器組、三重升壓BOOST變換器、制動單元、逆變側(cè)濾波電容器、雙重并網(wǎng)逆變器、逆變輸出平衡電抗器、濾波器、升壓變壓器等組成。主回路原理圖如3-1所示：
圖3-1不控整流接BOOST加IGBT逆變?nèi)β首兞髌髟?/p>
圖3-1結(jié)構(gòu)中在不控二極管整流橋后加入一個DC／DC Boost升壓環(huán)節(jié)，得到如圖所示的直流側(cè)電壓穩(wěn)定的PWM電壓源型逆變器型拓撲結(jié)構(gòu)。通過增加這個環(huán)節(jié)，可以解決風力較小發(fā)電機輸出電壓低時保證直流母線電壓的穩(wěn)定從而使PWM逆變器保持良好的運行特性。它通過Boost升壓環(huán)節(jié)將逆變器直流母線電壓提高并穩(wěn)定在合適的范圍，使逆變器的調(diào)制深度范圍好，提高運行效率，減小損耗。同時，Boost電路還可以對永磁同步發(fā)電機輸出側(cè)進行功率因數(shù)校正。由于不控整流橋的非線性特性，整流橋輸入側(cè)電流特性畸變很嚴重，諧波含量比較大，會使發(fā)電機功率因數(shù)降低，發(fā)電機轉(zhuǎn)矩發(fā)生振蕩?？梢酝ㄟ^功率因數(shù)校正技術(shù)(PFC)，改變開關(guān)器件的占空比，使發(fā)電機輸出電流保持正弦并保持與輸出電壓同步?？梢钥闯觯麄€系統(tǒng)通過增加一級Boost升壓電路將直流輸入電壓等級提高，系統(tǒng)控制簡單，控制方法靈活，開關(guān)器件利用率高，逆變器有輸入電壓穩(wěn)定，逆變效果好，諧波含量低，經(jīng)濟性好的優(yōu)點。在實際應(yīng)用中，大功率直驅(qū)系統(tǒng)中多采用這種結(jié)構(gòu)。
4 變流器關(guān)鍵技術(shù)
4.1 三重化BOOST技術(shù)
4.1.1 Boost變換器輸出電壓
由于并網(wǎng)變壓器的額定輸入電壓為620V，則：正弦波濾波器輸出電壓也應(yīng)該是620V，此時峰值電壓為：
。但需要考慮正弦波濾波器上的電壓損失，因此在這里選
。
4.1.2 Boost變換器占空比
當發(fā)電機輸出電壓最高達681V時，Boost變換器中開關(guān)管的占空比最低，約為：
。當發(fā)電機輸出電壓最低達323V時，Boost變換器中開關(guān)管的占空比最高，約為：
。
4.1.3 Boost變換器續(xù)流二極管電流確定
電機轉(zhuǎn)速最高時，Boost變換器總輸出電流不超過
，它由三個Boost變換器中的續(xù)流二極管所平攤，故續(xù)流二極管最大平均電流為
。但是，續(xù)流二極管是在間歇狀態(tài)下進行工作的，其導(dǎo)通率與開關(guān)管的導(dǎo)通率息息相關(guān)，此時開關(guān)管的導(dǎo)通率13.9%，續(xù)流二極管導(dǎo)通率為1-13.9%=86.1%，每一次脈沖導(dǎo)通時間內(nèi)的平均電流為
。
電機轉(zhuǎn)速最低時，Boost變換器總輸出電流不超過
，三個續(xù)流二極管平攤后為
。此時開關(guān)管的導(dǎo)通率59.2%，續(xù)流二極管導(dǎo)通率為1-59.2%=40.8%，每一次脈沖導(dǎo)通時間內(nèi)的平均電流為
。
本系統(tǒng)采用的是三重升壓斬波電路，三重化的目的是分流和減小電流中的諧波含量，下面給出了一重化的電路圖和連續(xù)導(dǎo)電模式的工作波形圖。
圖4-1 單重升壓變換器電路
圖4-2 連續(xù)導(dǎo)電模式波形圖
4.2 二重化逆變技術(shù)
主電路中的直－交變換部分采用兩重化PWM逆變器，用于將直流側(cè)能量變換成滿足電網(wǎng)連接要求的形式傳遞給電網(wǎng)，在保持直流側(cè)電壓恒定的同時，使交流側(cè)相電流接近于正弦，相電流與相電壓同相，功率因數(shù)接近于1，以減少輸送到電網(wǎng)的諧波和無功含量。該逆變器采用兩重化的目的一是實現(xiàn)電路的并聯(lián)均流，提高功率等級，二是減小交流輸出電流中的諧波含量，滿足電網(wǎng)對諧波的要求。兩重逆變器總輸出功率為：
上式中V0為連接到電網(wǎng)的線電壓，I0為逆變器的輸出相電流有效值。在每一重逆變器中，IGBT的相電流峰值電流加20%裕量可得ITm為：
并網(wǎng)逆變器的線電壓額定電壓是690V，可以計算相電壓的峰值是563V，根據(jù)逆變的要求，直流側(cè)電壓一半高于相電壓額定值，可得直流電壓最小975V。因此設(shè)定直流側(cè)額定電壓為1100V。
因此逆變器中所用IGBT模塊也采用SEMIKON公司的1700V/2400A等級的SKIIP模塊SKIIP2403GB172。
4.3 水冷散熱技術(shù)
IGBT損耗：
開通損耗： 
關(guān)斷損耗： 
通態(tài)損耗： 
當忽略負載電流的波動時：
，其中DT為開關(guān)管占空比，iLavg為負載電流的平均值。
在直流工作電壓Vcc=1100V，開關(guān)管開關(guān)頻率fs=2.5KHz，查SKIIP 2403GB 172-4DW的datasheet，結(jié)溫Tj/T=125℃，Eon/T+Eoff/T=1150mJ，VCEsat=2.2V，DT=0.258，Eoff/D=171mJ，VF=1.8V條件下，計算IGBT損耗可得：
續(xù)流二極管：
關(guān)斷損耗：
通態(tài)損耗：
當忽略負載電流的波動時：
斬波器的總損耗為：
每只整流二極管正向平均損耗大約是
系統(tǒng)總的IGBT和續(xù)流二極管及整流二極管的損耗為：
本系統(tǒng)采用水冷散熱技術(shù)，機外設(shè)有循環(huán)系統(tǒng)。散熱功率約50KW，可以足以把功率器件損耗散熱排出設(shè)備體外。
4.4 疊層母排技術(shù)
傳統(tǒng)的分立母排寄生電感量過大，在功率開關(guān)關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓與直流回路電壓疊加，對功率開關(guān)和電動機絕緣構(gòu)成威脅。分布電感量越大，負載電流越大，功率開關(guān)的電流下降時間越短，這種危害就越嚴重。這種危害不會因為功率開關(guān)器的選擇而消失。為了消除這種危害，人們便研究出了疊層母排技術(shù)。
疊層母排由扁平銅導(dǎo)體，涂有薄粘膠的絕緣箔構(gòu)成，銅導(dǎo)體與絕緣箔交替疊層排列，裸露邊緣用絕緣介質(zhì)密封。該疊層母排具有固有電容，低電感，低阻抗，降低瞬態(tài)壓降，抑制震蕩，減少地電磁干擾等優(yōu)點，疊層母排憑借其眾多優(yōu)點將會被越來越多的生產(chǎn)廠家所有應(yīng)用。
5 全功率變流器試驗
5.1 全功率變流器試驗與波形
圖5-1 試驗系統(tǒng)圖
試驗對象： 1.5MW全功率變流器系統(tǒng)（不控整流橋、斬波器、并網(wǎng)逆變器）
輸入電壓： 整流器側(cè)電源三相380V，逆變器側(cè)電源三相690V
試驗負載： 能量互饋運行
試驗方法： 如圖5-1所示，閉合配電柜1、2和3，閉合主斷路器，三相380V電壓接到不控整流橋的輸入端，三相690V電壓接到并網(wǎng)逆變器的輸出端，然后控制箱啟動工作，給三重斬波器和兩重逆變器發(fā)工作脈沖；用操作器給定斬波器的工作電流，觀測三重斬波器電流、中間直流電壓、交流電流等波形是否正常。
試驗結(jié)果：用操作器給定整流狀態(tài)交流電流峰值為450A（半載）、900A（滿載）時，中間直流電壓、交流電流的波形分別如圖5-3、圖5-4所示。隨著功率增加，電流波形質(zhì)量越來越好。操作器給定整流狀態(tài)交流電流峰值為900A時，總功率達到1499kW。
圖5-2 指令電流450A
圖5-3 指令電流900A
其中：
通道1—1/2中間直流電壓VDC+（100V/div）
通道2—690V側(cè)B相電網(wǎng)電壓（200V/div）
通道3—并網(wǎng)逆變器1電感電流（500A/div）
通道4—并網(wǎng)逆變器2電感電流（500A/div）
5.2 1.5MW全功率變流器溫升試驗
環(huán)境溫度：20℃。
測試條件：網(wǎng)側(cè)實際電壓680V，電流指令值900A（峰值），有效值636A，兩臺并網(wǎng)變流器功率和1493kW（滿載）。滿載運行總共60分鐘。
表5-1為功率單元電容，銅排，快熔，IGBT，水冷裝置入水口，水冷裝置換熱器表面溫度，由表可見，滿載運行60分鐘后，各器件溫升均很小。
表5-1 滿載運行60分鐘各元器件溫度
|
時間 |
電容 |
銅排 |
快熔 |
IGBT |
水冷 |
換熱器 |
|
17:05 |
23 |
23 |
23 |
20-21 |
21.4 |
23 |
|
17:11 |
24 |
24 |
23-24 |
32-44 |
22.13 |
24 |
|
17:16 |
25 |
25 |
26 |
34-45 |
22.91 |
25 |
|
17:21 |
25-27 |
25 |
29 |
34-46 |
23.47 |
26 |
|
17:26 |
26-28 |
26 |
26-33 |
35-47 |
23.8 |
26 |
|
17:31 |
28-30 |
30 |
32-35 |
36-48 |
24.15 |
26 |
|
17:36 |
29-32 |
29 |
35-39 |
36-48 |
24.22 |
26 |
|
17:41 |
27-30 |
28 |
34-39 |
38-50 |
24.96 |
27 |
|
17:46 |
28-30 |
28 |
34-38 |
39-51 |
25.5 |
28 |
|
17:51 |
28-30 |
27 |
33-38 |
40-52 |
25.7 |
28 |
|
17:56 |
28-30 |
27 |
32-37 |
40-52 |
26 |
28 |
|
18:01 |
28-30 |
26 |
32-38 |
40-52 |
26.1 |
28 |
|
18:06 |
28-31 |
27 |
32-38 |
41-53 |
26.3 |
28 |
|
18:11 |
28-31 |
28 |
32-37 |
41-53 |
26.4 |
29 |
5.3 1.5MW全功率風電變流器樣機試驗照片
圖5-4 九洲電氣1.5MW全功率風電變流器
圖5-5 1.5MW全功率風電變流器控制箱
6 結(jié)論
本文針對全功率風力發(fā)電并網(wǎng)變流器關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計生產(chǎn)出1.5MW全功率風電變流器。該變流器采用“二級管不控整流+升壓斬波+PWM逆變”的結(jié)構(gòu)將變壓變頻的交流電轉(zhuǎn)化為符合并網(wǎng)要求的交流電，完成風力發(fā)電機組的并網(wǎng)。對1.5MW全功率風力發(fā)電變流器進行了全面試驗，得出效率（斬波器+并網(wǎng)逆變器）﹥97%，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)﹥0.99，其他各項指標也符合設(shè)計要求。功率器件采用水冷散熱，效果很好，為將來更大功率做好基礎(chǔ)。
