張 碧，趙毅君，李謨發(fā)

(1.湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411104；2.湖南省風電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104；3.風力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104；4.湖南大學 電氣與信息工程學院，長沙 410082)

新型兆瓦級直驅(qū)風電雙變流器—能量回饋式試驗系統(tǒng)研究*

張 碧1,2,3，趙毅君1,2,3，李謨發(fā)4

(1.湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411104；2.湖南省風電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104；3.風力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104；4.湖南大學 電氣與信息工程學院，長沙 410082)

針對現(xiàn)有風電變流器試驗系統(tǒng)能量損耗高、試驗效率低的問題，提出了一種新型能量回饋型的雙變流器試驗方案，試驗系統(tǒng)采用兩臺兆瓦級永磁直驅(qū)風電被試變流器對拖的形式，中間設計解耦控制環(huán)節(jié)，并搭建了變流器試驗軟硬件平臺，對兩臺MW級風電變流器進行了相應試驗.試驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)試驗效率高、輸出電流諧波小，試驗損耗低，試驗方法靈活，完全滿足風電變流器試驗要求.

直驅(qū)風電變流器；能量回饋；解耦控制；試驗系統(tǒng)

0 引言

直驅(qū)型風電變流器隨著風電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展以及風電運維的市場需求，得到了廣泛的發(fā)展與應用，而風電變流器試驗也隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，向低成本、低人工高效化邁進，組建一套高效節(jié)能的風電變流器試驗系統(tǒng)尤為必要.

目前，直驅(qū)風電變流器試驗主要采取的兩種方案.一種為單臺拖動的方式[1]，系統(tǒng)結構如圖1所示，該方案設備投資成本較高，場地占用面積較大，系統(tǒng)能量損耗較高，試驗效率低；另一種是大功率變頻器試驗通用的功率回饋法[2]，系統(tǒng)結構如圖2所示，將能量回饋到直流側，但仍不能滿足風電變流器高效、靈活的試驗要求；針對這些問題，本文提出了一種新型兆瓦級能量雙變流器能量回饋式試驗系統(tǒng)，省去了陪試變頻器，陪試電機，通過采用解耦控制，使得兩臺變流器互為陪試，降低了試驗成本，節(jié)約了人工，同時也可滿足單臺變流器試驗，實現(xiàn)了試驗方法靈活多樣，高效生產(chǎn).

1 能量回饋式試驗系統(tǒng)硬件結構

直驅(qū)型風電雙變流器試驗系統(tǒng)，包括被試直驅(qū)風電變流器、試驗變壓器、試驗解耦裝置、接線箱以及試驗用測量裝置.其試驗系統(tǒng)原理圖如圖3所示.

圖1 單臺拖動試驗原理圖

圖2 環(huán)形功率回饋試驗原理圖

其中，試驗變壓器起到電氣隔離、電源供給和能量回饋的作用，副邊為雙分裂繞組；解耦裝置對兩臺試驗的直驅(qū)風電變流器進行解耦控制.

圖3 雙變流器試驗原理圖

試驗系統(tǒng)按2 MW直驅(qū)風電變流器設計，試驗變壓器容量為400 kVA，當進行雙變流器試驗時，采用雙變流器——能量回饋式試驗方案，既可增加試驗系統(tǒng)的容量，又可相互冗余，交流電網(wǎng)只需補充回路各設備的損耗，滿足雙變流器同時全功率對拖運行；采取此種試驗方案，既可以減少對拖機組，降低能耗，又提高了試驗效率.

上述方法也存在一定的不足，由于變流器功率器件特性的差異性，使得開關狀態(tài)的動作不完全一致，容易導致環(huán)流[3-5]，為了解決這個問題，本文設計了雙變流器之間插入耦合電抗器的控制方法，實際的耦合電抗器為雙繞組電抗器，具有自主均流和環(huán)流抑制的作用.

當試驗系統(tǒng)中有一組變流器出現(xiàn)故障時，亦可采取單臺變流器試驗方案，耦合電抗器旁路故障變流器，另一臺變流器快速進行試驗.

工程實際中，充當負載用的耦合電抗器的設計取值須適當，取值過大可能造成無輸出電流，取值過小則會輸出與實際工況不符的畸變波形，經(jīng)設計計算，對于2 MW變流器試驗，耦合電抗器總電感應約為80 μH，同時還應增加相應的濾波電容.

2 軟件試驗平臺

根據(jù)直驅(qū)風電變流器試驗要求以及相關標準，結合提出的雙變流器-能量回饋式試驗系統(tǒng)，設計了一套高效數(shù)字化變流器試驗軟件平臺，用于試驗時，監(jiān)測、顯示、記錄變流器試驗數(shù)據(jù)，自動分析處理，生成試驗報告.程序結構主要包括用戶操作界面、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)采集以及后臺存儲與記錄單元.

程序結構如圖4所示.

圖4 程序結構圖

3 試驗測試

應用本系統(tǒng)，對兩臺型號為FBLZ069019的2 MW四象限矢量控制的水冷全功率變流器進行了試驗測試，變流器機側額定電流為2000 A,頻率為0～50 Hz，額定容量分別為2390 kVA和2370 kVA；網(wǎng)側額定電流為1900 A，額定頻率50±5% Hz，額定容量分別為2270 kVA和2285 kVA.

表1為雙變流器效率試驗時，在機側輸入不同電壓時，測量得到網(wǎng)側的試驗數(shù)據(jù)，從變流器的效率數(shù)據(jù)可以看出，試驗平均效率在95%以上，達到了預期目標.試驗現(xiàn)場溫度為34.3 ℃，濕度為54%.

表1 效率試驗記錄

表2為雙變流器無功功率試驗時，無功功率控制試驗數(shù)據(jù)，從表2中數(shù)據(jù)可知，在變流器機側運行的情況下，發(fā)電機輸出有功，功率因素在0.9以上；在變流器機側不運行的情況下，變流器可向電網(wǎng)輸出給定的無功功率，達到預期效果.

表2 無功功率控制試驗記錄表

表3為雙變流器功率因素測定試驗時，兩臺變流器機側電壓、電流、功率、頻率值以及對應的變流器電網(wǎng)側的電壓、電流及功率值，從數(shù)據(jù)可知，變流器電網(wǎng)側輸出的功率因素在0.9以上，由此可見，變流器的輸出特性良好.

表3 電網(wǎng)側功率因數(shù)測定試驗數(shù)據(jù)

從圖5數(shù)據(jù)顯示，在額定運行條件下,被測變流器向電網(wǎng)饋送的直流電流含量在其輸出電流額定值的0.5%以內(nèi)，符合試驗要求.

如圖6、圖7所示中變流器工作在額定運行狀態(tài)，可以看到網(wǎng)側電壓Uab的電壓諧波含量THD=0.013%，網(wǎng)側電流諧波含量THD=0.023%，試驗結果符合試驗要求.

圖5 向交流電網(wǎng)饋送的直流電含量

圖6 雙變流器試驗電網(wǎng)電壓諧波

圖7 雙變流器試驗電網(wǎng)電流諧波

4 結論

本文提出一種新型兆瓦級直驅(qū)風電雙變流器-能量回饋式試驗系統(tǒng)，分析了其硬件電路結構與原理，并對可能出現(xiàn)的環(huán)流問題設計了解耦控制方法，經(jīng)試驗驗證，數(shù)據(jù)表明：系統(tǒng)試驗效率高、輸出電流諧波小，試驗損耗低，試驗方法靈活，完全滿足風電變流器試驗要求.

[1] 王 陽.一種測試1.5MW雙饋變流器試驗臺[J].重工與起重技術,2015(3):21-22.

[2] 宋 鵬，王 輝，王德默，等.一種大功率AFE變頻器試驗方法[J].電氣傳動，2014(9):9-10.

[3] 李保國，陳燕平，蔣云富，等.全功率風電變流器并聯(lián)運行關鍵技術研究[J].大功率變流技術，2016(4):38-41.

[4] 李金喜，陳繼勇.全功率風電變流器并聯(lián)運行控制策略及損耗研究[J].電器與能效管理技術，2016(11):34-38.

[5] 李 瑞，徐殿國，蘇勛文.采用耦合電抗器的兆瓦級永磁直驅(qū)風電變流器仿真研究[J].太陽能學報，2014,35(9):1735-1741.

StudyonDoubleMW-directedWindPowerConverterEnergyFeedbackTestingSystem

ZHANG Bi1,2,3, ZHAO Yi-jun1,2,3, LI Mo-fa4

(1. College of Elect. and Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China; 2. Collaborative Innovation Center of Wind Power Equipment and Power Transformation in Hunan Province, Xiangtan 411104, China;3. The Key Laboratory of Hunan Province on Wind Turbine Generator Set and Control, Xiangtan 411104, China;4. College of Elect. and Information Eng., Hunan University, Changsha 410082, China)

Aimed at the problems of the existing wind power converter test system with high energy consumption and low test efficiency, the article proposes a kind of energy feedback testing with double wind power converter working. Simultaneously in the form of dragging each other under no coupling condition, the hardware and software testing platform of the MW-permanent magnet direct drive wind power converter is built, and the test of two MW wind power converter is performed. The experimental data indicate that the efficiency of the tested converter is high and the harmonic of the output current was low, and the testing system can meet the test requirements with it Low testing loss and flexible experiment method.

directed wind power converter; energy feedback; decoupling control; test

2017-06-29

張 碧(1987-)，女,碩士研究生,研究方向：動力工程-電能變換技術.

趙毅君(1965-)，男，碩士生導師，研究員級高級工程師，研究方向： 新型電機與智能電器、電力系統(tǒng)及其自動化.

TM614

A

1671-119X(2017)04-0006-04