SWITCH變流器在兆瓦級直驅型風機中的應用
時間:2011-07-31 點擊:3289 次

SWITCH變流器在兆瓦級直驅型風機中的應用

近年來,兆瓦級風機市場在以極快的速度增長著。金風公司在國內率先引導的直驅型風機,是其中很有前途的一種機型,其中主要使用的變流器是SWITCH公司的產品。

 

   1. 簡介

    近年來,兆瓦級風機市場在以極快的速度增長著。金風公司在國內率先引導的直驅型風機,是其中很有前途的一種機型,其中主要使用的變流器是SWITCH公司的產品。在過去的兩年里,SWITCH公司制造的全功率變流器和金風公司直驅型風機一同進步,逐漸成熟。

    2. 金風直驅型風機的原理及特點

    2.1. 直驅型風機之原理

    兆瓦級風機市場上的主流是變漿變速風機,根據結構的不同又可以分為兩種:雙饋型和直驅型。雙饋型采用雙饋發電機,在轉子繞組上串入可以四象限運行的變頻器,控制定子繞組和電網之間的功率流動。這種結構對變頻器的功率要求只有系統總功率的1/3左右。

 

 

圖1:雙饋型變流裝置示意圖

    金風公司的直驅型風力發電機組采用永磁式發電機的形式,將電機定子繞組輸出直接連接到全功率的變流器上,由變流器將電機輸出變化的電壓/電流轉換為和接入電網電壓和頻率相匹配的形式。

 

 

 圖2:直驅型風力發電系統示意圖

    為了降低電機成本,希望變流器具有能夠調節電機內磁場的功能,因此全功率四象限變流器就成為了直驅型風機變流器的首選。

    2.2. 直驅型風機之優點及和雙饋機型的異同

    和雙饋型風力發電機組相比,直驅型機組有如下特點:

    優點包括:

    省略了齒輪箱,機械系統大為簡化,機械可靠性顯著提高。

    在發電機和電網之間采用了完全可控的全功率變流器進行功率轉換,在電網側能夠自由的實現各種功能,如低電壓穿越、動態無功補償,甚至有限的諧波補償能力。在接入網性能方面,直驅型機組具有無以倫比的優勢。

    由于少了齒輪箱等傳動機構,且沒有附加的勵磁損耗,風機整體效率較雙饋機組高,理論值為3%,在吉林、內蒙多個風況相同現場的實際差異則遠高于此數值。

    由于沒有齒輪箱、碳刷等機構,機組需要定期維護的器件數量大大降低,長期維護成本較低。

    由于直驅發電機的特點,使得直驅風機在低速時切入速度小于雙饋機組,從而使整機的發電量和發電效率提高。

    缺點是:

    由于采用了低速電機,電機尺寸龐大,整體重量和成本較雙饋機組更高。吊裝、安裝等成本也有所上升。


 

 

    由于必須使用全功率變流器,在這一個部件上的成本也要高出50%。相應的,變流器故障率也較雙饋型機組更高。

    目前,金風公司1.5MW直驅型機組已經在新疆、內蒙、渤海灣等多個現場運行了兩年以上,其可利用率不斷上升,發電量高、易于維護等優點也逐漸為各個業主所認可。

    3. SWITCH變流器的原理和特點

    3.1. 基本參數

    電機參數:

    雙繞組,

    額定電壓:690V

    額定功率:1600kW

    每繞組額定電流:620A

    額定頻率:13.7Hz

    功率因數:1.0

    電網參數:

    額定電壓:690V

    額定頻率:50/60Hz

    額定電流:1320A

    功率因數:0.95。

    等效年工作時間:3500小時。

    環境參數:

    運行環境溫度:-40~+40攝氏度

    儲存環境溫度:-50~+50攝氏度

    運行濕度:<90%

    3.2. 拓撲結構

 

 

圖3:switch變流器一次系統圖

    從上圖中可見,SWITCH變流器主要由網側逆變單元1U1,電機側逆變單元2U1, 3U1和制動單元4U1組成。每個模塊的設計原理均相同,在結構和關鍵器件選型上有所差別。這樣在保證了較低成本的同時提高了生產的一致性,降低了產業化的難度。

    為了保護電機絕緣,在電機側逆變單元出口處還設置了dudt濾波器。

    3.3. 控制及保護原理

    和大多數商用四象限變頻器一樣,switch在控制上采用了分布式控制的方式,也即每個功率模塊都能夠獨立的執行控制、保護、監測等功能,模塊之間則通過現場總線連接。

 

 圖4:模塊間通信拓撲

    為了實現控制目標解耦,在網側逆變單元處采用了以直流電壓恒定為目標的控制方式,在電機側采用了跟蹤風機控制器給定轉矩的方式。

    下圖給出了網側控制邏輯框圖:


 

 

 

 圖5:switch變流器網側控制框圖

    除了前面提到的以直流電壓恒定為目標控制Iq之外,作為全功率變流器還具有自由調節輸出無功電流Id的能力。變流器可以根據風機給定值發出或吸收無功功率,這對于降低業主風電場投資,改善電壓特性具有明顯的作用。

    目前,金風公司的直驅型風機已在東北某風電場實現了無功功率補償功能,根據目前數據,該風電場66kV高壓側的功率因數達到了1。

    3.4. 結構和冷卻

    SWITCH變流器采用了水冷冷卻方式,這種方式能夠大大縮小變流器體積和重量,為吊裝和維護提供方便。變流器大部分熱量,包括IGBT發熱都將由循環水帶走。

    變流器內除了IGBT之外還有其他發熱體,這部分熱量通過柜內通風循環最終由水帶走,見下圖:

 

 圖6:SWITCH變流器散熱方式圖

    在柜體中部有數個水-風熱交換器,其他發熱體所產生的熱量通過熱交換器被水帶走。實際測試的結果表明,在滿負荷的工況下,柜內空氣溫度與環境溫度差在5攝氏度左右。

    3.5. 后臺監控(NCDRIVE)

    為了方便現場應用, SWITCH變流器給用戶配置了后臺監控軟件NCDRIVE。這是一個可以全面監控變流器的工具,用它不但可以實現簡單的參數調整,還能夠在現場實時監測變流器的工作狀況,相當于一個便攜的示波器;此外其附帶的故障記錄功能還可以在出現問題時幫助我們快速的找到問題的根源。

 

 圖7:NCDRIVE的監控窗口


 

 

 

圖8:NCDRIVE 故障記錄窗口

    具備了以上特性,SWITCH變流器能夠基本適應直驅型風機對變流器的需求。

    以下介紹SWITCH變流器在風機行業一個關鍵的問題上的表現:

    4. 低電壓穿越功能

    根據E-ON的要求,風機必須實現低電壓穿越功能,才能符合接入電網的條件。也即當風機并網點電壓跌落水平高于圖中實線范圍時,要求風機不脫網,甚至以滿電流發出無功功率以支撐系統電壓。

 

 圖9:低電壓穿越要求曲線

    一直以來對于低電壓穿越功能的實用型都存在爭議。但隨著風機在不同電網條件環境下的應用,人們都開始意識到:風資源良好的地方,往往都處于電網末梢,其短路容量較低,在出現短路故障或有大電機負荷啟動的時候,系統電壓降低經常發生。不能實現低電壓穿越功能的機組,或者選擇停機等待電網穩定,或者必須承受一次又一次的緊急停機——而這樣的沖擊對于槳葉、軸承等機械元件的可靠性都是不利的。同時,在風電裝機比例較高地區的電網上,在高風速期間,由于輸電網故障引起的大量風電切除會導致系統浪流的大幅變化,甚至可能引起大面積的停電,造成頻率穩定性的波動,從而影響整體電網的性能。

    因此低電壓穿越功能具有突出的現實意義,對于提高風機的長期可靠性和短期可利用率都是有益的。

    作為直驅型風機變流器,SWITCH變流器具有良好的低電壓穿越能力,下圖為實際測試中的電流波形:

 

 圖10:SWITCH變流器三相低電壓穿越試驗波形

    對于現場出現幾率更高的單相低電壓穿越,最近的試驗表明SWITCH變流器也能夠順利的通過,關于此內容將另行撰文敘述。

    5. 結論

    直驅型風機在電網接入性能,機械系統可靠性、整機效率等方面對雙饋型風機具有顯著優勢,在成本得到有效控制后,將會全面超越雙饋型風機。

    SWITCH變流器是一種四象限變頻器,通過采用分布式控制,模塊化功率單元設計,在保證較低成本的同時提高了生產的一致性,降低了產業化的難度。

    高效的柜內散熱能力,緊湊的柜體外形,方便靈活的實用工具,讓SWITCH變流器對風機環境具有較好的適應能力。

    低電壓穿越功能對于風電場業主而言在短期的機組可利用率,和長期的機械系統可靠性兩方面具有重要意義。風機系統中的實踐證明,SWITCH變流器具有良好的低電壓穿越能力。

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