高压变频器在风力发电全功率实验台上的应用

摘要：介绍了多电平高压变频器的原理及其在某公司风力发电机组全功率实验系统中的应用情况，提出了高压变频器应用于该实验台的设计方案。根据设计方案建设的3 MW风力发电机组全功率实验台，经大量实验验证后，投入到风力发电机组的出厂实验和老化实验中。经应用实践表明，风力发电机组全功率实验系统采用高压变频器驱动原动机后，取得了很好的应用效果，同时拓宽了多电平单元串联高压变频器的应用领域。
关键词：高压变频器；多电平；风力机；全功率

1 引言
作为一种清洁的可再生能源，风能受到各国的重视。风电是风能利用的主要形式，在各类新能源中，风力发电技术相对成熟且最具大规模商业开发条件，成本相对较低，发展速度最快，产业前景最好。风力发电在可再生能源发电技术中成本最接近常规能源，成为产业化发展最快的清洁能源。
目前，风力发电机组类型主要有双馈型、半直驱型和直驱型。每种风力发电机组在运输到风场前，都要经过厂内的全功率实验考核。风力发电机组有多种全功率实验方法，这里结合3 MW半直驱型风力发电机组全功率实验台设计方案和应用案例，介绍了一种在实验系统中拖动风力发电机运转的原动机采用高压变频器驱动的方法。

2 实验系统介绍
风力发电机组全功率实验台包括原动机、齿轮箱、风力发电机、并网变频器及驱动原动机的可变频调速的变频器等设备。原动机在系统中带动发电机旋转，通过可变频调速的变频器调节原动机的转速，使发电机可在不同转速下运行，模拟现场风轮驱动发电机的运行特性。
风力发电机组的实验系统耗电量较大，在设计时需考虑系统的节能。通常采用能量回馈循环再利用的方式，即让风力发电机发出的电能回送到电网，原动机再利用这部分电能。这样系统就可尽量少用外部输入的电能，外部输入电能仅需补充整个实验系统的损耗即可达到用电量最小的目的。由于风力发电机组均配置有并网变频器，因此，整个实验系统无需增加额外的并网设备即可实现将电能回馈到电网。
大型工厂中，用电设备数量多，设备容量较大。因此，供电部门送到用户端的电源电压等级一般为高压10 kV，而风力发电机组常见的输出电压等级为低压690 V或其他，3 MW风力发电机组的额定并网电压为620 V。这样在实验系统中就形成了一个两级电网，在该电网中，可将能量回馈设置在10 kV级或620 V级。10 kV级为厂用电的入口级，除了给风力发电机组实验供电外，还可能给其他设备供电，因此，若在10 kV级实现能量回馈，则可能对其他设备的用电产生一定影响。同时，由于电压等级较高，导致实验系统的建设成本较高；若在620 V级实现能量回馈，由于这部分电源仅给风力发电机组实验系统供电，还有10 kV／620 V降压变压器的隔离，可使风力发电机组在实验时对其他设备的用电影响最小。同时，电压等级的大幅降低，将大大降低实验系统的建设成本。
传统的低压原动机和低压变频器驱动的组合方式，在故障维护成本和响应时间等方面存在一定的局限性。随着现代电力电子技术和微电子技术的发展，多电平高压变频技术已经非常成熟，它能输出完美的正弦波，所以可利用高压变频器为风力发电机组全功率实验系统提供变频电源的方法，即采用多电平高压变频器替代低压变频器，原动机选择高压电动机。目前国内高压变频器的容量设计水平可达到20 MW以上，且技术非常成熟，应用非常广泛，维护成本低，响应快速。这里选择了在技术含量及综合成本上均有较大优势的以高压变频器为主体的技术方案。

3 设计方案
3．1 高压变频器选型
3 MW半直驱型风力发电机组全功率实验台配置一台4 MW／6 kV高压原动机，由于风力发电机组在出厂实验中需进行过载实验，故高压变频器的额定容量配置为5 MVA。风力发电机组并网电压为620 V，能量回馈循环利用在620 V级电网实现，故需将驱动高压原动机的变频器额定输入电压设为620 V。高压变频器的额定输出电压为6 kV，三相共采用24个IGBT功率单元模块串联组成多电平高压变频器。
3．2 系统方案
根据实验台设计的实际情况，系统方案在风力发电机组并网电压620 V，能量回馈在620 V级电网下实现。系统中，10 kV／50 Hz电源经10 kV／620 V降压变压器后，直接输入到高压变频器输入端，经高压变频器变换后，为高压原动机提供变频电源，高压原动机即可实现调速运行。再通过传动链带动风力发电机在不同转速下运行，发出的电能经风机并网变频器回馈到620 V电网。整个能量回馈循环系统可模拟风力发电机在风场不同转速下的运行模式，并可进行各种实验。
同时，高压变频器的输出频率是可调节的，因此，可让高压原动机实现变频调速运行，既可节能，又可达到让发电机模拟现场风速变化时各种运行模式的目的。

4 高压变频器的组成和原理
MLVERT-D系列高压变频器变频器运行稳定，输出正弦波形好，效率高；对电网谐波污染小，THD4％，满足IEEE519-1992的谐波抑制标准：输入电流功率因数高，不必采用功率因数补偿装置；输出波形好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出du／dt、共模电压等问题。
4．1 输入输出方式
高压变频器常用“高-高”的输入输出方式。在3 MW风力发电机组全功率实验系统中，发电机的并网额定电压为620 V。若在620 V级电网实现能量回馈，对于高压变频器，需改为“低-高”方式，即低压620 V直接输入，高压6 kV直接输出。图1示出高压变频器的主电路原理图。