SWITCH變流器在兆瓦級直驅(qū)型風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

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１.

簡介

近年來，兆瓦級風(fēng)機(jī)市場在以極快的速度增長著。金風(fēng)公司在國內(nèi)領(lǐng)先引導(dǎo)的直驅(qū)型風(fēng)機(jī)，是其中很有前途的一種機(jī)型,其中主要使用的變流器是SWITCH公司的產(chǎn)品。在過去的兩年里，SWITCＨ公司制造的全功率變流器和金風(fēng)公司直驅(qū)型風(fēng)機(jī)一同進(jìn)步,逐漸成熟。

2.

金風(fēng)直驅(qū)型風(fēng)機(jī)的原理及特點(diǎn)

2.1。

直驅(qū)型風(fēng)機(jī)之原理

兆瓦級風(fēng)機(jī)市場上的主流是變漿變速風(fēng)機(jī),依據(jù)結(jié)構(gòu)的不同又可以分為兩種:雙饋型和直驅(qū)型.雙饋型采納雙饋發(fā)電機(jī)，在轉(zhuǎn)子繞組上串入可以四象限運(yùn)行的變頻器,掌握定子繞組和電網(wǎng)之間的功率流淌。這種結(jié)構(gòu)對變頻器的功率要求只有系統(tǒng)總功率的1／3左右。

圖１:雙饋型變流裝置示意圖

金風(fēng)公司的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采納永磁式發(fā)電機(jī)的形式，將電機(jī)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(jī)輸出變化的電壓/電流轉(zhuǎn)換為和接入電網(wǎng)電壓和頻率相匹配的形式.

圖２：直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

為了降低電機(jī)成本，盼望變流器具有能夠調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)磁場的功能，因此全功率四象限變流器就成為了直驅(qū)型風(fēng)機(jī)變流器的首選。

２。２。

直驅(qū)型風(fēng)機(jī)之優(yōu)點(diǎn)及和雙饋機(jī)型的異同

和雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比,直驅(qū)型機(jī)組有如下特點(diǎn):

優(yōu)點(diǎn)包括:

省略了齒輪箱,機(jī)械系統(tǒng)大為簡化，機(jī)械牢靠性顯著提高。

在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間采納了完全可控的全功率變流器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，在電網(wǎng)側(cè)能夠自由的實(shí)現(xiàn)各種功能，如低電壓穿越、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，甚至有限的諧波補(bǔ)償能力。在接入網(wǎng)性能方面，直驅(qū)型機(jī)組具有無以倫比的優(yōu)勢。

由于少了齒輪箱等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，且沒有附加的勵(lì)磁損耗,風(fēng)機(jī)整體效率較雙饋機(jī)組高,理論值為3％，在吉林、內(nèi)蒙多個(gè)風(fēng)況相同現(xiàn)場的實(shí)際差異則遠(yuǎn)高于此數(shù)值。

由于沒有齒輪箱、碳刷等機(jī)構(gòu)，機(jī)組需要定期維護(hù)的器件數(shù)量大大降低,長期維護(hù)成本較低。

由于直驅(qū)發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，使得直驅(qū)風(fēng)機(jī)在低速時(shí)切入速度小于雙饋機(jī)組,從而使整機(jī)的發(fā)電量和發(fā)電效率提高。

缺點(diǎn)是：

由于采納了低速電機(jī),電機(jī)尺寸浩大，整體重量和成本較雙饋機(jī)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(gè)部件上的成本也要高出５０%。相應(yīng)的，變流器故障率也較雙饋型機(jī)組更高。

目前，金風(fēng)公司1．5ＭW直驅(qū)型機(jī)組已經(jīng)在新疆、內(nèi)蒙、渤海灣等多個(gè)現(xiàn)場運(yùn)行了兩年以上,其可利用率不斷上升，發(fā)電量高、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)也逐漸為各個(gè)業(yè)主所認(rèn)可。

3．

SＷＩTCH變流器的原理和特點(diǎn)

3．1。

基本參數(shù)

電機(jī)參數(shù)：

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(shù)：1。0

電網(wǎng)參數(shù):

額定電壓:690V

額定頻率:50/60Hｚ

額定電流：132０A

功率因數(shù):0.9５.

等效年工作時(shí)間:3500小時(shí)。

環(huán)境參數(shù):

運(yùn)行環(huán)境溫度：－40～+40攝氏度

儲存環(huán)境溫度：—50~＋5０攝氏度

運(yùn)行濕度：＜90％

3.2．

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3：sｗｉtch變流器一次系統(tǒng)圖

從上圖中可見，SWITCH變流器主要由網(wǎng)側(cè)逆變單元1Ｕ1，電機(jī)側(cè)逆變單元２U1,3Ｕ1和制動(dòng)單元4Ｕ１組成。每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)原理均相同，在結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵器件選型上有所差別。這樣在保證了較低成本的同時(shí)提高了生產(chǎn)的全都性,降低了產(chǎn)業(yè)化的難度。

為了保護(hù)電機(jī)絕緣,在電機(jī)側(cè)逆變單元出口處還設(shè)置了dｕｄt濾波器。

3。3。

掌握及保護(hù)原理

和大多數(shù)商用四象限變頻器一樣，ｓwitch在掌握上采納了分布式掌握的方式,也即每個(gè)功率模塊都能夠獨(dú)立的執(zhí)行掌握、保護(hù)、監(jiān)測等功能，模塊之間則通過現(xiàn)場總線連接.

圖４：模塊間通信拓?fù)?/p>

為了實(shí)現(xiàn)掌握目標(biāo)解耦,在網(wǎng)側(cè)逆變單元處采納了以直流電壓恒定為目標(biāo)的掌握方式，在電機(jī)側(cè)采納了跟蹤風(fēng)機(jī)掌握器給定轉(zhuǎn)矩的方式。

下圖給出了網(wǎng)側(cè)掌握規(guī)律框圖:?

圖5:sｗitｃｈ變流器網(wǎng)側(cè)掌握框圖

除了前面提到的以直流電壓恒定為目標(biāo)掌握Iq之外,作為全功率變流器還具有自由調(diào)節(jié)輸出無功電流Id的能力.變流器可以依據(jù)風(fēng)機(jī)給定值發(fā)出或汲取無功功率,這對于降低業(yè)主風(fēng)電場投資,改善電壓特性具有明顯的作用。

目前，金風(fēng)公司的直驅(qū)型風(fēng)機(jī)已在東北某風(fēng)電場實(shí)現(xiàn)了無功功率補(bǔ)償功能，依據(jù)目前數(shù)據(jù),該風(fēng)電場66kＶ高壓側(cè)的功率因數(shù)達(dá)到了1。

３。4.

結(jié)構(gòu)和冷卻

ＳＷITCH變流器采納了水冷冷卻方式，這種方式能夠大大縮小變流器體積和重量,為吊裝和維護(hù)供應(yīng)便利。變流器大部分熱量，包括IGBＴ發(fā)熱都將由循環(huán)水帶走。

變流器內(nèi)除了IＧＢT之外還有其他發(fā)熱體，這部分熱量通過柜內(nèi)通風(fēng)循環(huán)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(shù)個(gè)水-風(fēng)熱交換器,其他發(fā)熱體所產(chǎn)生的熱量通過熱交換器被水帶走.實(shí)際測試的結(jié)果表明，在滿負(fù)荷的工況下,柜內(nèi)空氣溫度與環(huán)境溫度差在5攝氏度左右。

３.5．

后臺監(jiān)控(NCDRＩVＥ)

為了便利現(xiàn)場應(yīng)用,SWITCH變流器給用戶配置了后臺監(jiān)控軟件ＮＣDＲＩVE。這是一個(gè)可以全面監(jiān)控變流器的工具,用它不但可以實(shí)現(xiàn)簡潔的參數(shù)調(diào)整,還能夠在現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測變流器的工作狀況，相當(dāng)于一個(gè)便攜的示波器；此外其附帶的故障記錄功能還可以在消滅問題時(shí)幫助我們快速的找到問題的根源。

圖７:NCＤRIVE的監(jiān)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(yīng)直驅(qū)型風(fēng)機(jī)對變流器的需求。

以下介紹SＷITCＨ變流器在風(fēng)機(jī)行業(yè)一個(gè)關(guān)鍵的問題上的表現(xiàn)：

４.

低電壓穿越功能

依據(jù)Ｅ-ON的要求,風(fēng)機(jī)必須實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能，才能符合接入電網(wǎng)的條件。也即當(dāng)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落水平高于圖中實(shí)線范圍時(shí),要求風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)，甚至以滿電流發(fā)出無功功率以支撐系統(tǒng)電壓。

圖９:低電壓穿越要求曲線

始終以來對于低電壓穿越功能的有用型都存在爭議。但隨著風(fēng)機(jī)在不同電網(wǎng)條件環(huán)境下的應(yīng)用，人們都開頭意識到：風(fēng)資源良好的地方，往往都處于電網(wǎng)末梢,其短路容量較低，在消滅短路故障或有大電機(jī)負(fù)荷啟動(dòng)的時(shí)候，系統(tǒng)電壓降低常常發(fā)生。不能實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能的機(jī)組，或者選擇停機(jī)等待電網(wǎng)穩(wěn)定，或者必須承受一次又一次的緊急停機(jī)——而這樣的沖擊對于槳葉、軸承等機(jī)械元件的牢靠性都是不利的。同時(shí)，在風(fēng)電裝機(jī)比例較高地區(qū)的電網(wǎng)上，在高風(fēng)速期間,由于輸電網(wǎng)故障引起的大量風(fēng)電切除會導(dǎo)致系統(tǒng)浪流的大幅變化,甚至可能引起大面積的停電,造成頻率穩(wěn)定性的波動(dòng)，從而影響整體電網(wǎng)的性能。

因此低電壓穿越功能具有突出的現(xiàn)實(shí)意義，對于提高風(fēng)機(jī)的長期牢靠性和短期可利用率都是有益的。

作為直驅(qū)型風(fēng)機(jī)變流器，SＷITCH變流器具有良好的低電壓穿越能力,下圖為實(shí)際測試中的電流波形:

圖1０：ＳＷITＣH變流器三相低電壓穿越試驗(yàn)波形

對于現(xiàn)場消滅幾率更高的單相低電壓穿越,最近的試驗(yàn)表明SＷITCH變流器也能夠順利的通過，關(guān)于此內(nèi)容將另行撰文敘述.

5.

結(jié)論

直驅(qū)型風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)接入性能，機(jī)械系統(tǒng)牢靠性、整機(jī)效率等方面對雙饋型風(fēng)機(jī)具有顯著優(yōu)勢，在成本得到有效掌握后，將會全面超越雙饋型風(fēng)機(jī)。

SWＩTCH變流器是一種四象限變頻器,通過采納分布式掌握，模塊化功率單元設(shè)計(jì)，在保證較低成本的同時(shí)提高了生產(chǎn)的全都性,降低了產(chǎn)業(yè)化的難度。

高效的柜內(nèi)散熱能力，緊湊的柜體外形,便利靈敏的有用工具，讓SWIＴＣＨ變流器對風(fēng)機(jī)環(huán)境具有較好的適應(yīng)能力。

低電壓穿越功能對于風(fēng)電場業(yè)主而言在短期的機(jī)組可利用率，和長期的機(jī)械系統(tǒng)牢靠性兩方面具有重要意義.風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)踐證明，SWＩTCH變流器具有良好的低電壓穿越能