MW级风力发电机组系统主电路的应用研究①

李学哲张全柱邓永红黄成玉

(华北科技学院信息与控制技术研究所，北京东燕郊 101601)

MW级风力发电机组系统主电路的应用研究①

李学哲②张全柱邓永红黄成玉

(华北科技学院信息与控制技术研究所，北京东燕郊 101601)

对MW级风力发电机组系统主电路进行了研究，比较分析了两种主电路结构形式的优缺点，提出了一种交流励磁变换结构的主电路结构形式。重点介绍了该电路系统的原理、实现方案及主要特点。该系统设计方案新颖、技术先进、性能指标优越，可以在风电行业内推广应用。

MW级风力发电机组;主电路结构;交流励磁变换

0 引言

随着经济的快速发展，能源问题日益严重。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到各国的重视，已经成为各国可持续发展战略的重要组成部分。风力发电的过程是将风能经由机械能转换为电能的过程，其中负责将机械能转换为电能的风力发电机及其主电路系统是整个系统的核心，其运行状况直接影响着整个系统的性能。因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率的主电路系统和供电性能良好的发电机系统，具有重要的意义。

发电机是实现机械能转变为电能的设备。交流发电机可分为同步发电机和异步发电机两种［1］。同步发电机的电枢绕组与三相电网连接，励磁绕组与直流电源连接，结构较为复杂;而异步发电机的定子绕组接交流电网，转子绕组不需要与其它电源连接，具有结构简单，制造，使用和维护方便，运行可靠。质量较小，成本较低等优点，因此国内外风力发电机组基本都选用异步发电机。

目前，MW级大型风电系统的主电路结构一直是各国研究的重点，很多关键技术仍需要深入研究。本文分析比较了两种常用大型风电系统主电路结构的优缺点，提出了一种新型的交流励磁变换结构。该结构在元器件的选型和模块串并联技术上，有一定的创新，实现了器件的动态均压和均流运行。

1 大型风力发电机组主电路结构形式比较

1.1 全额定值变换结构

要将风电机组输出的电压和频率变为电网的恒定电压和频率加以传输，目前一般采用全额定值变换原理，见图1。风电机组通过全额定值变频器和变压器与高压电网相联，变频器将风电机组输出的总是在不停变化的交流电压，首先变换成直流，再逆变成电压频率和幅值及相位与电网一致的交流电源电压。显然，变频器的容量必须与发电机的额定容量对等，因此，把这种变频器称作全额定值变频器［2］。这种方式的最大优点是发电机的变速范围宽，适用风力变化较大的环境能力强，而且维护简便。缺点是变频器容量大，体积大，并由于风力机的机械旋转角频率远远低于电网工频角频率，为减轻发电机的重量，以及变频器中直流环节的纹波系数，必须在风力机与发电机之间设置增速用齿轮箱。

图1 全额定值变换结构

根据图1的拓扑结构，设计如图2所示的主电路原理图。该电路实质为交直交功率变换系统，发电机输出的幅值和频率变化交流电通过整流和斩波升压，调整成DC1200V，再通过逆变单元和变压器输出电压频率和幅值及相位与电网一致的交流电源电压。为了增大系统容量，主电路功率器件均采用并联技术。

图2 全额定值变换主电路原理图

2.2 交流励磁变换结构

除上述图1这种方式外，较为受关注的是用变频器对风力发电机进行励磁方式。如图3所示。

图3 交流励磁变换结构

通过控制变频器对发电机转子回路输出的三相交流低频电压的相位、幅值及频率，来达到发电机变速恒频恒压以致联网运行的目的。这种方式的优点是，所用变频器的体积容量大为减少，变频器容量只有被励发电机容量的1/3～1/4，而且省去了风力与发电机间的增速齿轮箱，以及发电机电枢绕组与电网间的可能需要设置的升压变压器。

系统的工作原理：变流器和双馈异步风力发电机是通过控制转子电路实现风机的变速运行。转子通过变流器连接到主电源上，变流器能够根据不同的转速提供给转子电压、频率可变的电源。变流器能使转差功率在主电源和变流器直流回路中进行输送和回馈的转换。系统使用主电抗器把变频器和主电源隔离开来，确保主电源上粘附的谐波分量被限制后输送到变流器。

本文设计的变流器系统采用交流励磁变换结构，采用PWM整流+PWM逆变方式，电压等级690V，适合发电机组功率1.2MW。下面详细加以介绍。

3 双馈型风能发电机组变流器主电路设计

3.1 系统工作原理

变流器和双馈异步风力发电机是通过控制转子电路实现风机的变速运行。三相双馈异步发电机定子绕组通过定子接触器K2直接连接到变压器690V电源输出的二次绕组上，转子则通过滤波器，变流器，电抗器和转子接触器连接到这一点上。发电机的定子通过逆变器的转子通过变流器连接到主电源上，变流器应能够根据不同的转速提供给转子电压、频率可变的电源。变流器能使转差功率在主电源和变流器直流回路中进行输送和回馈的转换。系统使用主电抗器把变频器和主电源隔离开来，确保主电源上粘附的谐波分量被限制后输送到变流器。

变流器应能根据预设的转矩或电机内部性能通过高一级控制器的速度设置来控制电机的转差功率。变流器应能通过判断电机运行状态来决定转差功率是主电源输送到电机还是转差功率从电机反馈到主电源。

如果主电源短路时发电机过流，变频器应能够通过电流检测装置关断变流器从而保护变频器中的半导体器件，转子电流能够通过短路排进行短路，直到励磁电流接近于零。同时要使发电机从主电源中被分断开来。

图4显示了整个系统的工作原理。它的重要部件是双电源双馈异步电动机，起到发电机的作用。在定子一侧，双馈异步电动机通过定子接触器，同步开关连接到690V主电源上。在转子一侧，标准脉冲变流器，即IGBT机侧变流器(MPR)根据不同速度调整电压及频率，提供给双馈异步电动机。另一个标准脉冲变流器，网侧变流器(NPR)，能使转差功率在主电源和变流器直流回路中进行输送和回馈的转换。扼流圈把主电源和变压器隔离开来。

图4 双馈型风能发电机组变流器主电路原理图

变流器能对机组进行并网与脱网控制，并确保运行过程的安全性和可靠性。

3.2 主电路关键元器件选型

1)IGBT模块

图5－a IGBT实物图

图5－b IGBT原理图

系统中IGBT模块采用英飞凌(infineon)公司的高压模块FZ1500R33HL3。该模块实物图及原理图如图5所示。

FZ1500R33HL3是英飞凌公司生产的高性能大功率单开关IGBT模块［3］，由于采用了并联扩容技术，模块的功率得到了极大的增强，VCES最高可达3300V，最大工作电流可达1500A。该模块的技术参数可以满足MW级风力发电机组励磁系统的要求。

2)传感器

系统中电压的检测采用南京托肯电子科技有限公司的霍尔电压传感器TBV10/25A。系统中电流的检测采用LEM公司的电流互感器DHR 500 C420。这两种传感器都属于结构紧凑的通用型传感器，适用于高电压、大电流应用场合。

3)散热器

为了增强散热效果，系统采用新型热管散热器散热，高效率/低风阻散热风道通风。在自然对流冷却条件下，热管散热器比实体散热器的性能可提高十倍以上。热管自冷散热系统没有噪音、免维修、安全可靠。

5)冷却风扇

冷却风扇采用深圳建准电机工业有限公司生产的交流风机1123XBT。该风机采用AC110V供电，功率15W，转速2000rpm，风量65 cfm，冷却效果极好。

3.3 IGBT主电路设计

IGBT主电路包括网侧变流器(NPR)和机侧变流器(MPR)［4］，原理图如图6、7所示。NPR和MPR分别由6个功率开关组成。在逆变器直流母线上用0.1uF/3300V的高频无感电容作为Snubber吸收电容，以吸收高频尖峰电压，以保护IGBT器件。NPR在控制电路的驱动脉冲作用下，实现AC690V三相交流电压至DC1200V直流电压转变。MPR在控制电路的驱动脉冲作用下，实现变频、变压三相交流电压输出。

图6 网侧变流器(NPR)原理图

图7 机侧变流器(MPR)原理图

3.4 主电路设计特点

主电路在元器件的选型和模块串并联技术上，有一定的创新，实现了器件的动态均压和均流运行。主电路在风冷散热方面有一定的创新设计，表现在新型热管散热器的选择、高效率/低风阻散热风道的设计、高速散热轴流风机的选择与设计等方面;

在驱动电路和检测电路等弱电回路中，完全贯彻了电气领域电磁兼容的设计理念，在设计上有多处创新点。如驱动电路结构紧凑，应用光缆传输驱动信号，多通道传感检测、故障自动切换和冗余设计等，使系统可靠性高，抗电磁干扰能力强，电磁兼容性能好。

4 结语

本文提出的采用交流励磁结构的风能转换主电路系统，集现代电力电子技术、计算机测控技术于一体，具有结构简单、性能稳定可靠等优点。由于在主电路上采用了模块串并联技术，极大的提高了系统的功率。通过模块串联提高系统耐压，通过模块并联增大系统功率，非常适合用在大功率、要求较高的风力发电厂中。

［1］姚兴佳.大型变速风力发电机组总体设计中的几个问题探讨［J］.沈阳工业大学学报，2006，(2)：64－69

［2］叶启明.大型风力发电机组系统的结构与特点［J］.华中电力，2002，(2)：67－68

［3］杨俊华.现代控制技术在风能转换系统中的应用［J］.北京：太阳能学报，2004，(4)：64－69

［4］陈伯时.矩阵式交－交变换器及其控制［J］.电力电子技术，1999，(1)：10－54

The application research of main circuit of MW level wind power system

LI Xuezhe，ZHANG Quanzhu，DENG Yonghong，HUANG Chengyu
(North China institute of science and technology，Yanjiao Beijing-East101601)

In the paper，we study the main circuit of MW level wind power system，and compare the advantages and disadvantages of two main circuit structure forms.Finally a kind of ac excitation transform structure is put forward，and the principle，circuit system implementation scheme and main characteristics are mainly introduced.The system has innovative designing，advanced technology，superior performance.It can be promoted application in wind power industry.

MW level wind power system;structure form of main circuit;Ac excitation

TM614

A

1672－7169(2011)01－0045－05

2010－12－07

李学哲(1976－)，男，吉林通化人，硕士，华北科技学院机电系讲师，研究方向：传感器测控，光机电一体化技术。