新型兆瓦级直驱风电双变流器—能量回馈式试验系统研究*

张 碧，赵毅君，李谟发

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104；2.湖南省风电装备与电能变换协同创新中心，湘潭 411104；3.风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411104；4.湖南大学 电气与信息工程学院，长沙 410082)

新型兆瓦级直驱风电双变流器—能量回馈式试验系统研究*

张 碧1,2,3，赵毅君1,2,3，李谟发4

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104；2.湖南省风电装备与电能变换协同创新中心，湘潭 411104；3.风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411104；4.湖南大学 电气与信息工程学院，长沙 410082)

针对现有风电变流器试验系统能量损耗高、试验效率低的问题，提出了一种新型能量回馈型的双变流器试验方案，试验系统采用两台兆瓦级永磁直驱风电被试变流器对拖的形式，中间设计解耦控制环节，并搭建了变流器试验软硬件平台，对两台MW级风电变流器进行了相应试验.试验数据表明，该系统试验效率高、输出电流谐波小，试验损耗低，试验方法灵活，完全满足风电变流器试验要求.

直驱风电变流器；能量回馈；解耦控制；试验系统

0 引言

直驱型风电变流器随着风电产业的不断发展以及风电运维的市场需求，得到了广泛的发展与应用，而风电变流器试验也随着工业自动化的发展，向低成本、低人工高效化迈进，组建一套高效节能的风电变流器试验系统尤为必要.

目前，直驱风电变流器试验主要采取的两种方案.一种为单台拖动的方式[1]，系统结构如图1所示，该方案设备投资成本较高，场地占用面积较大，系统能量损耗较高，试验效率低；另一种是大功率变频器试验通用的功率回馈法[2]，系统结构如图2所示，将能量回馈到直流侧，但仍不能满足风电变流器高效、灵活的试验要求；针对这些问题，本文提出了一种新型兆瓦级能量双变流器能量回馈式试验系统，省去了陪试变频器，陪试电机，通过采用解耦控制，使得两台变流器互为陪试，降低了试验成本，节约了人工，同时也可满足单台变流器试验，实现了试验方法灵活多样，高效生产.

1 能量回馈式试验系统硬件结构

直驱型风电双变流器试验系统，包括被试直驱风电变流器、试验变压器、试验解耦装置、接线箱以及试验用测量装置.其试验系统原理图如图3所示.

图1 单台拖动试验原理图

图2 环形功率回馈试验原理图

其中，试验变压器起到电气隔离、电源供给和能量回馈的作用，副边为双分裂绕组；解耦装置对两台试验的直驱风电变流器进行解耦控制.

图3 双变流器试验原理图

试验系统按2 MW直驱风电变流器设计，试验变压器容量为400 kVA，当进行双变流器试验时，采用双变流器——能量回馈式试验方案，既可增加试验系统的容量，又可相互冗余，交流电网只需补充回路各设备的损耗，满足双变流器同时全功率对拖运行；采取此种试验方案，既可以减少对拖机组，降低能耗，又提高了试验效率.

上述方法也存在一定的不足，由于变流器功率器件特性的差异性，使得开关状态的动作不完全一致，容易导致环流[3-5]，为了解决这个问题，本文设计了双变流器之间插入耦合电抗器的控制方法，实际的耦合电抗器为双绕组电抗器，具有自主均流和环流抑制的作用.

当试验系统中有一组变流器出现故障时，亦可采取单台变流器试验方案，耦合电抗器旁路故障变流器，另一台变流器快速进行试验.

工程实际中，充当负载用的耦合电抗器的设计取值须适当，取值过大可能造成无输出电流，取值过小则会输出与实际工况不符的畸变波形，经设计计算，对于2 MW变流器试验，耦合电抗器总电感应约为80 μH，同时还应增加相应的滤波电容.

2 软件试验平台

根据直驱风电变流器试验要求以及相关标准，结合提出的双变流器-能量回馈式试验系统，设计了一套高效数字化变流器试验软件平台，用于试验时，监测、显示、记录变流器试验数据，自动分析处理，生成试验报告.程序结构主要包括用户操作界面、数据处理单元、数据采集以及后台存储与记录单元.

程序结构如图4所示.

图4 程序结构图

3 试验测试

应用本系统，对两台型号为FBLZ069019的2 MW四象限矢量控制的水冷全功率变流器进行了试验测试，变流器机侧额定电流为2000 A,频率为0～50 Hz，额定容量分别为2390 kVA和2370 kVA；网侧额定电流为1900 A，额定频率50±5% Hz，额定容量分别为2270 kVA和2285 kVA.

表1为双变流器效率试验时，在机侧输入不同电压时，测量得到网侧的试验数据，从变流器的效率数据可以看出，试验平均效率在95%以上，达到了预期目标.试验现场温度为34.3 ℃，湿度为54%.

表1 效率试验记录

表2为双变流器无功功率试验时，无功功率控制试验数据，从表2中数据可知，在变流器机侧运行的情况下，发电机输出有功，功率因素在0.9以上；在变流器机侧不运行的情况下，变流器可向电网输出给定的无功功率，达到预期效果.

表2 无功功率控制试验记录表

表3为双变流器功率因素测定试验时，两台变流器机侧电压、电流、功率、频率值以及对应的变流器电网侧的电压、电流及功率值，从数据可知，变流器电网侧输出的功率因素在0.9以上，由此可见，变流器的输出特性良好.

表3 电网侧功率因数测定试验数据

从图5数据显示，在额定运行条件下,被测变流器向电网馈送的直流电流含量在其输出电流额定值的0.5%以内，符合试验要求.

如图6、图7所示中变流器工作在额定运行状态，可以看到网侧电压Uab的电压谐波含量THD=0.013%，网侧电流谐波含量THD=0.023%，试验结果符合试验要求.

图5 向交流电网馈送的直流电含量

图6 双变流器试验电网电压谐波

图7 双变流器试验电网电流谐波

4 结论

本文提出一种新型兆瓦级直驱风电双变流器-能量回馈式试验系统，分析了其硬件电路结构与原理，并对可能出现的环流问题设计了解耦控制方法，经试验验证，数据表明：系统试验效率高、输出电流谐波小，试验损耗低，试验方法灵活，完全满足风电变流器试验要求.

[1] 王 阳.一种测试1.5MW双馈变流器试验台[J].重工与起重技术,2015(3):21-22.

[2] 宋 鹏，王 辉，王德默，等.一种大功率AFE变频器试验方法[J].电气传动，2014(9):9-10.

[3] 李保国，陈燕平，蒋云富，等.全功率风电变流器并联运行关键技术研究[J].大功率变流技术，2016(4):38-41.

[4] 李金喜，陈继勇.全功率风电变流器并联运行控制策略及损耗研究[J].电器与能效管理技术，2016(11):34-38.

[5] 李 瑞，徐殿国，苏勋文.采用耦合电抗器的兆瓦级永磁直驱风电变流器仿真研究[J].太阳能学报，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

张 碧(1987-)，女,硕士研究生,研究方向：动力工程-电能变换技术.

赵毅君(1965-)，男，硕士生导师，研究员级高级工程师，研究方向： 新型电机与智能电器、电力系统及其自动化.

TM614

A

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