1、胡緒超 林章 北京ABB電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司摘要：風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)中壓大功率變流器的需求日益增加,大功率變流器已引起人們極大的興趣。本文介紹了PCS 6000在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了ABB PCS 6000中壓全功率變頻器的特性。關(guān)鍵詞：中壓變頻器PCS 6000風(fēng)力發(fā)電 IGCT圖1繞線式異步發(fā)電機(jī)+全功率變頻器系統(tǒng)圖 圖2 永磁發(fā)電機(jī)+全功率變頻器系統(tǒng)圖1. 引言海上風(fēng)電由于其資源豐富、風(fēng)速穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響較少，允許機(jī)組制造更為大型化，從而可以增加單位面積的總裝機(jī)量，可以大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢(shì)，一直受到風(fēng)電開發(fā)商的關(guān)注。但是就目前情況來看，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍占主流，然而全功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以

2、其固有的優(yōu)勢(shì)受到了越來越多的關(guān)注，但是隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量不斷增大，受功率器件材料的耐壓極限和制作工藝的限制，同時(shí)單一功率器件的容量也是有限的，全功率變流器的設(shè)計(jì)和制造是電網(wǎng)友好型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，它對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行至關(guān)重要。同時(shí)對(duì)于當(dāng)今先進(jìn)水平的多兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)，中壓技術(shù)是處理其額定功率的理想之選，可將發(fā)電機(jī)、變流器及電纜的損耗降至最低。中壓系統(tǒng)能夠降低電流值，不但節(jié)省空間、減少布線，更減小系統(tǒng)損耗。與性能有限的交流解決方案相比，中壓全功率變流器還允許對(duì)風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與功率實(shí)施最大限度的控制；此外，中壓全功率變流器的另一重要特性是能以高效策略應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障。2. 全功率動(dòng)

3、力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案全功率動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案具有優(yōu)秀的低（零）電壓穿越能力和良好的功率調(diào)節(jié)特性，能很好的應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障和調(diào)節(jié)上網(wǎng)的有功和無功功率。目前流行的全功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要兩種方案：一種是升速齒輪箱+繞線式異步發(fā)電機(jī)+ 全功率變頻器；一種是無齒輪箱的直接驅(qū)動(dòng)低速永磁發(fā)電機(jī)+全功率變頻器。2.1 升速齒輪箱+繞線式異步發(fā)電機(jī)+ 全功率變頻器其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是采用可靠的異步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，免維護(hù)。既沒有雙饋的滑環(huán)和電刷系統(tǒng)，不需要更換電刷和清理滑環(huán)；也沒有直驅(qū)機(jī)組的磁鋼退磁問題。機(jī)組維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠性高。缺點(diǎn)是增加了升速齒輪箱，維護(hù)量大，維護(hù)成本高。2.2

4、無齒輪箱的直接驅(qū)動(dòng)低速永磁發(fā)電機(jī)+全功率變頻器其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是沒有升速齒輪箱，葉輪直接驅(qū)動(dòng)低速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，故障率低，降低維護(hù)工作量，運(yùn)行效率高。由于發(fā)電機(jī)定子繞組不直接與電網(wǎng)相連，而是通過變頻器連接，因此電機(jī)額定轉(zhuǎn)速可以降低，使電機(jī)極數(shù)減少至合理值。缺點(diǎn)是采用低速永磁發(fā)電機(jī)，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)工藝還不夠成熟，體積大，吊裝、安裝成本偏高，定子繞組絕緣等級(jí)要求高，制造成本高。目前大部分全功率風(fēng)電機(jī)組都采用永磁發(fā)電機(jī)方案，既無齒輪箱的直接驅(qū)動(dòng)低速永磁發(fā)電機(jī)+全功率變頻器，但由于異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，使得異步發(fā)電機(jī)+全功率變頻器方案?jìng)涫荜P(guān)注。PCS 6000采用三電平四象限

5、全功率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不但滿足永磁發(fā)電機(jī)+全功率變頻器的方案，而且匹配異步發(fā)電機(jī)+全功率變頻器的方案。圖3 變頻器現(xiàn)場(chǎng)安裝布局 圖4 變頻器功率柜3. ABB中壓全功率風(fēng)電變頻器PCS 6000風(fēng)電變頻器PCS 6000是一款38MVA風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)連接的理想的變頻器，它沿用了ABB 6000系列的水冷方式，基于功率器件集成門極換流晶閘管（IGCT）并聯(lián)技術(shù)，以其大功率密度、高可靠性為風(fēng)電機(jī)組提供最優(yōu)方案。其緊湊的結(jié)構(gòu)，為客戶提供簡(jiǎn)潔的布局方案，圖3展示了現(xiàn)場(chǎng)的安裝布局。3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)電變頻器PCS 6000含有兩個(gè)通過直流連接的功率單元，既網(wǎng)側(cè)變流器和機(jī)側(cè)變流器，其硬件結(jié)構(gòu)完全一致。發(fā)電機(jī)通過

6、PCS 6000連接電網(wǎng)的升壓變壓器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。該系統(tǒng)圖還包含了網(wǎng)側(cè)濾波器、VLU（voltage limit unit）和機(jī)側(cè)濾波器。機(jī)側(cè)濾波器作用是為了降低發(fā)電機(jī)側(cè)的電壓尖峰，從而避免發(fā)電機(jī)過壓，損壞電機(jī)。而網(wǎng)側(cè)濾波器是一個(gè)LC濾波器，同時(shí)包含了一個(gè)特別的阻尼電路，降低電網(wǎng)側(cè)的低次諧波，來滿足電網(wǎng)的要求。并聯(lián)在中間直流環(huán)節(jié)的VLU單元，其作用是在電網(wǎng)發(fā)生穿越時(shí)保護(hù)直流單元正常工作，避免發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨著電網(wǎng)的波動(dòng)而振動(dòng)。在發(fā)電機(jī)側(cè)變流器（INU）和發(fā)電機(jī)斷路器之間還并聯(lián)了一個(gè)預(yù)充電單元，通過預(yù)充電單元把直流母線電壓沖到額定值，之后網(wǎng)側(cè)變流器（ARU）啟動(dòng)并與電網(wǎng)同步，這樣就保證閉合網(wǎng)

7、側(cè)斷路器的時(shí)候，沒有沖擊電流，實(shí)現(xiàn)軟啟的功能。由于風(fēng)電變頻器PCS 6000采用了三電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，和傳統(tǒng)的兩電平電壓型變頻器相比較有著固有的優(yōu)勢(shì)：電流波動(dòng)小和更好的諧波曲線，從而減小發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩振動(dòng)對(duì)齒輪的沖擊。同時(shí)PCS 6000采用了集成的冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)由水/空氣熱交換器和閉環(huán)冷卻回路組成。冗余冷卻泵可以自動(dòng)切換，確保無故障運(yùn)行，延長(zhǎng)零部件維修間隔；在起動(dòng)與運(yùn)行中，集成的熱交換器旁通閥將冷卻水溫維持在最佳水平。3.2 技術(shù)特點(diǎn)（1）變流器緊湊度高。電壓限制單元、充電單元、水冷單元都集成在PCS 6000柜內(nèi)；8MVA只需26塊集成門極換流晶閘管（IGCT），增加可靠性；適合安裝在塔架內(nèi)

8、部的單一平臺(tái)上。（2）U/F模式?？蛇M(jìn)行發(fā)電機(jī)電動(dòng)工況下的全速試驗(yàn)，出廠前以額定電流和速度高效測(cè)試風(fēng)電機(jī)各組件。充當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的變流器可在全部4象限內(nèi)運(yùn)行，提供雙向電流并全面控制無功功率。（3）I/F模式。精確轉(zhuǎn)子定位功能，直升機(jī)可以更安全的接近風(fēng)電機(jī)，為風(fēng)電機(jī)安裝與維護(hù)提供便利。（4）主動(dòng)傳動(dòng)系阻尼功能?？蓪l(fā)電機(jī)從電網(wǎng)解列，最大限度減輕破壞性峰值扭矩造成的沖擊，避免了電網(wǎng)擾動(dòng)時(shí)或擾動(dòng)后對(duì)齒輪的沖擊。它還能消除整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的嚴(yán)重系統(tǒng)振蕩，生成平滑的扭矩曲線。（5） 軟啟功能。自動(dòng)啟動(dòng)變流器預(yù)充電、變壓器預(yù)磁化及零電流電網(wǎng)同步，實(shí)現(xiàn)無沖擊并網(wǎng)，嚴(yán)格遵守電網(wǎng)規(guī)范。（6）無與倫比的諧波性能。變流器內(nèi)

9、置的算法可消除29次以下的諧波，滿足電網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。（7）有功和無功全控功能。即使連接較弱的電網(wǎng)，通過有功和無功的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)也可以最佳地穩(wěn)定電壓與頻率。（8）穿越功能。電網(wǎng)出現(xiàn)重大擾動(dòng)時(shí)，通過啟動(dòng)制動(dòng)斬波器，把產(chǎn)生的能量消耗在并聯(lián)的電阻上，確保風(fēng)電機(jī)不脫；當(dāng)故障解除時(shí)，風(fēng)電機(jī)即按相關(guān)電網(wǎng)規(guī)范，平滑并網(wǎng)。變頻器可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的完全解耦，減小發(fā)電機(jī)期間的壓力。圖5變頻器系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 圖6 變頻器冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)圖圖7 系統(tǒng)控制簡(jiǎn)圖 圖8 ABB Commissioner圖9 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 圖10 無功補(bǔ)償簡(jiǎn)圖圖11 無功雙向補(bǔ)償簡(jiǎn)圖 圖12 U/Q特性曲線圖13 過勵(lì)磁下的感性無功響應(yīng) 圖14 電壓

10、平衡跌落70%圖15 直流充電波形（9）風(fēng)機(jī)超速保護(hù)。變頻器以弱磁模式工作，維持發(fā)電機(jī)在超速情況下在網(wǎng)并發(fā)出最大功率。(10) 免熔斷器設(shè)計(jì)。海上風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，一旦故障排除，可立即遠(yuǎn)程重啟，不必赴現(xiàn)場(chǎng)更換熔斷器。3.3 PCS 6000控制系統(tǒng)圖7展示了PCS 6000的控制系統(tǒng)。控制和監(jiān)控系統(tǒng)、外部接口和測(cè)量設(shè)備等都位于控制柜中。核心控制器800 PEC，它是ABB的一款高性能處理控制系統(tǒng)。800 PEC控制器通過Control Builder M 配置和編程的，基于組合式的最優(yōu)解決方案：高速響應(yīng)電力電子器件請(qǐng)求；低速處理PLC任務(wù)。800 PEC內(nèi)部集成了Anybus通信模塊， 與上位機(jī)

11、進(jìn)行通訊； 通過ABB Commissioner對(duì)PCS 6000進(jìn)行操作和故障分析；也可以通過以太網(wǎng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控變頻器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)和命令，這對(duì)于海上風(fēng)機(jī)顯得尤為重要。通過對(duì)ABB的信息診斷分析系統(tǒng)（DIAS）的監(jiān)控，任何故障都可以得到來自瑞士技術(shù)中心團(tuán)隊(duì)提供的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。圖16 無功補(bǔ)償模式下電壓、電流的波形4. 滿足電網(wǎng)準(zhǔn)則盡管國(guó)家電網(wǎng)不斷提高風(fēng)電場(chǎng)入網(wǎng)的準(zhǔn)則，要求風(fēng)電機(jī)組具有無功補(bǔ)償、電壓調(diào)節(jié)，低電壓穿越等功能，ABB始終以其不斷完善、銳意創(chuàng)新的變流技術(shù)滿足當(dāng)前乃至未來的電網(wǎng)規(guī)范要求。4.1 無功補(bǔ)償原理為了向電網(wǎng)提供無功功率，需要一個(gè)電壓可變的電壓源和一個(gè)電感，比如一個(gè)變壓器，如

12、圖10所示。UComp代表了補(bǔ)償?shù)淖冾l器，UGrid代表了電網(wǎng)，感抗XT代表了變壓器的漏抗，UT表示經(jīng)過變壓器的電壓降，它也決定了UComp向UGr id補(bǔ)償?shù)臄?shù)量。由電壓降UT可以直接得到電網(wǎng)的電流I Gr id=UT/XT，I Gr idUGr id就是變頻器需要向電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)墓β省D11給出了電網(wǎng)電壓恒定的情況下的兩種補(bǔ)償簡(jiǎn)圖。左邊的圖說明在UCompUGr id的情況下，I Gr id被定義為容性；右邊的圖說明UCompUGrid的情況下，IGrid被定義為感性。由此可知， PCS6000可以看作成UComp因此可以向電網(wǎng)動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償無功。4.2 電壓控制電壓由一個(gè)比例控制器所控制，圖12所示。與電壓相關(guān)的有UO和增益N（數(shù)值可以由U/Q的特性回滯曲線得到）能被上位機(jī)控制并調(diào)節(jié)。電網(wǎng)電壓的測(cè)量值被反饋到上位機(jī)，無功功率隨著電壓的設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行調(diào)解。當(dāng)控制著兩臺(tái)或者更多臺(tái)并聯(lián)的PCS6000的時(shí)候，通過調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)UO和回滯比例N可以控制每臺(tái)變頻器的電壓。一個(gè)經(jīng)過擾動(dòng)的系統(tǒng)想要母線電壓恢復(fù)到正常值，比如有一個(gè)很大的負(fù)載變化，這時(shí)電壓能夠很快的恢復(fù)。典型的響應(yīng)時(shí)間為5070ms。下面的參數(shù)應(yīng)用于U/Q特性回滯曲線，見表1。表15. 仿真結(jié)果風(fēng)機(jī)額定功率5MW過勵(lì)磁下的感性無功響應(yīng)：電壓平衡跌落70響應(yīng)：6. 應(yīng)用案例某風(fēng)電公司研發(fā)的6 MW風(fēng)機(jī)使用了PCS