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多并联风电变流器稳定运行复杂测试系统设计

发表时间：2021/7/2 来源：《中国科技信息》2021年8月作者：孙静

[导读] 近年来随着风力发电机组大兆瓦级产品逐步应用在近海区域，对产品质量提出越来越高的要求，保证每台变流器性能稳定则成为每个厂家产品出厂时必须面对的课题

天津瑞能电气有限公司孙静

摘要：近年来随着风力发电机组大兆瓦级产品逐步应用在近海区域，对产品质量提出越来越高的要求，保证每台变流器性能稳定则成为每个厂家产品出厂时必须面对的课题，多并联风电变流器稳定运行复杂测试系统由风电变流器对托小机测试测试、单机功率测试、双机环流功率测试、小机功能和双机环流功率同时测试，该系统可满足批量时间需求和产品质量需求。
关键词：风电变流器；多并联；测试系统
        0 引言
        近年来随着风力发电机组大兆瓦级产品逐步应用在近海区域，对产品质量提出越来越高的要求，保证每台变流器性能稳定则成为每个厂家产品出厂时必须面对的课题，在保证质量的前提下还需要满足客户的批量时间需求，建立一套多并联风电变流器稳定运行复杂测试系统可以满足批量时间需求和产品质量需求。
        1 系统拓扑

         该系统主要具备4方面功能：
        1)小机测试功能，采用210kW双绕组永磁同步发电机和异步电机对拖，异步电机由变频器拖动，永磁同步发电机连接被测变流器，其原理为拖动变流器带动拖动电机和发电机运行[3-5]，可在此小机平台上进行变流器测试，程序验证等等不需要大功率大电流的测试；
        2)单机功率测试，如图中所示，闭合开关Q7，由T4、被测变流器A、L1～L2、C1～C2组成单机功率测试平台，可以在平台上进行单台1～8MW变流器的功能、性能、老化测试。
        3)双机环流功率测试，断开Q7，由T4、被测变流器A、B，L1～L4，C1～C2构成双机环流测试平台，由两台变流器进行“对拖”，变流器A作为电压源，可调压调频，由机侧输出PWM电压，变流器B作为负载，进行电流控制，该平台可对两台1～8MW变流器进行功能、性能、老化测试。
        4)小机功能和双机环流功率测试同时开展，满足三台1～8MW变流器产品同时并行运行，可对三台1～8MW变流器进行功能、性能、老化测试，提升效率和缩短测试时间。
        2 关键器件设计
        a)电容电感
        由于1～8MW变流器功率较大，根据目前的功率器件水平，变流器一般是由多台子变流器并联而成，比如对于6MW全功率变流器，实际是由4台1.5MW全功率变流器并联组成，每两台1.5MW变流器可组成一台3MW变流器。
        被测变流器A是一台3MW变流器，其由两台1.5MW变流器并联而成。电感L1和L2、电容C1和C2分别串在两台1.5MW子变流器的机侧，组成两套LC滤波器。由于各子变流器参数相同，因此L1和L2取值相同，C1和C2取值相同。
        LC滤波器参数的选择可以按照单台1.5MW子变流器进行。当滤波器截止频率越低时，滤波效果越好，越有利于软件控制，因此设定滤波器截止频率f＜500Hz。
        单台1.5MW变流器机侧电抗器感值为L5=30uH，设L6=L5+L1，C1=C2=C，则有：

由计算结果可见，电容容值越大，电抗感值范围越宽，但是根据西电的调试经验，滤波电感的感值不能太小，对于对拖平台来说，电容的数量可以增加，但是电感是定制件，不易增减，因此确定电感的感值为L1=L2=200uH，电容选取的数量为5个，即C1=C2=245uF（△型连接）。
选型校验：
L6=L5+L1=180uH，C=245uF，得出

         满足谐振频率要求。
        L3、L4感值选择和L1、L2相同。
        根据以上计算和分析，选择3-8MW对拖平台电抗器L1~L4感值200uH，滤波电容为10个3×49uF△型连接电容。
        b)T4变压器
        目前低压变流器的功率等级最大可达到8MW，更大功率等级的变流器选择中压。是因为低压690V时，变流器达到8MW以上，电流达到8367A左右，电机的电流较大，会对电机定子绕组的技术研发成本增加，并且生产出来的电机成本较高，导致整个风力发电系统的成本增加，和中压三电平发电系统相比，无任何优势。
        在设计本系统时，需要考虑到变流器对拖测试平台达到一次建造终身受益的效果，即：一次建造，未来产品同样能够在该功率等级平台上，能够使用，不需要在针对不同功率等级的变流器建造不同的测试平台，拓扑图如图1所示。
        综上所述：未来低压变流器的功率等级为8MW（并机），单机变流器的功率等级最大为4MW，在厂内搭建测试平台需要达到4MW。
        经过成本和配电容量考虑T4隔离变压器为6MVA，绕组连接方式定为Dyn11。
        T2变压器容量初步定为60kVA。
        c)断路器Q1选型
        1）断路器Q1为输入总电源，变流器满功率运行时，损耗为398.5KW。
        T2变压器损耗为7.6KW，总共损耗为406.1KW，损耗电流为340A。
        2）T1变压器为10K/690；容量2.5MVA；变压器短路阻抗为7%。若1点发生短路，短路电流为(10K/690)*144/0.07=29.8KA。
        综上所述，选择框架式断路器的基本参数为690V，630A，Ics<29.8KA。
        （1）断路器Q2、Q3和Q4之间通过联锁控制，只能闭合其中一个，另两个为断开。
        （2）8MW变流器由并机组成，单机功率可达到6MW，在老化测试过程中，变流器效率为97%，存在3%损耗，损耗功率为180KW，变压器在负载损耗为38.5kW。总损耗为218.5KW。当T2变压器出头为621V时，经过断路器Q2电流为203A；当T2变压器出头为690V时，经过断路器Q3电流为183KW；当T2变压器出头为759V时，经过断路器Q4的电流为166A。
        （3）8MW变流器由并机组成，单机功率可达到6MW，在对拖测试过程中，变流器效率为97%，存在3%损耗，损耗功率为360KW，变压器在负载损耗为38.5kW。总损耗为398.5KW。
        （4）T1变压器为10K/690，容量2.5MVA，变压器短路阻抗为7%；
        （5）若2点发生短路，通过被测变流器主机提供短路电流，一般为额定电流的3倍；被测变流器从机通过隔离变压器T4提供短路电流，短路电流小于3倍的额定电流。变流器在621V下，额定电流最大为5578A。断路器输出端若发生短路现象，短路电流为5.578*6=33.4KA。
综上所述，选择框架式断路器的基本参数为690V，630A，Ics<33.4KA。
d)Q5、Q5’ ，Q6、Q6’， Q8、Q8’、Q9、Q9’和Q7、Q7’选型
        （1）6MVA隔离变压器输出端为5000A，为适应3-8MW变流器老化和并机运行。须要分别使用两台框架断路器并联。理想状态下，断路器每台分得2500A电流。故每台断路器的额定电流>2500A。
        （2）该配电环路中，使用电压为621±10%V，需要满足电压要求。
        （3）若4点发生短路，需要通过T3变压器支路和T4变压器支路提供电流。T3变压器支路提供电流为16KA；T4变压器支路提供电流为16.7KA。合计短路电流为16+16.7=32.7KA。
        （4）若3点发生短路，短路电流为3倍的变流器额定电流，故此端Ics<16.7KA。
        综上所述，选择框架式断路器的基本参数为690V，2500A，Ics<32.7KA。
        3 系统电源稳定性设计
        变流器网侧LC滤波器中滤波电容容量较大，在变流器网侧控制之前，滤波电容会向变压器电网侧端提供较大无功功率，接近300KVar，当三台变流器同时工作时，会造成前端变压器无功容量超限，造成系统电能质量下降，产生较大电网电压和电流冲击，功率因数严重不满足电网电能质量要求，故该系统需要进行动态无功功率补偿装置[2]。
        动态无功补偿位置选择在变压器400V/690VAC中的400V侧还是690V侧，取决于整个系统对SVG补偿时间要求，由于变流器为电力电子设备，其最小控制周期在10ms，故应选择离变流器最近的690V侧进行补偿，快速响应时间<100us，全响应时间10ms，补偿功率等级为300KVar。
下图为动态无功补偿示意图

        工作流程原理:从变流器输出的载热冷却液从主水进口进入本机组，经气水分离器脱气后进入工作泵加压，通过电动比例阀DT1智能调节进入换热器的水量，通过变频器及短路阀DT2调节水流量，保证本机组输出额定温度、压力、流量的冷态纯水，最后经主水出口返回至变流器重新吸热，如此周而复始，组成闭合循环冷却回路。
        本机组还设有稳压系统及补水回路、主回路过滤、智能温控调节系统等串、并联于主回路运行。
        5 软件设计
        软件主要分为两部分：
        1、试验台控制软件，采用PLC控制硬件回路，用于实现工装的400V上电及大小功率的模式切换、恒温控制等功能。
        2、变频器显示控制软件，在进行小功率测试及大功率老化测试时，采用自动调试软件。
试验台控制软件功能设计包括试验台模式切换，比如缺省模式、单台400V上电、双台400V上电、小功率模式、单台大功率模式、对拖大功率模式
        保温房恒温控制，控制变频风扇、加热器、水冷系统等，为变频器老化提供恒温环境
设备房散热控制
        保温房及设备房温度运行状态信息发布
        实验台故障及报警处理
        试验台急停掉电处理
        CanOpen测试，测试变频器CanOpen的可靠性
        对上位测试软件的开放Modbus接口[8-9]
        控制PLC实现试验台模式切换
        控制PLC实现保温房恒温控制及设备房散热
        保温房及设备房温度等运行状态信息显示
        实验台故障及报警显示
        变频器显示控制软件设计主要包括：程序烧写、重启、参数导入、启机、停机、功率给定、满载设定、过载设定、数据检查等内容。
        可以显示变频器的实时数据、状态与波形等信息
        可以记录整个调试过程
        实时变频器的实时故障
        可以显示和设置变频器的重要参数
参考文献：
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[3] 陈伯时，电力拖动自动控制系统，机械工业出版社，2000
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[5] 赵良炳，现代电力电子技术基础，北京：清华大学出版社，1995
[6] 姜桂宾，裴云庆，王峰等，SPWM逆变电源的自动主从并联控制技术，电工电能新技术，2003（3）
[7] 孙骁，李炎枢，徐德鸿，并联UPS逆变器系统中暂态平均电流均流法的建模，台湾电子月刊，2003（2）：114～132
[8] 刘彬彬、安剑Visual Basic从入门到精通（第2版）清华大学出版社，2010（7）
[9] 崔坚，西门子工业网络通讯指南：上册，下册[M]，北京：机械工业出版社，2004