羅 浩，楊躍龍，2，劉愛平，王迎旭，2

（1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湖南 湘潭 411101；2.電氣測控研究所，湖南 湘潭 411101；3.湘潭電機股份有限公司，湖南 湘潭 411101）

1 概 述

風(fēng)能作為一種新型的可再生能源具有非常大的開發(fā)潛力，從目前情況來看，國家對風(fēng)電的發(fā)展規(guī)劃至2010年1 000萬千瓦累計裝機容量已在2008年被提前完成，2012年實現(xiàn)了5 000萬千瓦以上裝機容量。根據(jù)正在擬議的新能源行業(yè)振興規(guī)劃，未來的風(fēng)電裝機容量必定會有大量提高，有望2015年我國的風(fēng)電規(guī)模達(dá)到1億千瓦、2020年達(dá)到2億千瓦［1］。

而變速恒頻技術(shù)的應(yīng)用極大地促進了風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)展，變速恒頻技術(shù)也成為變速恒頻風(fēng)電裝備和兆瓦級以上的風(fēng)力發(fā)電機組中應(yīng)用的主流技術(shù)［2］。所以風(fēng)電變流器的性能好壞也影響著整個發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)電產(chǎn)品為了保證其性能的可靠性必須要到風(fēng)場中進行試驗，以便不斷的發(fā)現(xiàn)其中存在的問題并加以改進，但是現(xiàn)在的風(fēng)場都是比較分散的，無固定的專用試驗風(fēng)場，所以對于那些沒有整機生產(chǎn)能力的變流器生產(chǎn)公司都需要自行去聯(lián)系風(fēng)場來進行產(chǎn)品試驗。而且產(chǎn)品在出廠前進行整機試驗，由于其功率非常大，直接并入電網(wǎng)進行試驗將會造成大量的電能損耗，這也無形中增加了公司成本，所以如何搭建一個完整的并能滿足風(fēng)電變流器出廠測試的試驗平臺顯得非常重要。本文提出一種環(huán)形功率回饋法對風(fēng)電變頻器進行試驗，通過此試驗法不僅能滿足變流器的測試要求，而且大大減少了能量的損耗，實現(xiàn)了能量的回饋，工作可靠性高，控制精度準(zhǔn)，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的 。

2 風(fēng)電變流器一般試驗項目

對于風(fēng)電變流器而言，由于其所處環(huán)境的特殊性，經(jīng)常會有諸如電網(wǎng)電壓脫落、電網(wǎng)電壓三相不平衡、同步故障、功率曲線等問題。針對這些可能出現(xiàn)的問題，其主要的電氣性能試驗如下：

（1）負(fù)載試驗

變流器的最重要的特性之一就是其負(fù)載特性，變流器中負(fù)載特性的好壞，將直接影響用戶工作中性能的優(yōu)劣。變流器的負(fù)載試驗包括：負(fù)載、輕載、過載及以下特性負(fù)載試驗［3］：

a.與電機速度成正比例的負(fù)載特性試驗：

b.與電機速度平方成比例的負(fù)載特性試驗；

c.階梯變化負(fù)載特性試驗；

d.用戶自定義負(fù)載突變特性試驗。

（2）變流器實載長期考核及老化試驗

首先把變流器的負(fù)載特性設(shè)計好，然后根據(jù)不同的現(xiàn)場情況，讓被試變流器按用戶的規(guī)定長時間運行，用以考核被試變流器在運行中的長期可靠性。

（3）變流器變壓器溫升試驗

在實際滿載運行中，測量觀察被試變流器變壓器的溫度變化情況。

（4）變流器功率器件溫升耐壓試驗

在實際滿載運行中升高電壓，測量觀察被試變流器功率器件的溫度變化情況。

（5）變流器額定輸出電壓及電壓不平衡度試驗

在實際滿載運行中，測量并記錄下輸出電壓波形，分析其輸出電壓的不平衡情況，并模擬電壓不平衡狀態(tài)對交流的影響。

（6）變流器功率損耗試驗

在實際滿載運行中，通過測量變流器的輸入功率和輸出功率，計算出變流器的功率損耗。

（7）諧波分析

在不同的工作情況下，分別對其輸出電流、電壓信號進行錄波、分析。

3 風(fēng)電變流器的一般試驗方法

3.1 交－直－交 交流傳動試驗系統(tǒng)

如圖1所示，首先變頻器經(jīng)過整流器逆變器輸出交流電供給異步電機，異步電機獲得電量后會同軸帶動直流發(fā)電機發(fā)電，然后由直流發(fā)電機發(fā)出的直流電驅(qū)動直流電動機運轉(zhuǎn)，最后直流電動機同軸帶動三相交流同步發(fā)電機并發(fā)出電能回饋到電網(wǎng)，在此試驗過程中通過改變每個電動機的勵磁電流來實現(xiàn)變流器各種特性的試驗［4］。

圖1 交－直－交 交流傳動試驗系統(tǒng)

3.2 逆變器－電動機－逆變器 互饋試驗系統(tǒng)

如圖2所示，異步電機1由變流器給電后同軸帶動異步電機2，異步電機2發(fā)出的電能經(jīng)過逆變器2后再回饋到逆變器1輸入端，如此實現(xiàn)能量的循環(huán)。

圖2 逆變器－電動機－逆變器 互饋試驗系統(tǒng)

雖然通過以上兩種技術(shù)方案都能滿足各種試驗要求，但這兩種試驗系統(tǒng)不易控制，其可靠性不高，安全性較低，機組損耗高，能量的利用率較低。而且對于風(fēng)電變頻器而言其功率非常大，工作頻率范圍廣，對電機性能要求高，會產(chǎn)生較大的諧波污染電網(wǎng)。

4 風(fēng)電變流器環(huán)形功率回饋試驗法

針對傳統(tǒng)風(fēng)電變流器試驗方法對電網(wǎng)的能量損耗較大，提出了能夠?qū)崿F(xiàn)能量供給和回饋的環(huán)形功率試驗法。

4.1 環(huán)形功率回饋試驗法總體設(shè)計

4.1.1 試驗電路

圖3給出了變流器試驗方法的主電路框圖。

圖3 變頻器試驗主電路圖

如圖3所示，電網(wǎng)電能通過配電柜1（包含測量系統(tǒng)）進來、再通過變壓器原邊側(cè)進入環(huán)形功率回饋系統(tǒng)。環(huán)形功率回饋系統(tǒng)由變壓器網(wǎng)側(cè)、配電柜2（包含測量系統(tǒng)）、被試變頻器、濾波電抗器和配電柜3（包含測量系統(tǒng)）組成。圖中L1、C1分別為變頻器網(wǎng)側(cè)濾波電抗器和變頻器網(wǎng)側(cè)濾波電容器，而L2、C2則為試驗臺的濾波電抗器和電容器，電抗器的主要作用是濾波和環(huán)流系統(tǒng)發(fā)生故障時，降低故障對變壓器的沖擊。

4.1.2 試驗過程

（1）將被試變頻器的相關(guān)主電路和控制線路接好，在逆變系統(tǒng)交流負(fù)載輸出端接電感負(fù)載。

（2）通過PWM方式控制變頻器電力電子功率器件的開通和關(guān)斷，使逆變輸出端產(chǎn)生可變頻變壓的交流輸出，調(diào)節(jié)達(dá)到交流輸出端負(fù)載可以通過穩(wěn)定的大電流，使負(fù)載大電流導(dǎo)通穩(wěn)定。

（3）試驗中的有效電流很大（達(dá)到1 800 A左右），但由于采用了微阻抗大電流電感作為負(fù)載，有效壓降很低（一般只有70 V左右），所以消耗的有功功率相對就很低。

以被試變頻器的負(fù)載導(dǎo)通線電流IC＝1 800 A，負(fù)載有效線壓降UL＝70 V，功率因數(shù)cosθ＝0.85為例。被試變頻器負(fù)載端有功功率：

（4）被試變頻器負(fù)載輸出端輸出的有功功率經(jīng)過配電柜3，通過機側(cè)電力變壓器變換為與網(wǎng)側(cè)變壓器同頻率電壓，形成回饋輸入到被試變頻器整流系統(tǒng)部分。

4.2 主要部件及關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 電力變壓器

該系統(tǒng)中有兩臺3 600 kVA的電力變壓器，分為網(wǎng)側(cè)變壓器和機側(cè)變壓器。電能經(jīng)配電柜1輸出到網(wǎng)側(cè)變壓器，網(wǎng)側(cè)變壓器將電能輸出到被試變頻器上，被試變頻器的輸出功率經(jīng)濾波電抗和配電柜3到機側(cè)變壓器再回饋到被試變頻器。兩臺變壓器并聯(lián)運行并且保持同頻率。

4.2.2 配電柜及測量系統(tǒng)

在系統(tǒng)中分為三個配電柜，每個配電柜內(nèi)都包含了所有入戶開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)、線路組會開關(guān)、斷路器、接觸器等。由于配電柜內(nèi)包含了測量系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的控制都是基于一些電信號的檢測來實現(xiàn)的，包括雙PWM變流器主電路電壓、電流信號檢測（網(wǎng)側(cè)電流、電壓檢測、直流母線電壓檢測、機側(cè)電流檢測等）。上述信號的檢測均通過測量系統(tǒng)中的霍爾傳感器、電參數(shù)測量儀等工具來測量并顯示分析。

4.2.3 數(shù)字變頻試驗電源

系統(tǒng)的試驗電源為電路內(nèi)回饋變頻電源，集被試電機正弦波電源和陪試電機電源于一身，電功率回饋是在電源內(nèi)部實現(xiàn)的，是風(fēng)電變頻器試驗電源的一次創(chuàng)新。電源建立在逆變數(shù)字電源組基礎(chǔ)上，除具備通用變頻電源的特點外，還可為風(fēng)電變頻器試驗提供等效負(fù)載及在線測試的必要支持，適用于各種不同類型的風(fēng)電變頻器測試要求。而且調(diào)節(jié)數(shù)字變頻電源組，可以實現(xiàn)試驗時對變流器的最佳效率控制，達(dá)到節(jié)能的目的。

4.2.4 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

（1）系統(tǒng)采用數(shù)字電源組，自動升高和降低控制電壓以搜索最佳效率，為風(fēng)電變頻器試驗提供等效負(fù)載鎖定，實現(xiàn)設(shè)置能量優(yōu)化控制程序。

（2）采用集散控制方式和多層集中控制方式，用于風(fēng)電變頻器的電能平衡控制，實現(xiàn)方便、簡單、效果好的在線控制與實現(xiàn)方案。

（3）試驗過程不采用負(fù)載消耗能量，達(dá)到節(jié)能的目的。

（4）將現(xiàn)場設(shè)備與集中控制設(shè)備組成一個能完成組態(tài)、運行、控制、自動處理數(shù)據(jù)并生成試驗報表等功能完整的風(fēng)電變頻器測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（5）交流接近于實際工作狀態(tài)，對變流器的性能考核更加充分。

4.3 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

整個系統(tǒng)的實時通訊通過集中監(jiān)控軟件來實現(xiàn)，同時通過監(jiān)控軟件在后臺形成虛擬示波器，其能夠?qū)崿F(xiàn)測試數(shù)據(jù)分析、日志報表形成、自動參數(shù)測試等功能；并且用戶可以根據(jù)自己的需求定制特殊功能。

系統(tǒng)提供仿真試驗界面，采用鍵盤輸入和液晶屏幕顯示，顯示屏上有兩個主界面，主要用于系統(tǒng)試驗的操作和相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)置等，包括測試功能區(qū)、檢測區(qū)、數(shù)據(jù)實時區(qū)。檢測平臺主要通過實時監(jiān)測參數(shù)，并對參數(shù)進行分析給出顯示結(jié)果，實現(xiàn)對平臺更好地控制和保護。

系統(tǒng)實現(xiàn)對各種電能質(zhì)量參數(shù)及溫度情況進行長期在線監(jiān)測和顯示，其中包括系統(tǒng)輸出電壓和電流有效值、幅值、系統(tǒng)頻率、電壓和電流諧波、電壓和電流的不平衡度、有功功率、無功功率、諧波測試的分析與結(jié)果、實時測試波形等。

5 結(jié)束語

環(huán)形功率回饋法的風(fēng)電變流器試驗系統(tǒng)，采用了數(shù)字逆變電源組做試驗電源和電源電路內(nèi)部回饋的方式，不消耗負(fù)載，不回饋電網(wǎng)，整個試驗系統(tǒng)構(gòu)成電能閉環(huán)的工作模式，不僅減少了對電網(wǎng)的諧波污染，也節(jié)約了能源。該試驗系統(tǒng)在國內(nèi)風(fēng)電變流器的試驗中處于領(lǐng)先水平，具有非常大的研究應(yīng)用前景。

［1］ 國家能源局.風(fēng)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃 ［S］.北京：國家能源局，2011.

［2］ 李方圓.變頻器行業(yè)應(yīng)用實踐 ［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［3］ 施婷婷.運用機組能量回饋策略設(shè)計高壓變頻試驗室［D］.南京：東南大學(xué)，2007.

［4］ 張春波，薛 山.變頻器在電機試驗系統(tǒng)中的應(yīng)用 ［J］.變頻器世界，2005，05（03）：90－92.