中压全功率变流器在风电场中的应用

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1、本文由中国电力电子产业网http://www.p-e-china.com转载编辑，转载请说明来源。中压全功率变流器在风电场中的应用胡绪超林章北京ABB电气传动系统有限公司摘要：风电系统对中压大功率变流器的需求日益增加,大功率变流器已引起人们极大的兴趣。本文介绍了PCS6000在风力发电中的应用，重点介绍了ABBPCS6000中压全功率变频器的特性。关键词：中压变频器PCS6000风力发电IGCT图1绕线式异步发电机+全功率变频器系统图图2永磁发电机+全功率变频器系统图1.引言海上风电由于其资源丰富、风速稳定、对环境的负面影响较少，允许机组制造更为大型化，从而可以增加单位面积的总

2、装机量，可以大规模开发等优势，一直受到风电开发商的关注。但是就目前情况来看，双馈型风力发电机仍占主流，然而全功率风力发电机组以其固有的优势受到了越来越多的关注，但是随着风力发电机的单机容量不断增大，受功率器件材料的耐压极限和制作工艺的限制，同时单一功率器件的容量也是有限的，全功率变流器的设计和制造是电网友好型风力发电机的一个重点和难点，它对于整个系统的稳定、高效运行至关重要。同时对于当今先进水平的多兆瓦级风电机，中压技术是处理其额定功率的理想之选，可将发电机、变流器及电缆的损耗降至最低。中压系统能够降低电流值，不但节省空间、减少布线，更减小系统损耗。与性能有限的交流解决方案相比

3、，中压全功率变流器还允许对风电机的转速与功率实施最大限度的控制；此外，中压全功率变流器的另一重要特性是能以高效策略应对电网故障。2.全功率动力驱动系统方案全功率动力驱动系统方案具有优秀的低（零）电压穿越能力和良好的功率调节特性，能很好的应对电网故障和调节上网的有功和无功功率。目前流行的全功率风力发电机组的动力驱动系统主要两种方案：一种是升速齿轮箱+绕线式异步发电机+全功率变频器；一种是无齿轮箱的直接驱动低速永磁发电机+全功率变频器。2.1升速齿轮箱+绕线式异步发电机+全功率变频器本文由中国电力电子产业网http://www.p-e-china.com转载编辑，转载请说明来源。其

4、结构如图1所示。该动力驱动系统优点是采用可靠的异步发电机，发电机结构简单，免维护。既没有双馈的滑环和电刷系统，不需要更换电刷和清理滑环；也没有直驱机组的磁钢退磁问题。机组维护简单，运行可靠性高。缺点是增加了升速齿轮箱，维护量大，维护成本高。2.2无齿轮箱的直接驱动低速永磁发电机+全功率变频器其结构如图2所示。该动力驱动系统优点是没有升速齿轮箱，叶轮直接驱动低速发电机转子，故障率低，降低维护工作量，运行效率高。由于发电机定子绕组不直接与电网相连，而是通过变频器连接，因此电机额定转速可以降低，使电机极数减少至合理值。缺点是采用低速永磁发电机，国内的生产工艺还不够成熟，体积大，吊装、

5、安装成本偏高，定子绕组绝缘等级要求高，制造成本高。目前大部分全功率风电机组都采用永磁发电机方案，既无齿轮箱的直接驱动低速永磁发电机+全功率变频器，但由于异步发电机的运行可靠、价格低等优势，使得异步发电机+全功率变频器方案备受关注。PCS6000采用三电平四象限全功率的拓扑结构，不但满足永磁发电机+全功率变频器的方案，而且匹配异步发电机+全功率变频器的方案。图3变频器现场安装布局图4变频器功率柜3.ABB中压全功率风电变频器PCS6000风电变频器PCS6000是一款3～8MVA风电机组电网连接的理想的变频器，它沿用了ABB6000系列的水冷方式，基于功率器件集成门极换流晶闸管（

6、IGCT）并联技术，以其大功率密度、高可靠性为风电机组提供最优方案。其紧凑的结构，为客户提供简洁的布局方案，图3展示了现场的安装布局。3.1系统结构风电变频器PCS6000含有两个通过直流连接的功率单元，既网侧变流器和机侧变流器，其硬件结构完全一致。发电机通过PCS6000连接电网的升压变压器，系统结构如图5所示。该系统图还包含了网侧滤波器、VLU（voltagelimitunit）和机侧滤波器。机侧滤波器作用是为了降低发电机侧的电压尖峰，从而避免发电机过压，损坏电机。而网侧滤波器是一个LC滤波器，同时包含了一个特别的阻尼电路，降低电网侧的低次谐波，来满足电网的要求。并联在中间

7、直流环节的VLU单元，其作用是在电网发生穿越时保护直流单元正常工作，避免发电机转矩随着电网的波动而振动。在发电机侧变流器（INU）和发电机断路器之间还并联了一个预充电单元，通过预充电单元把直流母线电压冲到额定值，之后网侧变流器（ARU）启动并与电网同步，这样就保证闭合网侧断路器的时候，没有冲击电流，实现软启的功能。本文由中国电力电子产业网http://www.p-e-china.com转载编辑，转载请说明来源。由于风电变频器PCS6000采用了三电平的拓扑结构，和传统的两电平电压型变频器相比