CWPE2019：天津瑞能電氣趙家欣：大功率并聯(lián)變流技術(shù)研究

 

　　以下為演講實錄：

 

　　今天這個題目可能是一個老話題，但是對于變流器來講它也是一個長期的話題，今天我主要是和大家匯報一下我們變流器在老話題上在技術(shù)上有哪些進步。

 

　　先說一下我們?yōu)槭裁匆褂么蠊β什⒙?lián)的變流技術(shù)。

 

　　首先是風電發(fā)展的這幾個方向：大型化是毋庸置疑的，之前我記得這個圖是和空客比較；另外一個是海上風電，數(shù)字網(wǎng)絡化和能源網(wǎng)絡化依然是發(fā)展的趨勢，能源網(wǎng)絡化更多是基于數(shù)字網(wǎng)絡化的開展獲取實施。不管是大型化還是海上風電，它都需要變流器具備這種大功率的變流技術(shù)。

 

　　變流技術(shù)目前在電壓等級上主要有三個類型：一個是低壓就是我們常用的690V的電壓等級；另外一個是中壓1140V也好，3300V也好；還有一個是我們在研也認為是以后的方向就是基于10千伏的中高壓。那我們基于針對這三個690V的低壓、1140V的中壓和10千伏的中高壓方向進行深入的開發(fā)和研究，為什么這樣去選擇呢？主要是不管是690，1140還是10千伏基于都是1700VIGBT平臺，而這個不管是功率模塊、驅(qū)動還是電源本等技術(shù)是成熟的，功率可靠性高，我們發(fā)現(xiàn)這三款做出來經(jīng)濟性好、輸出特性是最好的。所以我們出現(xiàn)的這四種方面。

 

　　我們做了一系列的方案比較，低壓、中壓、高壓的究竟它的優(yōu)勢在哪里？哪塊更好一點呢？我們以5MVA的變流器為例發(fā)現(xiàn)額定電流，可以發(fā)現(xiàn)電流器的成本肯定是隨著電壓等級的逐步抬升而越來越高，成本都會遠遠高于低壓。但是高壓有什么樣的好處？如果變流器放在塔底的情況下，它的線纜成本會成倍增加，如果這樣的話用于線纜成本，其實變流器這種控制部件在整個風機里占到很小的一部分，相反線纜占到一個大頭，這樣的話總體成本隨著電壓的升高是逐步降低的。在拓撲結(jié)構(gòu)上，低壓就是傳統(tǒng)的兩電平，中壓肯定是用三電平的方案，中高壓一定是多電平。最后我要講的可以看到在擴容方式上不管是低壓還是中壓的比較好的擴容方式就是電容器的并聯(lián)，當然最原始的就是單橫擴容，就是把器件用得容量越來越大，但是這種方式并不好，所以我今天的主題就是大功率并聯(lián)變流器的并聯(lián)。

 

　　這種并聯(lián)特別適合于中低壓的場合，優(yōu)點就是易于產(chǎn)品快速設計、易于物料歸一化，歸一化之后造成直接的優(yōu)勢就是我的測試驗證、產(chǎn)品成本低、可靠性高，最終帶來的客戶收益率會提高。

 

　　我們?nèi)绻炎兞髌鞅茸饕粋€人體，大家可以看到基本上人體的三個主要部件一個是骨骼肌肉造成整個框架，神經(jīng)網(wǎng)絡是大腦里的神經(jīng)元，最后一個是智力水平。這三塊究竟對應的是變流器的哪幾塊？骨骼肌肉對應的就是功率平臺，整個主回路的功率流；神經(jīng)系統(tǒng)對應的就是控制平臺，我們的信號是如何采樣進來的？如何進行綜合計算的，控制板卡或者是中央控制器，如果把計算出來的信號下發(fā)到功率器件上讓它動起來；智力水平就是我們的算法平臺，就是芯片嵌入什么樣的算法，怎么樣實現(xiàn)基于模型的電壓電流雙閉環(huán)或者是功率的控制，實現(xiàn)咱們現(xiàn)在比較先進的虛擬控制機等等。那這三塊究竟有什么樣的技術(shù)難點？首先是功率平臺關鍵是在于拓撲方案的訓練，拓撲方案有很多，究竟選擇哪種拓撲方案更為合適？控制平臺主要是我們?nèi)绾渭嫒輸U展，隨著機組的擴大，你的單一的控制板和機組的資源無法滿足，這就需要讓控制平臺去擴容，擴容起來如果沒有進行的統(tǒng)一的規(guī)范化是很難。最終在算法平臺是環(huán)流抑制。

 

　　接下來我展示一下我認為的分享應該是怎么樣的。

 

　　首先是大功率并聯(lián)拓撲方案設計以兩臺為例。比較常用的一共有6種，這邊的主線是不共母線，就是DC端不連在一起，那邊是把DC端連在一起，另外一個是VC端怎么處理，這個就是我的網(wǎng)速用多繞組的電壓器，這樣叫全隔離的方案，還有一種不共母線的半隔離方案，最底下的一個叫無隔離方案，可以看到機側(cè)網(wǎng)更恰當一些，從整個硬件可以看到兼容性最好的肯定是底下這個，因為最底下的無隔離方案可以應用于半隔離或者是全隔離的，對于變流器都一樣，所以它對不管是這邊的變壓器也好對電器也好都沒有太大的壓力，多繞組也可以用。這種拓撲究竟選哪個更好？其實各有各的優(yōu)勢，那我們選擇最底下的主要目的是便于擴展，便于應用。它的好處就是對變壓器、電機無特殊要求，適應性強，并聯(lián)拓展性強。這個方案有沒有一些問題？也有，這是我最后和大家說的。

 

　　這兩個方案是共母線好還是不共母線好？我們發(fā)現(xiàn)對于兩電平來說不共目線的并聯(lián)拓撲是最好的，因為擴展性極強，而且不受物理環(huán)境的安裝制約。大家知道想把直流進行擴容是非常難的，因為直流端母線容量要做大，而且通常要用銅排，如果想用線纜的話，最好是交流擴容，交流擴容就沒有這種方式，直接把這兩端用線纜直接連就可以了。對于共母線來講最好是三電平的拓撲，因為三電平的控制目標是讓中點電位平衡，傳統(tǒng)的方式很難實現(xiàn)重點、諧波、效率同步優(yōu)化。

 

　　下面說一個關于控制平臺怎么擴容。

 

　　把控制平臺比作身體的神經(jīng)網(wǎng)絡，神經(jīng)網(wǎng)絡最核心的部分就是人的大腦，同樣對照控制器最核心的部分就是中央控制器就是相關的板卡，一般分為核心板卡，比如我們的DSP、FPGA還有外設板卡比如發(fā)破的這些電路。它擴容的時候有一些問題，對于核心板卡擴容的問題就是計算資源不足，算法成倍的增加想增加更多的阻尼的特征，增加各種各樣的算法，會發(fā)現(xiàn)不太夠用，需要擴容；對于調(diào)理電路就是通道數(shù)量不足。外設擴展，那引發(fā)的問題是核心板卡不變，所以我的計算資源是無法增加的，除非我換芯片，換芯片的話可供選擇的芯片就這幾款，很困難。主控制器外設板不再是外設板，有主控制器進行運算，由主控制器發(fā)到從控制器，引發(fā)的問題確實解決了單一外出擴展的一些不好的地方，但是同樣有些問題就是一致性兼容性是比較低的，就的主從不能替代，主占據(jù)核心的位置，容錯性也一樣，一旦容錯壞了這系統(tǒng)就崩潰了。

 

　　我們比較推薦的方案就是對等性的擴容，沒有主從之分。這是在實際的應用案例，這是我們開發(fā)的一款基于高壓直掛式APF的產(chǎn)品，你的控制間隙要非常短，計算資源要特別多，而且是高壓的，那么外設板也有很多，所以我們采用三種中央控制器并聯(lián)。在風電以后的發(fā)展上尤其是由低壓走向中壓、高壓一定會遇到擴容的方式。這種中央控制器的好處是我們現(xiàn)在已經(jīng)升級到的整體的控制盒采用DSP28377，我們和西門子做了長期的戰(zhàn)略新的合作，發(fā)現(xiàn)20US最小控制周期在世界上都是領先的水平。支持對等式擴展，計算資源、接口數(shù)量無理論上限。控制器間采用私有協(xié)議，單位之周期內(nèi)實現(xiàn)關鍵變量的傳輸，控制器具備聯(lián)合組網(wǎng)計算能力。單臺控制器采用模塊化插卡式設計，根據(jù)項目需求增減外社板卡，減少不必要浪費配置高速USB接口，便于拓展存儲空間，確保海量數(shù)據(jù)收錄。

 

　　最后說一下這個算法平臺。

 

　　剛才說了這種無隔離的并聯(lián)有好處，但是也有壞處，有哪些壞處？在這幅圖上就能展示出來，我們的系統(tǒng)環(huán)流分成兩部分：一中是交叉環(huán)流，一中是零序環(huán)流。交叉環(huán)流的特點是不共母線，而零序環(huán)流貫穿整個母線。在這種情況下，我們?nèi)綦x方案其實是根本不存在這種環(huán)流的，因為整個環(huán)流路徑被物理隔離了，不存在這種交互；而對于半隔離并聯(lián)的話存在這種零序，但是不存在這種交叉環(huán)流，哪邊被隔離哪邊都不存在。對于無隔離的并聯(lián)方案這兩個都存在，存在就有問題，就需要一定的方法去解決，我們只不過把硬件的解決方式變成了軟件用算法實現(xiàn)的。

 

　　這是一個常規(guī)的控制方式，一般的情況下包括整個外環(huán)一般是母線還有無功的控制外環(huán)發(fā)出的電流控制指令值，進行常規(guī)的電流計算，最后進行常規(guī)的調(diào)值發(fā)出PWM。在并聯(lián)中會發(fā)出什么問題？首先交叉環(huán)流、零序環(huán)流是路徑會不一樣，被控對象與正常電流不同，所以我們采用常規(guī)的電流器是無法實現(xiàn)對環(huán)流的有效抑制；第二個是常規(guī)調(diào)制算法基于αβ平面的，無法生成零序分量，無法抑制這種零序的環(huán)流；最后通過我們的研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)流大小與母線的波動程度有關，但是傳統(tǒng)的PI控制有一個問題，是無法兼顧快速性和靜態(tài)波動抑制。所以這三種都需要進行升級。

 

　　這個是我們推薦的一種控制模式，可以發(fā)現(xiàn)最大的就是控制器這一塊不僅有常規(guī)控制器，還有交叉環(huán)流和零序環(huán)流的控制器，對于母線的控制上常規(guī)的PI控制進行一個升級。整體的解決方案就是首先在常規(guī)電流控制基礎上并聯(lián)零序/交叉環(huán)流控制器，解除控制鍵的耦合效應，最終實現(xiàn)環(huán)流有效抑制，單位全隔離、半隔離相同的輸出特性；我們采用的三維調(diào)制技術(shù)；最后一個是和高校合作把自抗擾控制技術(shù)應外在母線電壓控制環(huán)，實現(xiàn)靜動態(tài)條件下有效抑制母線電壓波動，進一步抑制系統(tǒng)環(huán)流。

 

　　最后說一下瑞能的兩個案例。

 

　　一個是我們基于這種不共母線的拓撲方案開發(fā)出3-7MW的全功率的變流器，這種變流器是支撐無隔離的變流方案，我們以1.5MW和2MW為最小的交直交單元，最大可以擴容到6并聯(lián)，也就說這款變流器最大可以擴到12MW，而且1.5和2MW長期在場，整體的效率因為我們采用調(diào)制算法效果可以達到97.8%，這是我們經(jīng)過第三方的測試得出的結(jié)論，同時功率偏差很低。

 

　　另一款就是三電平的控制器，是共母線的并聯(lián)拓撲，同樣支持無隔離的方案，都可以用于無隔離、半隔離、全隔離，就是我的機側(cè)單一繞組也沒有問題，可以看到這些共母線設計做到效率、功率偏差、中點定位統(tǒng)一的優(yōu)化，這是共母線所能達到的更好的效果，而不共母線3.0達不到這種效果。

 

　　最后做一下總結(jié)。

 

　　首先并聯(lián)技術(shù)我們認為適用于中低壓的場合，易于產(chǎn)品的快速設計、物料歸一化，最終給客戶帶來更大的收益；還有功率拓撲方面，無隔離系統(tǒng)兼容性高、并聯(lián)擴展性強；其中，兩電平拓撲推薦不共母線；三電平推薦共母線；控制系統(tǒng)方面隨著并聯(lián)數(shù)量和性能精度要求的提升，我們推薦無主從對等式的控制器方式解決上述的問題。而在算法方面無隔離的系統(tǒng)有一個問題就是環(huán)流問題突出，我們對電流內(nèi)環(huán)、母線外環(huán)及調(diào)制方法做多元優(yōu)化可有效抑制系統(tǒng)環(huán)流；最后基于大功率并聯(lián)技術(shù)開發(fā)690V3-7MW系列兩電平和1140V4-10MW的三電平技術(shù)。

 

　　（內(nèi)容來自現(xiàn)場速記，未經(jīng)本人審核）