本文介绍了多电平高压变频器的原理及其在某公司风力发电机组全功率实验系统中的应用情况，提出了高压变频器应用于该实验台的设计方案。根据设计方案建设的3 MW风力发电机组全功率实验台，经大量实验验证后，投入到风力发电机组的出厂实验和老化实验中。经应用实践表明，风力发电机组全功率实验系统采用高压变频器驱动原动机后，取得了很好的应用效果，同时拓宽了多电平单元串联高压变频器的应用领域。
1 引言
作为一种清洁的可再生能源，风能受到各国的重视。风电是风能利用的主要形式，在各类新能源中，风力发电技术相对成熟且最具大规模商业开发条件，成本相对较低，发展速度最快，产业前景最好。风力发电在可再生能源发电技术中成本最接近常规能源，成为产业化发展最快的清洁能源。
目前，风力发电机组类型主要有双馈型、半直驱型和直驱型。每种风力发电机组在运输到风场前，都要经过厂内的全功率实验考核。风力发电机组有多种全功率实验方法，这里结合3 MW半直驱型风力发电机组全功率实验台设计方案和应用案例，介绍了一种在实验系统中拖动风力发电机运转的原动机采用高压变频器驱动的方法。
2 实验系统介绍
风力发电机组全功率实验台包括原动机、齿轮箱、风力发电机、并网变频器及驱动原动机的可变频调速的变频器等设备。原动机在系统中带动发电机旋转，通过可变频调速的变频器调节原动机的转速，使发电机可在不同转速下运行，模拟现场风轮驱动发电机的运行特性。
风力发电机组的实验系统耗电量较大，在设计时需考虑系统的节能。通常采用能量回馈循环再利用的方式，即让风力发电机发出的电能回送到电网，原动机再利用这部分电能。这样系统就可尽量少用外部输入的电能，外部输入电能仅需补充整个实验系统的损耗即可达到用电量最小的目的。由于风力发电机组均配置有并网变频器，因此，整个实验系统无需增加额外的并网设备即可实现将电能回馈到电网。
大型工厂中，用电设备数量多，设备容量较大。因此，供电部门送到用户端的电源电压等级一般为高压10 kV，而风力发电机组常见的输出电压等级为低压690 V或其他，3 MW风力发电机组的额定并网电压为620 V。这样在实验系统中就形成了一个两级电网，在该电网中，可将能量回馈设置在10 kV级或620 V级。10 kV级为厂用电的入口级，除了给风力发电机组实验供电外，还可能给其他设备供电，因此，若在10 kV级实现能量回馈，则可能对其他设备的用电产生一定影响。同时，由于电压等级较高，导致实验系统的建设成本较高；若在620 V级实现能量回馈，由于这部分电源仅给风力发电机组实验系统供电，还有10 kV／620 V降压变压器的隔离，可使风力发电机组在实验时对其他设备的用电影响最小。同时，电压等级的大幅降低，将大大降低实验系统的建设成本。
传统的低压原动机和低压变频器驱动的组合方式，在故障维护成本和响应时间等方面存在一定的局限性。随着现代电力电子技术和微电子技术的发展，多电平高压变频技术已经非常成熟，它能输出完美的正弦波，所以可利用高压变频器为风力发电机组全功率实验系统提供变频电源的方法，即采用多电平高压变频器替代低压变频器，原动机选择高压电动机。目前国内高压变频器的容量设计水平可达到20 MW以上，且技术非常成熟，应用非常广泛，维护成本低，响应快速。这里选择了在技术含量及综合成本上均有较大优势的以高压变频器为主体的技术方案。
3 设计方案
3．1 高压变频器选型
3 MW半直驱型风力发电机组全功率实验台配置一台4 MW／6 kV高压原动机，由于风力发电机组在出厂实验中需进行过载实验，故高压变频器的额定容量配置为5 MVA。风力发电机组并网电压为620 V，能量回馈循环利用在620 V级电网实现，故需将驱动高压原动机的变频器额定输入电压设为620 V。高压变频器的额定输出电压为6 kV，三相共采用24个IGBT功率单元模块串联组成多电平高压变频器。
3．2 系统方案
根据实验台设计的实际情况，系统方案在风力发电机组并网电压620 V，能量回馈在620 V级电网下实现。系统中，10 kV／50 Hz电源经10 kV／620 V降压变压器后，直接输入到高压变频器输入端，经高压变频器变换后，为高压原动机提供变频电源，高压原动机即可实现调速运行。再通过传动链带动风力发电机在不同转速下运行，发出的电能经风机并网变频器回馈到620 V电网。整个能量回馈循环系统可模拟风力发电机在风场不同转速下的运行模式，并可进行各种实验。
同时，高压变频器的输出频率是可调节的，因此，可让高压原动机实现变频调速运行，既可节能，又可达到让发电机模拟现场风速变化时各种运行模式的目的。
4 高压变频器的组成和原理
MLVERT-D系列高压变频器变频器运行稳定，输出正弦波形好，效率高；对电网谐波污染小，THD<4％，满足IEEE519-1992的谐波抑制标准：输入电流功率因数高，不必采用功率因数补偿装置；输出波形好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出du／dt、共模电压等问题。
4．1 输入输出方式
高压变频器常用“高-高”的输入输出方式。在3 MW风力发电机组全功率实验系统中，发电机的并网额定电压为620 V。若在620 V级电网实现能量回馈，对于高压变频器，需改为“低-高”方式，即低压620 V直接输入，高压6 kV直接输出。图1示出高压变频器的主电路原理图。
4．2 输入变压器
MLVERT-D系列高压变频器的输入侧隔离变压器采用移相式变压器，初级绕组为620 V，次级为三相24个绕组。每个绕组采用延边三角形接法，分成8个不同的相位组，移相角分别为±3．75°，±11．25°，±18．75°，±26．25°，形成48脉波的二极管整流电路结构。每个次级绕组接一个功率单元，该移相接法可有效消除47次以下的谐波。对电网谐波污染小，满足IEEE519-1992的谐波抑制标准。
4．3 功率单元
电网输入的三相620 V／50 Hz交流电经输入变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构。相邻功率单元的输出端串接，形成Y接结构，实现变压变频的直接输出。6 kV／50 Hz输出电压每相由8个额定电压为433 V的功率单元串联得到，输出相电压3．464 kV，线电压可达6 kV，为高压原动机提供变频电源。
每个功率单元采用电压源型结构，直流环节为滤波电容，负载设备所需的无功功率由电容提供，无需和电网交换。变频器输入功率因数高，可保持在0．96以上，且在整个速度范围段内基本保持不变，无需采用功率因数补偿装置。
每个功率单元通过光纤通讯接收主控系统发送的调制信息，以产生负载设备需要的电压和频率，而功率单元的状态信息也通过光纤反馈给主控系统，由主控系统进行统一控制。该光纤是模块与主控系统之间的唯一连接，因而每个功率单元与主控系统是完全电气隔离的。
4．4 高压变频器PWM技术
高压变频器的PWM技术决定功率变换能否实现，且对变频器输出电压波形的质量、电路中有源和无源器件的应力、系统损耗的减少及效率的提高等方面都有直接影响。MLVERT-D系列高压变频器采用了移相式多电平PWM技术，它是传统的两电平PWM技术的扩展，也是PWM技术与多重化技术的有机结合。
5 实验结果
3 MW风力发电机组全功率实验台按照前述设计方案进行建设，其主电路系统如图2所示。
由图2可见，实验台工作时，电网电压10 kV／50 Hz电源经降压变压器后，进入与高压变频器配套变比为620 V／450 V的干式移相变压器，移相变压器低压侧共有24个绕组，为高压变频器逆变侧提供约450 V电源。高压变频器得电后，控制部分通过发出SPWM波来导通／封锁每个模块逆变侧输出，由于高压变频器采用多单元串联模式，每相采用8个模块串联，模块逆变侧输出叠加后形成了无谐波的正弦波。高压变频器输出电压uo，输出电流io波形如图3所示，其中，电压波形为经过变比为100：1的电压互感器降压后的测试结果。
按风力发电机的功率曲线，将发电机需要进行实验的各个转速点与高压变频器的输出频率建立对应关系。在实验台工作时，只需设置高压变频器的对应运行频率，就可让风力发电机在预期转速下运行。实验结果验证了高压变频器应用在风力发电全功率实验台上这种设计方案的可行性，该实验台于2011年5月开始正式投入3 MW风力发电机组批量生产的出厂实验及老化实验。
6 结论
3 MW半直驱型风力发电机组全功率实验台中的高压变频器，自2011年投运以来，运行稳定，并取得了预期效果。之后该技术推广到1．5 MW和2 MW双馈型风力发电机组的全功率实验系统中，运行效果很好。经实践证明，多电平高压变频器可应用于传统的节能降耗行业，同样可应用于变频电源领域。在应用过程中，既可实现节能，又可实现调速运行，因此，它特别适合于能量回馈再利用的变频电源领域。
同时，高压变频器的“低-高”方式是在风力发电机组全功率实验台设计应用中得出的一种较特殊的输入输出方式，它打破了高压变频器“高-高”的应用模式，在应用方式上实现了创新，这种应用方式可拓宽到其他各种行业的电源领域。
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