Freqcon-變流器介紹課件

國產(chǎn)Freqcon變流培訓(xùn)課件金風(fēng)科技培訓(xùn)中心2012年2月

國產(chǎn)Freqcon變流培訓(xùn)課件金風(fēng)科技培訓(xùn)中心201課程大綱一Freqcon變流器簡介

1.1變流器概述1.2變流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二Freqcon變流主電路功能和設(shè)計2.1變流器主回路拓撲2.2變流器主回路參數(shù)設(shè)計2.3變流器主回路控制器設(shè)計

三Freqcon變流邏輯功能和保護3.1變流器啟動邏輯、故障停機邏輯3.2變流器故障保護課程大綱一Freqcon變流器簡介一Freqcon變流器簡介1.1變流器概述Freqcon系統(tǒng)的原型是金風(fēng)公司于2005年從德國Vensys公司引進的1.2MW風(fēng)力機組中的電控系統(tǒng)，2006年金風(fēng)在新疆達坂城風(fēng)電場安裝了3臺1.5MW的這種設(shè)計的機組，這可以說是金風(fēng)最早的1.5MW風(fēng)機電控原型。因為該系統(tǒng)是設(shè)計公司Vensys在一家名為FreqconGmbH的電控公司開發(fā)生產(chǎn)的，而當時的圖紙和機組都采用了Freqcon這個名字，所以，2008年國產(chǎn)化項目組在原有設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行了重新設(shè)計、選型改造等技術(shù)工作，有了今年批量生產(chǎn)的機組，而名稱也就沿用了下來。整個電控系統(tǒng)包括塔架下面的變流器和主控系統(tǒng)；機艙里面的控制柜、發(fā)電機開關(guān)柜，及各種傳感器設(shè)備；輪轂的變槳控制系統(tǒng)。

主要介紹國產(chǎn)Freqcon變流器這一部分，也就是包含了塔架下面的全部以及發(fā)電機開關(guān)柜。一Freqcon變流器簡介1.1變流器概述Freqcon變流器是以——被動整流＋斬波升壓＋PWM逆變器為拓撲的全功率變流器基本參數(shù)：額定功率——1500kW,額定視在功率——1580kW

適合接入電網(wǎng)——50/60Hz620VAC(+/-10%)標準功率因數(shù)——1.0，無功功率范圍-0.95~+0.95（-500~+500Kvar）

長時運行無功功率范圍-0.995~+0.995（-150~+150Kvar）運行溫度(外界環(huán)境)——-30~50

風(fēng)冷散熱方式PLC控制ProfibusDP/光纖通信Freqcon變流器是以——被動整1.2變流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2變流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各部分簡介變壓器支架

620/400V自耦變壓器——提供機組動力用電和控制用電。總?cè)萘?0KVA，副邊22.4KVA提供主控柜，變流柜用電。17.5KVA提供機艙用電。IGBT2冷卻風(fēng)扇——風(fēng)冷系統(tǒng)循環(huán)動力風(fēng)機內(nèi)部干式變壓器IGBT2冷卻風(fēng)扇各部分簡介風(fēng)機內(nèi)部干式變壓器IGBT2冷卻風(fēng)扇制動電阻制動電阻箱——消耗直流母線上過高的能量。網(wǎng)側(cè)故障后的能量消耗，低電壓穿越。低電壓穿越：1500KW*0.625s制動電阻制動電阻箱——消耗直流母線上過高的能量。電抗器支架

網(wǎng)側(cè)空開——風(fēng)機的并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制。過流、短路等保護功能。注意保護后復(fù)位按鈕彈出需回復(fù)。電流互感器——完成電流變送。變比：1/2000。原理：二次側(cè)短路的特殊變壓器，二次側(cè)相當于一個電壓源。3組（六個）交流電抗器——與網(wǎng)側(cè)電容、變壓器構(gòu)成LCL濾波。3個直流電抗器——直流斬波升壓電抗器。電抗器支架變流柜變流柜由低壓配電柜、主控柜、IGBT柜1、IGBT柜2、電容柜5部分組成。變流柜IGBT模塊圖

每只IGBT模塊包含一個智能半橋模塊（半橋由串聯(lián)的兩個IGBT和與之反并聯(lián)的二極管組成，分別稱為上橋臂和下橋臂）、16只支撐電容、4只吸收電容、4只均壓電阻、1塊過壓保護板、直流端2只快熔組成。IGBT模塊圖變流控制器及信號走線：變流控制器及信號走線：二Freqcon變流主電路功能和設(shè)計2.1變流器主回路拓撲

Freqcon變流器主電路二Freqcon變流主電路功能和設(shè)計2.1變流器Freqcon變流器主要元器件與電路拓撲對照圖Freqcon變流器主要元器件與電路拓撲對照圖主回路拓撲功能Freqcon變流器采用二極管整流+BOOSTDC/DC變換+逆變的AC-DC-AC電力變換形式。整個電路可分為兩個部分：整流和逆變。通過二極管整流將發(fā)電機發(fā)出的不穩(wěn)定的交流電（1.5MW電機轉(zhuǎn)速0～17.3rpm，電機電壓0～720Vac,電壓頻率0～12.7Hz）變換成直流電；再通過逆變單元，把直流電逆變成與電網(wǎng)電壓、頻率、相位相匹配的交流電送入電網(wǎng)逆。下面分別簡單介紹主電路各部分的功能：1電機側(cè)功率補償電容由于Freqcon變流器采用被動整流模塊，對于發(fā)電機而言變流器系統(tǒng)可以近似為一個RCD非線性負載。電機側(cè)補償電容的功能是為了提高對非線性負載虛功的補償，從而使發(fā)電機端功率因數(shù)近似為1（即發(fā)電機電壓與電流同相位），從而提高系統(tǒng)利用率。2二極管整流Freqcon采用兩套三相全橋不可控整流方式，將發(fā)電機發(fā)出的電壓和頻率不穩(wěn)定的交流電變換成直流電，與全橋并聯(lián)的電容起到平波的作用。由于采用的是二極管整流，能量無法雙向流動，因此Freqcon變流器不能實現(xiàn)電機的反向拖動。二極管整流后電壓與發(fā)電機轉(zhuǎn)速及功率有關(guān)。主回路拓撲功能

3斬波升壓風(fēng)電系統(tǒng)中，變流器發(fā)電機側(cè)電路的主要功能是從發(fā)電機最大可能的拉取功率，注入直流母線。這里涉及的控制問題主要有兩個：控制升壓電流為給定直流量，以保證發(fā)電機運行的穩(wěn)定性；設(shè)定Boost電流參考，保證風(fēng)力發(fā)電機工作在最大功率點附近（或按照設(shè)定功率曲線運行）。在我們的系統(tǒng)中，設(shè)定Boost電流參考，保證系統(tǒng)工作按照設(shè)定功率曲線運行的功能由主控GH策略完成。主控根據(jù)GH策略計算得到的發(fā)電機所需扭矩×發(fā)電機轉(zhuǎn)速/二極管整流后電壓，即得到Boost電流設(shè)定，并通過通訊電纜將設(shè)定指令傳遞給變流器?？刂粕龎弘娏鳛榻o定直流量，保證發(fā)電機運行的穩(wěn)定性則由這里的斬波升壓電路實現(xiàn)。Freqcon變流器采用了boost直流升壓斬波電路，斬波升壓輸出側(cè)直接與網(wǎng)側(cè)逆變直流側(cè)相連，并聯(lián)三重斬波(載波相位相差120°)方式減小了發(fā)電機側(cè)和逆變側(cè)的電流波動。

斬波升壓三支IGBT模塊（IGBT1～IGBT3），只有下橋臂和上橋臂反并聯(lián)的二極管起作用。3斬波升壓并聯(lián)的支撐電容（實際中分散在各個模塊內(nèi)部）中點與“地”相連，將直流母線電壓分成+/-600Vdc，構(gòu)成了三相四線制逆變器拓撲電路的中性點。

4制動單元正常運行時，當變流器檢測到直流母線電壓過高（超過+/-610Vdc），制動單元工作，通過制動電阻（與IGBT4模塊上橋臂并聯(lián)，上橋臂不作用）、IGBT4模塊下橋臂，釋放直流母線上過多的能量，維持母線電壓。

變流器檢測到低電網(wǎng)電壓低于額定電壓90%時，向主控發(fā)送低電壓穿越標志位，進入低電壓穿越狀態(tài)；若變流未給出低電壓穿越標志位（未檢測到電網(wǎng)電壓跌落），主控會報電網(wǎng)電壓低故障。

線電壓跌落幅值(p.u.)電壓跌落持續(xù)時間(ms)0.9020000.7517050.5012140.359200.20625并聯(lián)的支撐電容（實際中分散在各個模塊內(nèi)部）中點與永磁同步發(fā)電機電機側(cè)斷路器整流器直流支撐電容制動電阻逆變器升壓變壓器低壓側(cè)斷路器或隔離開關(guān)升壓變壓器升壓變壓器高壓側(cè)斷路器風(fēng)機輔助電源風(fēng)電場電網(wǎng)葉輪系統(tǒng)故障電壓降低葉輪轉(zhuǎn)速不變整流器，傳動系統(tǒng)，發(fā)電機運行狀態(tài)不變電磁扭矩=機械扭矩輸入功率Pgen>輸出功率Pgrid直流電容電壓抬高Pgrid，QgridPgen直流電容左側(cè)處于正常運行方式制動單元工作；制動電阻放點Pgen=Pgrid+PresistorQgrid：無功電流，支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)網(wǎng)側(cè)控制短路電流恒定直流電容電壓恢復(fù)正常Pgen=Pgrid+Presistor故障消失電壓正常直流電容右側(cè)恢復(fù)到正常運行方式低電壓穿越過程結(jié)束Presistor永磁同步發(fā)電機電機側(cè)斷路器整流器直流支撐電容制動電阻逆變器升5放電回路放電回路是在變流器停機后將母線上殘留的能量通過放電電阻消耗掉，保護機械設(shè)備和人身安全。其本質(zhì)是給母線上的電容放電，放電回路在變流器運行期間不起作用。

6網(wǎng)側(cè)逆變變流器網(wǎng)側(cè)電路的主要功能是穩(wěn)定直流母線電壓在設(shè)定工作點，同時向電網(wǎng)輸送電能。逆變單元是三相全橋有源逆變，將直流電轉(zhuǎn)變成頻率為50Hz電壓為620V，相位與電網(wǎng)同相位的穩(wěn)定的交流電，再經(jīng)過變壓器與電網(wǎng)相連。網(wǎng)側(cè)六支IGBT模塊構(gòu)成三相，每相兩支通過網(wǎng)側(cè)電抗器相連。同相兩支IGBT模塊載波信號有180°的相差，用以減少匯入電網(wǎng)的諧波電流。

7預(yù)充電回路在閉合網(wǎng)側(cè)空開之前，需要給直流母排進行預(yù)充電，因為直流母排上帶有大容量電容器，若不預(yù)充電，則在閉合網(wǎng)側(cè)空開時會對變流系統(tǒng)及電網(wǎng)造成很大的電流沖擊。預(yù)充電時，預(yù)充電繼電器動作預(yù)充電回路閉合。網(wǎng)側(cè)620Vac通過限流電阻、網(wǎng)側(cè)電抗、網(wǎng)側(cè)逆變單元來給直流母線充電。在此過程中，與網(wǎng)側(cè)IGBT反并聯(lián)的二極管起到整流二極管的作用。在母線電壓達到+/-420Vac,網(wǎng)側(cè)主空開閉合預(yù)充電完成。

5放電回路2.2變流器主回路參數(shù)設(shè)計1電機側(cè)補償電容參數(shù)由于Freqcon1.5MW變流器電機側(cè)采用被動整流模式，電機側(cè)補償電容的作用是為了補償非線性負載消耗的虛功，提高發(fā)電機輸出功率因數(shù)。目前Freqcon1.5MW變流器采用的補償電容配置在整個運行功率段是固定不變的，其參數(shù)的設(shè)計很難嚴格計算得到，而是通過系統(tǒng)仿真獲得的。這里對電機側(cè)補償電容的配置需要注意的是，補償電容的容量并不是越大越好。如果選擇過大的補償電容配置，會造成發(fā)電機端電壓過高，從而造成整流后電壓高于直流母線電壓，Boost電流實際不可控的情況，影響系統(tǒng)的正常運行。2直流母線電容參數(shù)直流母線電容為系統(tǒng)提供必要的惰性環(huán)節(jié)，以保證母線電壓的穩(wěn)定，為Boost電流和并網(wǎng)電流的控制提供基礎(chǔ)。直流母線電容參數(shù)的選擇則是要在系統(tǒng)足夠惰性，保證穩(wěn)定運行，與系統(tǒng)成本之間進行折中。2.2變流器主回路參數(shù)設(shè)計3母線電壓選擇直流母線電壓的選擇受到系統(tǒng)并網(wǎng)拓撲形式、并網(wǎng)阻抗、并網(wǎng)虛功與實功電流等級，以及網(wǎng)側(cè)電壓等級的約束。具體條件如下圖所示。要求是3母線電壓選擇4LCL并網(wǎng)濾波器參數(shù)傳統(tǒng)的并網(wǎng)電流濾波器多數(shù)采用單電感形式，隨著并網(wǎng)標準的提高，如果要滿足對并網(wǎng)電流紋波的要求，則必須采用更大的濾波電感，這就造成濾波器體積以及發(fā)熱量的增加，同時影響系統(tǒng)的動態(tài)相應(yīng)速度，降低直流母線電壓的利用率。采用LCL濾波器的目的就在于通過高階濾波器的作用，更大程度的濾除開關(guān)頻率紋波，同時不必采用太大的電感。4LCL并網(wǎng)濾波器參數(shù)2.3變流器主回路控制器設(shè)計Boost電流控制：

風(fēng)電系統(tǒng)中，變流器發(fā)電機側(cè)電路的主要功能是從發(fā)電機最大可能的拉取功率，注入直流母線。這里涉及的控制問題主要有兩個：控制升壓電流為給定直流量，以保證發(fā)電機運行的穩(wěn)定性；設(shè)定Boost電流參考，保證風(fēng)力發(fā)電機工作在最大功率點附近（或按照設(shè)定功率曲線運行）；在我們的系統(tǒng)中，設(shè)定Boost電流參考，保證系統(tǒng)工作按照設(shè)定功率曲線運行的功能由主控GH策略完成。主控根據(jù)GH策略計算得到的發(fā)電機功率設(shè)定，除以變流器整流電壓，即得到Boost電流設(shè)定，PLC并通過通訊將設(shè)定指令傳遞給變流器控制器，這里不予贅述。

發(fā)電機輸出經(jīng)不可控整流后，經(jīng)過Boost升壓電路注入直流母線電容，此處的控制目標是將電感電流控制為給定直流量。2.3變流器主回路控制器設(shè)計網(wǎng)側(cè)逆變器控制：變流器網(wǎng)側(cè)電路的主要功能是穩(wěn)定直流母線電壓在設(shè)定工作點，同時向電網(wǎng)輸送電能，還包括對電網(wǎng)故障的偵測以及電網(wǎng)故障狀態(tài)下的運行策略。這里涉及的控制問題主要有：直流母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定工作點，給定并網(wǎng)電流設(shè)定；控制并網(wǎng)電流為給定交流量，保證與電網(wǎng)電壓的同步，以及電流波形的質(zhì)量。Freqcon1.5MW變流器目前所使用的數(shù)字變流板，對并網(wǎng)電流的控制回路還存在電網(wǎng)電壓的前饋控制。增加前饋控制回路后新的平均電流模型與電網(wǎng)電壓無關(guān)，從而消除了電網(wǎng)電壓擾動對并網(wǎng)電流控制的干擾。

前饋反饋控制的原理：前饋控制又稱擾動補償，它與反饋調(diào)節(jié)原理完全不同，是按照引起被調(diào)參數(shù)變化的干擾大小進行調(diào)節(jié)的。在這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中要直接測量負載干擾量的變化，當干擾剛剛出現(xiàn)并能被測出時，調(diào)節(jié)器就能發(fā)出調(diào)節(jié)信號使調(diào)節(jié)量作相應(yīng)的變化，使兩者在被調(diào)量發(fā)生偏差之前抵消。因此，前饋調(diào)節(jié)對干擾的克服比反饋調(diào)節(jié)及時。網(wǎng)側(cè)逆變器控制：鎖相：通過對三相電網(wǎng)電壓信號的檢測，獲得電網(wǎng)電壓頻率和相位信息，產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同相位的正弦波信號，作為并網(wǎng)電流控制的基準。目前Freqcon1.5MW變流器采用的數(shù)字變流板鎖相回路，包含信號源、鑒相器、信號發(fā)生器、反饋電路等幾個部分。電路信號源為網(wǎng)側(cè)電壓信號，由電子開關(guān)S1和信號源組成鑒相器。鑒相信號作為信號反饋電路的輸入信號，反饋電路的輸出對正弦信號發(fā)生器進行校正，從而使信號發(fā)生器發(fā)生信號與信號源形成了相位及頻率關(guān)系恒定的鎖相信號SIN。鎖相控制器對電網(wǎng)三相電壓采樣信號處理后，得到三個相位差120度的鎖相環(huán)信號SIN1/SIN2/SIN3，利用這三個正弦信號，通過三角函數(shù)運算即可得到三個移相90度的余弦信號COS1/COS2/COS3，這6個信號將作為逆變電流的參考波形使用。鎖相：直流母線電壓控制Freqcon1.5MW變流器中，網(wǎng)側(cè)逆變器的控制目標不僅包含對并網(wǎng)電流波形的控制，還包含對直流母線電壓的控制。正負母線電壓差的控制Freqcon1.5MW變流器網(wǎng)側(cè)采用三相四線架構(gòu)逆變器，因此不僅需要控制直流母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定值，還需要控制正負母線電壓差，保持正負母線電壓的平衡。并網(wǎng)虛實功的控制通常情況下，變流器并網(wǎng)無功設(shè)定為零，但是在某些情況下（例如，低電壓穿越）系統(tǒng)要求提供一定的并網(wǎng)無功電流，這就需要給定一個無功電流的設(shè)定參考。對于Freqcon1.5MW變流器，上述無功電流的參考設(shè)定是由主控PLC給定的。主控對于并網(wǎng)無功電流參考的控制器為一個簡單的積分環(huán)控制。綜上，我們可以看到并網(wǎng)電流的設(shè)定由三部分疊加組成：由直流母線電壓控制器產(chǎn)生的并有實功電流設(shè)定；正負母線電壓差控制器產(chǎn)生的并網(wǎng)電流直流設(shè)定；由并網(wǎng)無功控制器產(chǎn)生的并網(wǎng)無功電流設(shè)定。

直流母線電壓控制三Freqcon變流邏輯功能和保護3.1變流器啟動邏輯、故障停機邏輯

變流器啟動邏輯三Freqcon變流邏輯功能和保護3.1變流Freqcon-變流器介紹課件主控發(fā)出Converter_on信號后，直流母線放電電阻斷開，預(yù)充電電阻閉合，變流器開始預(yù)充電過程。正負母線電壓高于420V后，網(wǎng)側(cè)斷路器閉合（網(wǎng)側(cè)斷路器閉合后，預(yù)充電電阻被短接，直流母線會進一步上升），預(yù)充電過程完成，變流器返回Converter_ready信號給主控。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速后，主控發(fā)出Converter_enable信號，變流器開始調(diào)制運行。這里需要強調(diào)的是，預(yù)充電過程會進行計時，在設(shè)定時間內(nèi)母線電壓未上升到設(shè)定點，則表明預(yù)充電失敗，變流器反饋錯誤信號給主控。預(yù)充電超時保護的設(shè)置是為了對系統(tǒng)接線錯誤和某些電網(wǎng)故障進行保護，避免上述情況下造成系統(tǒng)損傷。主控發(fā)出Converter_on信正常停機邏輯正常停機邏輯故障停機邏輯故障停機邏輯這里需要注意的是：

變流器在正常停機情況下僅停止IGBT調(diào)制，而并不會斷開網(wǎng)側(cè)（和電機側(cè)）斷路器和預(yù)充電電阻。這樣的設(shè)置是由于框架斷路器的動作次數(shù)有壽命限制，在由于風(fēng)速降低等原因造成的變流器正常停機時應(yīng)避免斷路器的動作造成器件壽命縮短。而在故障情況下，則需要斷開電機側(cè)和網(wǎng)側(cè)斷路器，同時斷開預(yù)充電電阻，放電電阻閉合，以隔離系統(tǒng)各部分，盡快泄放母線電壓，起到對系統(tǒng)的保護作用。變流器采樣包括以下三類：1控制量的采樣：包括電網(wǎng)電壓、IGBT電流、并網(wǎng)電流、正負直流母線電壓、整流電壓。其中電網(wǎng)電壓、IGBT電流、正負直流母線電壓、整流電壓用于變流板控制和本地監(jiān)控，并網(wǎng)電流會送到主控，用于系統(tǒng)監(jiān)控和并網(wǎng)虛功控制；2溫度采樣：包括IGBT溫度、電抗器溫度、IGBT柜和電容柜柜內(nèi)溫度。主要用于對系統(tǒng)運行溫度的監(jiān)控；3邏輯量采樣：包括系統(tǒng)斷路器和繼電器的反饋、風(fēng)扇反饋等，用于監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)；

這里需要注意的是：3.2變流器故障保護Freqcon1.5MW變流器的故障保護可以分為兩類，

變流板本地進行的保護和主控進行的保護：1變流板對本地快速信號進行保護，包括IGBT故障、IGBT過流、母線過壓/欠壓保護等，上述故障發(fā)生時變流器閉鎖IGBT調(diào)制信號，同時發(fā)送變流器故障信號給主控。2主控則主要進行慢速信號的保護，包括溫度保護（包括IGBT溫度和電抗器溫度）、并網(wǎng)虛/實功超限故障，以及散熱風(fēng)扇運行故障監(jiān)控等。上述的區(qū)分主要是基于時間性的劃分：對于電流、電壓等快速變化的信號在本地由變流板進行保護（模擬變流板的采樣是實時的，不會由于采樣周期的問題早上上述故障的擴大），而對于溫度等變化速度較慢的信號，則由主控進行保護（主控對上述信號的采樣周期為20ms，處理周期可能會更慢，由于上述信號的變化都較慢，并不會由于采樣間隔造成系統(tǒng)狀態(tài)的迅速惡化）。3.2變流器故障保護變流板故障邏輯變流板工作時，若某IGBT報error，那么是通過主控軟件來停止其向啟動狀態(tài)過度，在converter啟動過程中就不再考慮各個error；若運行過程中間出現(xiàn)IGBT的error，主控會報錯停止風(fēng)機正常工作，從而converter也會隨之停止，該error會隨著converteron信號的電平變低鎖存在硬件上，通過指示燈可以看到。變流板故障邏輯Freqcon1.5MW變流器在對功率模塊的硬件保護中采用了一種較為獨特的結(jié)構(gòu)在Freqcon1.5MW變流器中，快速熔斷器被安裝在各個模塊的正負母線連接端，而不是安裝在交流網(wǎng)側(cè)或電機側(cè)。這樣做的優(yōu)點在于無論是功率模塊內(nèi)故障，或者交流側(cè)故障造成的短路，都可以得到有效的保護，同時各個模塊間的故障被有效隔離，不會由于模塊間故障的傳播造成系統(tǒng)的大面積損壞。同時，這里采用交流熔斷器應(yīng)用于直流側(cè)，避免的了采用直流熔斷器造成的體積過大和成本上升。過壓保護板起到多一級的母線過壓保護。Freqcon1.5MW變流器在對功率模塊的硬總結(jié)1采用被動整流，電機側(cè)電流為連續(xù)量，而不是高頻開關(guān)量，因此系統(tǒng)du/dt很低du/dt，就是指的電壓變化率，是衡量電壓突變的一個指數(shù)；du是電壓變化量，dt指的是IGBT的由關(guān)閉大完全開通的時間，

接近于零。2采用三相四線制，直流母線中點接地，因此系統(tǒng)由于調(diào)制造成的共模電壓大大降低。3被動整流+Boost升壓電路的架構(gòu)使得電機側(cè)控制簡化，不需要復(fù)雜的發(fā)電機轉(zhuǎn)速

和磁場估計算法。4Freqcon變流IGBT功率模塊由變流控制器集中控制模塊只是執(zhí)行部分，處理故障時

故障區(qū)域辨別比較容易，維護時也比較方便。總結(jié)1采用被動整流，電機側(cè)電流為連續(xù)量，而不是高頻開關(guān)量，國產(chǎn)Freqcon變流培訓(xùn)課件金風(fēng)科技培訓(xùn)中心2012年2月

國產(chǎn)Freqcon變流培訓(xùn)課件金風(fēng)科技培訓(xùn)中心201課程大綱一Freqcon變流器簡介

1.1變流器概述1.2變流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二Freqcon變流主電路功能和設(shè)計2.1變流器主回路拓撲2.2變流器主回路參數(shù)設(shè)計2.3變流器主回路控制器設(shè)計

三Freqcon變流邏輯功能和保護3.1變流器啟動邏輯、故障停機邏輯3.2變流器故障保護課程大綱一Freqcon變流器簡介一Freqcon變流器簡介1.1變流器概述Freqcon系統(tǒng)的原型是金風(fēng)公司于2005年從德國Vensys公司引進的1.2MW風(fēng)力機組中的電控系統(tǒng)，2006年金風(fēng)在新疆達坂城風(fēng)電場安裝了3臺1.5MW的這種設(shè)計的機組，這可以說是金風(fēng)最早的1.5MW風(fēng)機電控原型。因為該系統(tǒng)是設(shè)計公司Vensys在一家名為FreqconGmbH的電控公司開發(fā)生產(chǎn)的，而當時的圖紙和機組都采用了Freqcon這個名字，所以，2008年國產(chǎn)化項目組在原有設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行了重新設(shè)計、選型改造等技術(shù)工作，有了今年批量生產(chǎn)的機組，而名稱也就沿用了下來。整個電控系統(tǒng)包括塔架下面的變流器和主控系統(tǒng)；機艙里面的控制柜、發(fā)電機開關(guān)柜，及各種傳感器設(shè)備；輪轂的變槳控制系統(tǒng)。

主要介紹國產(chǎn)Freqcon變流器這一部分，也就是包含了塔架下面的全部以及發(fā)電機開關(guān)柜。一Freqcon變流器簡介1.1變流器概述Freqcon變流器是以——被動整流＋斬波升壓＋PWM逆變器為拓撲的全功率變流器基本參數(shù)：額定功率——1500kW,額定視在功率——1580kW

適合接入電網(wǎng)——50/60Hz620VAC(+/-10%)標準功率因數(shù)——1.0，無功功率范圍-0.95~+0.95（-500~+500Kvar）

長時運行無功功率范圍-0.995~+0.995（-150~+150Kvar）運行溫度(外界環(huán)境)——-30~50

風(fēng)冷散熱方式PLC控制ProfibusDP/光纖通信Freqcon變流器是以——被動整1.2變流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2變流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各部分簡介變壓器支架

620/400V自耦變壓器——提供機組動力用電和控制用電。總?cè)萘?0KVA，副邊22.4KVA提供主控柜，變流柜用電。17.5KVA提供機艙用電。IGBT2冷卻風(fēng)扇——風(fēng)冷系統(tǒng)循環(huán)動力風(fēng)機內(nèi)部干式變壓器IGBT2冷卻風(fēng)扇各部分簡介風(fēng)機內(nèi)部干式變壓器IGBT2冷卻風(fēng)扇制動電阻制動電阻箱——消耗直流母線上過高的能量。網(wǎng)側(cè)故障后的能量消耗，低電壓穿越。低電壓穿越：1500KW*0.625s制動電阻制動電阻箱——消耗直流母線上過高的能量。電抗器支架

網(wǎng)側(cè)空開——風(fēng)機的并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制。過流、短路等保護功能。注意保護后復(fù)位按鈕彈出需回復(fù)。電流互感器——完成電流變送。變比：1/2000。原理：二次側(cè)短路的特殊變壓器，二次側(cè)相當于一個電壓源。3組（六個）交流電抗器——與網(wǎng)側(cè)電容、變壓器構(gòu)成LCL濾波。3個直流電抗器——直流斬波升壓電抗器。電抗器支架變流柜變流柜由低壓配電柜、主控柜、IGBT柜1、IGBT柜2、電容柜5部分組成。變流柜IGBT模塊圖

每只IGBT模塊包含一個智能半橋模塊（半橋由串聯(lián)的兩個IGBT和與之反并聯(lián)的二極管組成，分別稱為上橋臂和下橋臂）、16只支撐電容、4只吸收電容、4只均壓電阻、1塊過壓保護板、直流端2只快熔組成。IGBT模塊圖變流控制器及信號走線：變流控制器及信號走線：二Freqcon變流主電路功能和設(shè)計2.1變流器主回路拓撲

Freqcon變流器主電路二Freqcon變流主電路功能和設(shè)計2.1變流器Freqcon變流器主要元器件與電路拓撲對照圖Freqcon變流器主要元器件與電路拓撲對照圖主回路拓撲功能Freqcon變流器采用二極管整流+BOOSTDC/DC變換+逆變的AC-DC-AC電力變換形式。整個電路可分為兩個部分：整流和逆變。通過二極管整流將發(fā)電機發(fā)出的不穩(wěn)定的交流電（1.5MW電機轉(zhuǎn)速0～17.3rpm，電機電壓0～720Vac,電壓頻率0～12.7Hz）變換成直流電；再通過逆變單元，把直流電逆變成與電網(wǎng)電壓、頻率、相位相匹配的交流電送入電網(wǎng)逆。下面分別簡單介紹主電路各部分的功能：1電機側(cè)功率補償電容由于Freqcon變流器采用被動整流模塊，對于發(fā)電機而言變流器系統(tǒng)可以近似為一個RCD非線性負載。電機側(cè)補償電容的功能是為了提高對非線性負載虛功的補償，從而使發(fā)電機端功率因數(shù)近似為1（即發(fā)電機電壓與電流同相位），從而提高系統(tǒng)利用率。2二極管整流Freqcon采用兩套三相全橋不可控整流方式，將發(fā)電機發(fā)出的電壓和頻率不穩(wěn)定的交流電變換成直流電，與全橋并聯(lián)的電容起到平波的作用。由于采用的是二極管整流，能量無法雙向流動，因此Freqcon變流器不能實現(xiàn)電機的反向拖動。二極管整流后電壓與發(fā)電機轉(zhuǎn)速及功率有關(guān)。主回路拓撲功能

3斬波升壓風(fēng)電系統(tǒng)中，變流器發(fā)電機側(cè)電路的主要功能是從發(fā)電機最大可能的拉取功率，注入直流母線。這里涉及的控制問題主要有兩個：控制升壓電流為給定直流量，以保證發(fā)電機運行的穩(wěn)定性；設(shè)定Boost電流參考，保證風(fēng)力發(fā)電機工作在最大功率點附近（或按照設(shè)定功率曲線運行）。在我們的系統(tǒng)中，設(shè)定Boost電流參考，保證系統(tǒng)工作按照設(shè)定功率曲線運行的功能由主控GH策略完成。主控根據(jù)GH策略計算得到的發(fā)電機所需扭矩×發(fā)電機轉(zhuǎn)速/二極管整流后電壓，即得到Boost電流設(shè)定，并通過通訊電纜將設(shè)定指令傳遞給變流器?？刂粕龎弘娏鳛榻o定直流量，保證發(fā)電機運行的穩(wěn)定性則由這里的斬波升壓電路實現(xiàn)。Freqcon變流器采用了boost直流升壓斬波電路，斬波升壓輸出側(cè)直接與網(wǎng)側(cè)逆變直流側(cè)相連，并聯(lián)三重斬波(載波相位相差120°)方式減小了發(fā)電機側(cè)和逆變側(cè)的電流波動。

斬波升壓三支IGBT模塊（IGBT1～IGBT3），只有下橋臂和上橋臂反并聯(lián)的二極管起作用。3斬波升壓并聯(lián)的支撐電容（實際中分散在各個模塊內(nèi)部）中點與“地”相連，將直流母線電壓分成+/-600Vdc，構(gòu)成了三相四線制逆變器拓撲電路的中性點。

4制動單元正常運行時，當變流器檢測到直流母線電壓過高（超過+/-610Vdc），制動單元工作，通過制動電阻（與IGBT4模塊上橋臂并聯(lián)，上橋臂不作用）、IGBT4模塊下橋臂，釋放直流母線上過多的能量，維持母線電壓。

變流器檢測到低電網(wǎng)電壓低于額定電壓90%時，向主控發(fā)送低電壓穿越標志位，進入低電壓穿越狀態(tài)；若變流未給出低電壓穿越標志位（未檢測到電網(wǎng)電壓跌落），主控會報電網(wǎng)電壓低故障。

線電壓跌落幅值(p.u.)電壓跌落持續(xù)時間(ms)0.9020000.7517050.5012140.359200.20625并聯(lián)的支撐電容（實際中分散在各個模塊內(nèi)部）中點與永磁同步發(fā)電機電機側(cè)斷路器整流器直流支撐電容制動電阻逆變器升壓變壓器低壓側(cè)斷路器或隔離開關(guān)升壓變壓器升壓變壓器高壓側(cè)斷路器風(fēng)機輔助電源風(fēng)電場電網(wǎng)葉輪系統(tǒng)故障電壓降低葉輪轉(zhuǎn)速不變整流器，傳動系統(tǒng)，發(fā)電機運行狀態(tài)不變電磁扭矩=機械扭矩輸入功率Pgen>輸出功率Pgrid直流電容電壓抬高Pgrid，QgridPgen直流電容左側(cè)處于正常運行方式制動單元工作；制動電阻放點Pgen=Pgrid+PresistorQgrid：無功電流，支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)網(wǎng)側(cè)控制短路電流恒定直流電容電壓恢復(fù)正常Pgen=Pgrid+Presistor故障消失電壓正常直流電容右側(cè)恢復(fù)到正常運行方式低電壓穿越過程結(jié)束Presistor永磁同步發(fā)電機電機側(cè)斷路器整流器直流支撐電容制動電阻逆變器升5放電回路放電回路是在變流器停機后將母線上殘留的能量通過放電電阻消耗掉，保護機械設(shè)備和人身安全。其本質(zhì)是給母線上的電容放電，放電回路在變流器運行期間不起作用。

6網(wǎng)側(cè)逆變變流器網(wǎng)側(cè)電路的主要功能是穩(wěn)定直流母線電壓在設(shè)定工作點，同時向電網(wǎng)輸送電能。逆變單元是三相全橋有源逆變，將直流電轉(zhuǎn)變成頻率為50Hz電壓為620V，相位與電網(wǎng)同相位的穩(wěn)定的交流電，再經(jīng)過變壓器與電網(wǎng)相連。網(wǎng)側(cè)六支IGBT模塊構(gòu)成三相，每相兩支通過網(wǎng)側(cè)電抗器相連。同相兩支IGBT模塊載波信號有180°的相差，用以減少匯入電網(wǎng)的諧波電流。

7預(yù)充電回路在閉合網(wǎng)側(cè)空開之前，需要給直流母排進行預(yù)充電，因為直流母排上帶有大容量電容器，若不預(yù)充電，則在閉合網(wǎng)側(cè)空開時會對變流系統(tǒng)及電網(wǎng)造成很大的電流沖擊。預(yù)充電時，預(yù)充電繼電器動作預(yù)充電回路閉合。網(wǎng)側(cè)620Vac通過限流電阻、網(wǎng)側(cè)電抗、網(wǎng)側(cè)逆變單元來給直流母線充電。在此過程中，與網(wǎng)側(cè)IGBT反并聯(lián)的二極管起到整流二極管的作用。在母線電壓達到+/-420Vac,網(wǎng)側(cè)主空開閉合預(yù)充電完成。

5放電回路2.2變流器主回路參數(shù)設(shè)計1電機側(cè)補償電容參數(shù)由于Freqcon1.5MW變流器電機側(cè)采用被動整流模式，電機側(cè)補償電容的作用是為了補償非線性負載消耗的虛功，提高發(fā)電機輸出功率因數(shù)。目前Freqcon1.5MW變流器采用的補償電容配置在整個運行功率段是固定不變的，其參數(shù)的設(shè)計很難嚴格計算得到，而是通過系統(tǒng)仿真獲得的。這里對電機側(cè)補償電容的配置需要注意的是，補償電容的容量并不是越大越好。如果選擇過大的補償電容配置，會造成發(fā)電機端電壓過高，從而造成整流后電壓高于直流母線電壓，Boost電流實際不可控的情況，影響系統(tǒng)的正常運行。2直流母線電容參數(shù)直流母線電容為系統(tǒng)提供必要的惰性環(huán)節(jié)，以保證母線電壓的穩(wěn)定，為Boost電流和并網(wǎng)電流的控制提供基礎(chǔ)。直流母線電容參數(shù)的選擇則是要在系統(tǒng)足夠惰性，保證穩(wěn)定運行，與系統(tǒng)成本之間進行折中。2.2變流器主回路參數(shù)設(shè)計3母線電壓選擇直流母線電壓的選擇受到系統(tǒng)并網(wǎng)拓撲形式、并網(wǎng)阻抗、并網(wǎng)虛功與實功電流等級，以及網(wǎng)側(cè)電壓等級的約束。具體條件如下圖所示。要求是3母線電壓選擇4LCL并網(wǎng)濾波器參數(shù)傳統(tǒng)的并網(wǎng)電流濾波器多數(shù)采用單電感形式，隨著并網(wǎng)標準的提高，如果要滿足對并網(wǎng)電流紋波的要求，則必須采用更大的濾波電感，這就造成濾波器體積以及發(fā)熱量的增加，同時影響系統(tǒng)的動態(tài)相應(yīng)速度，降低直流母線電壓的利用率。采用LCL濾波器的目的就在于通過高階濾波器的作用，更大程度的濾除開關(guān)頻率紋波，同時不必采用太大的電感。4LCL并網(wǎng)濾波器參數(shù)2.3變流器主回路控制器設(shè)計Boost電流控制：

風(fēng)電系統(tǒng)中，變流器發(fā)電機側(cè)電路的主要功能是從發(fā)電機最大可能的拉取功率，注入直流母線。這里涉及的控制問題主要有兩個：控制升壓電流為給定直流量，以保證發(fā)電機運行的穩(wěn)定性；設(shè)定Boost電流參考，保證風(fēng)力發(fā)電機工作在最大功率點附近（或按照設(shè)定功率曲線運行）；在我們的系統(tǒng)中，設(shè)定Boost電流參考，保證系統(tǒng)工作按照設(shè)定功率曲線運行的功能由主控GH策略完成。主控根據(jù)GH策略計算得到的發(fā)電機功率設(shè)定，除以變流器整流電壓，即得到Boost電流設(shè)定，PLC并通過通訊將設(shè)定指令傳遞給變流器控制器，這里不予贅述。

發(fā)電機輸出經(jīng)不可控整流后，經(jīng)過Boost升壓電路注入直流母線電容，此處的控制目標是將電感電流控制為給定直流量。2.3變流器主回路控制器設(shè)計網(wǎng)側(cè)逆變器控制：變流器網(wǎng)側(cè)電路的主要功能是穩(wěn)定直流母線電壓在設(shè)定工作點，同時向電網(wǎng)輸送電能，還包括對電網(wǎng)故障的偵測以及電網(wǎng)故障狀態(tài)下的運行策略。這里涉及的控制問題主要有：直流母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定工作點，給定并網(wǎng)電流設(shè)定；控制并網(wǎng)電流為給定交流量，保證與電網(wǎng)電壓的同步，以及電流波形的質(zhì)量。Freqcon1.5MW變流器目前所使用的數(shù)字變流板，對并網(wǎng)電流的控制回路還存在電網(wǎng)電壓的前饋控制。增加前饋控制回路后新的平均電流模型與電網(wǎng)電壓無關(guān)，從而消除了電網(wǎng)電壓擾動對并網(wǎng)電流控制的干擾。

前饋反饋控制的原理：前饋控制又稱擾動補償，它與反饋調(diào)節(jié)原理完全不同，是按照引起被調(diào)參數(shù)變化的干擾大小進行調(diào)節(jié)的。在這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中要直接測量負載干擾量的變化，當干擾剛剛出現(xiàn)并能被測出時，調(diào)節(jié)器就能發(fā)出調(diào)節(jié)信號使調(diào)節(jié)量作相應(yīng)的變化，使兩者在被調(diào)量發(fā)生偏差之前抵消。因此，前饋調(diào)節(jié)對干擾的克服比反饋調(diào)節(jié)及時。網(wǎng)側(cè)逆變器控制：鎖相：通過對三相電網(wǎng)電壓信號的檢測，獲得電網(wǎng)電壓頻率和相位信息，產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同相位的正弦波信號，作為并網(wǎng)電流控制的基準。目前Freqcon1.5MW變流器采用的數(shù)字變流板鎖相回路，包含信號源、鑒相器、信號發(fā)生器、反饋電路等幾個部分。電路信號源為網(wǎng)側(cè)電壓信號，由電子開關(guān)S1和信號源組成鑒相器。鑒相信號作為信號反饋電路的輸入信號，反饋電路的輸出對正弦信號發(fā)生器進行校正，從而使信號發(fā)生器發(fā)生信號與信號源形成了相位及頻率關(guān)系恒定的鎖相信號SIN。鎖相控制器對電網(wǎng)三相電壓采樣信號處理后，得到三個相位差120度的鎖相環(huán)信號SIN1/SIN2/SIN3，利用這三個正弦信號，通過三角函數(shù)運算即可得到三個移相90度的余弦信號COS1/COS2/COS3，這6個信號將作為逆變電流的參考波形使用。鎖相：直流母線電壓控制Freqcon1.5MW變流器中，網(wǎng)側(cè)逆變器的控制目標不僅包含對并網(wǎng)電流波形的控制，還包含對直流母線電壓的控制。正負母線電壓差的控制Freqcon1.5MW變流器網(wǎng)側(cè)采用三相四線架構(gòu)逆變器，因此不僅需要控制直流母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定值，還需要控制正負母線電壓差，保持正負母線電壓的平衡。并網(wǎng)虛實功的控制通常情況下，變流器并網(wǎng)無功設(shè)定為零，但是在某些情況下（例如，低電壓穿越）系統(tǒng)要求提供一定的并網(wǎng)無功電流，這就需要給定一個無功電流的設(shè)定參考。對于Freqcon1.5MW變流器，上述無功電流的參考設(shè)定是由主控PLC給定的。主控對于并網(wǎng)無功電流參考的控制器為一個簡單的積分環(huán)控制。綜上，我們可以看到并網(wǎng)電流的設(shè)定由三部分疊加組成：由直流母線電壓控制器產(chǎn)生的并有實功電流設(shè)定；正負母線電壓差控制器產(chǎn)生的并網(wǎng)電流直流設(shè)定；由并網(wǎng)無功控制器產(chǎn)生的并網(wǎng)無功電流設(shè)定。

直流母線電壓控制三Freqcon變流邏輯功能和保護3.1變流器啟動邏輯、故障停機邏輯

變流器啟動邏輯三Freqcon變流邏輯功能和保護3.1變流Freqcon-變流器介紹課件主控發(fā)出Converter_on信號后，直流母線放電電阻斷開，預(yù)充電電阻閉合，變流器開始預(yù)充電過程。正負母線電壓高于420V后，網(wǎng)側(cè)斷路器閉合（網(wǎng)側(cè)斷路器閉合后，預(yù)充電電阻被短接，直流母線會進一步上升），預(yù)充電過程完成，變流器返回Converter_ready信號給主控。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速后，主控發(fā)出Converter_enable信號，變流器開始調(diào)制運行。這里需要強調(diào)的是，預(yù)充電過程會進行計時，在設(shè)定時間內(nèi)母線電壓未上升到設(shè)定點，則表明預(yù)充