【風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要系統(tǒng)】變流器介紹(中級)

風(fēng)電機(jī)組變流器系統(tǒng)

一、變流器的介紹

二、變流器的分類2.1雙饋型變流器2.2全功率型變流器

三、變流器典型故障處理一、變流器的介紹

變流器是風(fēng)電機(jī)組中的重要組成部分，其主要作用為在葉輪轉(zhuǎn)速變化情況下，控制風(fēng)電機(jī)組輸出端電壓與電網(wǎng)電壓保持幅值和頻率一致，達(dá)到變速恒頻的目的，并且配合主控完成對風(fēng)電機(jī)組功率的控制，且保證并網(wǎng)電能滿足電能質(zhì)量的要求。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時(shí)，在主控和變槳的配合下，在一定的時(shí)間內(nèi)保持風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)連接，并根據(jù)電網(wǎng)故障的類型提供無功功率，支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

二、變流器的分類

根據(jù)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組類型的不同，變流器主要分為全功率變流器和雙饋?zhàn)兞髌鳌?/p>

雙饋?zhàn)兞髌鲬?yīng)用在雙饋型風(fēng)電機(jī)組，其控制對象為雙饋發(fā)電機(jī)。

全功率變流器可匹配直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組、高速永磁、高速電勵(lì)磁等多種風(fēng)電機(jī)組，其控制對象為同步發(fā)電機(jī)。

2.1雙饋型變流器

變流器采用電壓源型交直交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中與網(wǎng)側(cè)相連AC/DC的為電網(wǎng)側(cè)變流器，與雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連的DC/AC部分為電機(jī)側(cè)變流器。電網(wǎng)側(cè)變流器主要控制目標(biāo)為維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，并實(shí)現(xiàn)能量雙向流動。電機(jī)側(cè)變流器根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化動態(tài)調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流的頻率，以保證定子輸出的頻率不變；電機(jī)側(cè)變流器調(diào)整轉(zhuǎn)子電流的幅值和相位，則實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組有功功率和無功功率的控制。

雙饋型變流器拓?fù)鋱D

預(yù)充電：電網(wǎng)側(cè)變流器啟動時(shí)，先閉合預(yù)充電回路當(dāng)直流側(cè)電壓達(dá)到交流電網(wǎng)電壓有效值的1.2倍時(shí)切出預(yù)充電回路，電網(wǎng)側(cè)主接觸器閉合，同時(shí)投入交流濾波單元、準(zhǔn)備電網(wǎng)側(cè)變流器調(diào)制。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)變流器建立起穩(wěn)定的直流母線電壓后，且發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在運(yùn)行范圍內(nèi)，電機(jī)側(cè)變流器調(diào)試運(yùn)行，為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交變勵(lì)磁電流，控制發(fā)電機(jī)定子并網(wǎng)，并網(wǎng)后功率（無功）控制。

網(wǎng)側(cè)LC濾波單元與箱式變壓器漏感構(gòu)成LCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效地濾除高次諧波，降低變流器對電網(wǎng)的高次諧波污染。

機(jī)側(cè)通過由LCR所組成的du/dt網(wǎng)絡(luò)，有效降低發(fā)電機(jī)終端的電壓尖峰，減少對發(fā)電機(jī)絕緣的損壞，提高發(fā)電機(jī)使用壽命。

由變流器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，定子側(cè)感應(yīng)出交流電壓，當(dāng)定子電壓與電網(wǎng)電壓一致時(shí)，閉合并網(wǎng)開關(guān)，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，開始功率調(diào)節(jié)和最大功率跟蹤。

雙饋型變流器控制原理由交流異步發(fā)電機(jī)的原理可得下面關(guān)系式：其中f1為定子電流頻率，n為轉(zhuǎn)速，p為電機(jī)極對數(shù)，fs為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率，由該公式可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，若控制轉(zhuǎn)子供電頻率fs相應(yīng)變化，可使f1保持不變，與電網(wǎng)電壓保持一致，這就是交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行的基本原理。

雙饋型風(fēng)電機(jī)組能量流向上圖中，no代表同步速。n代表當(dāng)前轉(zhuǎn)速。當(dāng)n>no時(shí)，雙饋發(fā)電機(jī)工作在超同步狀態(tài)，此時(shí)雙饋發(fā)電機(jī)吸收機(jī)械能，轉(zhuǎn)換的電能Pm一部分Ps通過定子輸送至電網(wǎng)，一部分Pr通過轉(zhuǎn)子輸送至變流器，由變流器經(jīng)過頻率幅值變換后輸送至電網(wǎng)；Pm=Ps+Pr；當(dāng)n<no時(shí)，雙饋發(fā)電機(jī)工作在亞同步狀態(tài)，此時(shí)雙饋發(fā)電機(jī)通過軸上吸收機(jī)械能，轉(zhuǎn)子側(cè)吸收電能，二者能量之和轉(zhuǎn)換為電能，輸送至電網(wǎng)。Pm=Ps-Pr；

2.2全功率型變流器

同雙饋型變流器一樣，全功率變流器采用AC/DC/AC的電壓源型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與雙饋?zhàn)兞髌魍ㄟ^控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間接控制定子相比，全功率變流器直接將發(fā)電機(jī)定子輸出的電能經(jīng)過變流器饋入電網(wǎng)，且僅有定子回路一條功率通道（雙饋型機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及定子均可發(fā)電）。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩不直接控制，直流側(cè)斬波環(huán)節(jié)可采用多重化，動態(tài)響應(yīng)慢，定子電流諧波大。直接控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，動態(tài)響應(yīng)好，發(fā)電機(jī)端電流THD小。在充電過程中，開關(guān)閉合（三極管導(dǎo)通），開關(guān)（三極管）處用導(dǎo)線代替。這時(shí)，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。電感電流增加，電感里儲存了一些能量。

在放電過程中，開關(guān)斷開（三極管截止）時(shí)，電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，升壓完畢。

全功率變流器電氣組成：1、電網(wǎng)側(cè)變流器回路

2、電機(jī)側(cè)變流器回路

3、直流側(cè)卸荷單元

4、電勵(lì)磁單元（電勵(lì)磁機(jī)組）

電網(wǎng)側(cè)變流回路：由預(yù)充電回路、電網(wǎng)側(cè)主開關(guān)、RC濾波單元、熔斷器、平波電抗器及三相電壓源型PWM變流器構(gòu)成。

啟動時(shí)首先閉環(huán)預(yù)充電開關(guān)，為直流側(cè)充電，待電壓達(dá)到母線額定電壓0.8倍時(shí)，閉合主回路開關(guān)，切出預(yù)充電開關(guān)，PWM變換器開始調(diào)制，建立穩(wěn)定的直流母線電壓。

電機(jī)側(cè)變流器回路：由電壓源型PWM變流器、電機(jī)側(cè)du/dt回路、定子開關(guān)等構(gòu)成

啟動時(shí)直流側(cè)電壓已穩(wěn)定建立，電網(wǎng)側(cè)主回路開關(guān)閉合，此時(shí)閉合電機(jī)側(cè)定子開關(guān)，電機(jī)側(cè)PWM變換器開始調(diào)制

直流卸荷回路：由直流側(cè)卸荷IGBT開關(guān)及釋能電阻構(gòu)成。

電勵(lì)磁單元：直流母線作為勵(lì)磁電源，經(jīng)過IGBT斬波成所需的直流電壓為發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁，通過調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通占空比，可得到不同的勵(lì)磁繞組電壓值，從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)定子電壓的目的。

2、故障清除后有功恢復(fù)要求：自故障清除時(shí)刻開始，以至少10%額定功率/秒的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。3、故障期間無功支撐要求：如果是對稱跌落，當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓處于標(biāo)稱電壓的20%~90%區(qū)間內(nèi)時(shí)，風(fēng)電場應(yīng)能夠通過注入無功電流支撐電壓恢復(fù)，自并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落出現(xiàn)的時(shí)刻起，動態(tài)無功電流控制的響應(yīng)時(shí)間不大于75ms，持續(xù)時(shí)間不小于550ms；注入電力系統(tǒng)的動態(tài)無功電流。1、不脫網(wǎng)要求：風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%標(biāo)稱電壓時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)運(yùn)行625ms；風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時(shí)，風(fēng)場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。三、低電壓穿越低電壓穿越－轉(zhuǎn)子IGBT型開關(guān)（主動Crowbar）

采用IGBT型Crowbar電路吸收發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子多余的能量，同時(shí)設(shè)計(jì)了完備的緩沖吸收電路使之具備短時(shí)間大電流工作要求；IGBT良好的開關(guān)特性可以快速的投入、切出Crowbar裝置，度過暫態(tài)及快速向機(jī)組投入無功電流直流母線裝有卸荷電路，吸收直流母線多余的能量，抑制直流過壓并縮短暫態(tài)時(shí)間。卸荷電路不是LVRT必須的，但我們推薦配備卸荷電路，可有效防止各種故障所引起的直流母線過壓，降低直流側(cè)電容、IGBT過壓擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。低電壓穿越－Chopper電路設(shè)計(jì)直流側(cè)配備Chopper電路：電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，電機(jī)側(cè)能量維持不變，電網(wǎng)側(cè)按照無功優(yōu)先的