发电机变频系统.docx

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发电机变频系统

XX1.5MW风电机组

发电机-变频系统

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起草人

叶杨

审核人

目录

1.概述3

1.1恒速恒频风电机组3

1.2变速恒频风电机组5

1.3XX1.5MW风电机组5

2.发电机6

2.1交流电机原理6

2.2同步电机9

2.3异步电机11

2.4双馈异步发电机13

3.变频器15

3.1变频器工作原理15

4.双馈异步风力发电系统17

4.1系统控制原理17

4.2部件性能参数17

4.3功率流程20

4.4低电压穿越功能22

概述

总体而言，风电机组是将风能转换成为电能的装置。

风力推动风轮、传动链、发电机转动。

在发电机转动过程中，空气流动储存的部分能量就转换成为了电能。

发电机发出的电能要能够输入电网，即实现并网。

发电机输出的电压需要满足3个条件

1）幅值：

发电机输出电压幅值与电网接入点电压幅值相等；

2）频率：

工频50Hz；

3）相位：

发电机输出电压相位与电网接入点电压相位同步。

通常单纯的依靠发电机自身并不能有效的全部满足以上三个条件。

因此，风电机组中需要发电机-变频系统来实现电能的转换，同时将产出的电能注入电网。

图1风电机组剖面图（机舱部分）

恒速恒频风电机组

最开始的风电机组采用异步发电机，其结构和控制方式较为简单，并不需要变频器也能实现并网发电。

但是，它不是一种高效的风力发电方案。

为保证风机并网时输出的电压与电网具有相同的频率，异步发电机只能运行在一个比较小的速度范围。

因此，早先的异步风力发电机称为恒速恒频风电机组。

恒速恒频风电机组的缺点很明显：

在不同的风况条件下，风机只能运行在一个几乎恒定的转速下，这使得风轮将风能转换成为机械能的效率无法始终保持在最佳值。

图2异步风力发电机

图3直驱式全功率风力发电机

图4双馈异步风力发电机

变速恒频风电机组

目前主流的风电机组，都是变速恒频风电机组。

其特点是，在满足恒频并网的前提下，具备较宽的转速运行范围，使得风机能够在不同的风况条件下，通过调节发电机转速，达到相应风况下的最佳效率的风能捕获。

要实现变速恒频的功能，风电机组必须采用发电机和变频器相结合的方式。

其中，变频器的基本功能是在不同转速下，将发电机发出的不同频率的电压转换成为工频电压，从而满足并网的要求。

即由发电机-变频系统组成风机的电能转换机构。

而发电机-变频系统也同时存在两种类型。

其中一种是采用同步发电机和全功率变频器相结合的方式；而另一种采用双馈异步发电机与部分功率变频器相结合的方式。

直驱式风电机组

直驱式风电机组的发电机-变频系统，采用同步发电机和全功率变频器相结合。

其具备以下的特点：

•同步发电机变速范围宽，且中间不需要齿轮箱。

•发电机产生频率变化的交流电压，变频器再将此电压转换成为工频（50Hz）电压。

•发电机输出的功率，全部经变频器进入电网

双馈异步风电机组

双馈异步风电机组的发电机-变频系统，采用的是双馈异步发电机和变频器相结合。

此系统具备以下的特点：

•异步发电机的定子绕组与电网之间连通，而转子绕组经过变频器功率模块与电网相连。

•流经变流器的功率小于发电机额定功率的30%。

•发电机转速范围为：

同步转速+/-30%以内。

XX1.5MW风电机组

XX1.5MW风电机组为变速恒频风电机组，采用的是双馈异步风力发电机结构。

本文将从电气系统的角度来介绍双馈异步风电机组中发电机-变频系统的工作原理，内容包括发电机、变频器的基本原理，以及发电系统的性能表现，比如低电压穿越功能等。

发电机

交流电机原理

交流电机分为发电机和电动机。

发电机将机械能转换成为电能；而电动机将电能转换成为机械能。

两者结构相同，原理统一，在功能上可以相互转换。

交流电机主要有同步电机和异步电机两者类型，而双馈异步电机算是异步电机的一种异化。

下文介绍的交流电机的基本原理同时适用于上述两种电机。

感应电压

交流电机最基本的原理是“法拉第电磁感应定律”：

当通过导体线圈回路的磁场磁通量发生变化时，会在线路的两端产生感应电压。

感应电压的大小

式中

—感应电压

—线圈匝数

—通过线圈的磁通量

—时间

图5电磁感应试验

图6单个线圈绕组中产生正弦波形的感应电压

图中

—磁通密度

—线圈的长、宽

—旋转角速度

—正弦电压的幅值

正弦波感应电压：

感应电压的幅值：

对于单个线圈组成的闭合回路而言，其在恒定磁场中旋转，产生的感应电压是一个正弦量，它的幅值大小等于磁通和旋转角速度的乘积。

旋转磁场

电机在构成上，通常可以简单分为定子和转子两个部分。

在这两个部分上，通常均分布着绕组：

∙励磁绕组

∙电枢绕组

励磁绕组的作用是，在电机内部产生一个主磁场；而电枢绕组则在主磁场作用下感应出电压。

通常的电机为三相电机，其特点是三相相同长度的电机绕组在铁心圆周面相距120°排列构成三相对称绕组。

如果互差120°的三相电流在三相对称的励磁绕组中流动，那么将产生一个幅值不变的旋转的励磁磁场。

同时，励磁磁场在三相对称的电枢绕组中产生幅值相等、相位相差120°的三相感应电压。

图7旋转磁场和感应电压

旋转磁场的旋转速度与电枢绕组三相感应电压的频率存在固定的关系。

∙对于单对极电机而言，励磁磁场旋转一周，感应电压变化1周；

∙对于2对极电机而言，励磁磁场旋转一周，感应电机变化2周，即电角度720°

图8极对数和感应电压频率的关系

同步电机

同步电机结构

对于同步电机而言，其转子绕组为励磁绕组，而定子绕组为电枢绕组。

同步发电机在转子绕组中施加直流激磁，产生相对于转子静止的磁场。

当电机转子由原动机（例如风机传动链）驱动时，产生旋转的磁场。

旋转的磁场在定子绕组中感应出交流电压。

图8同步电机结构示意图

由于转子绕组需要加直流激磁，因此通常的同步电机的转子上还安装有滑环结构与外部励磁装置相连。

图8同步电机的转子结构（滑环）

同步的含义

电机学中“同步”的含义是指，电流电压的频率与电机的旋转速度“同步”化，即它们之间是恒定的关系。

式中，

—感应电压和电流频率（同步频率）

—电机旋转速度（转每分钟）

—电机极对数

同步发电机的定子绕组中感应电压的幅值与磁通大小成正比，同时也与转速（即频率）成正比。

同步电机等效电路模型

定子绕组中感应电压的幅值与磁通大小成正比，同时也与转速（即频率fe）成正比。

同步电机等效电路模型，如下图所示：

图8同步电机的等效电路

根据等效电路图，同步电机端电压

引起端电压与感应电压存在差异的原因是，定子绕组线圈存在漏电感和电阻。

下图是单功率因数时，同步电机的相量图。

图9单功率因数下同步电机相量图

异步电机

异步电机结构

异步电机的定子结构和同步电机相同，而转子结构则分为2类：

∙鼠笼转子

∙绕线式转子

图10鼠笼转子结构图

鼠笼转子结构较简单，在转子铁心表面嵌入导条，并在两个端面用端环短路。

而绕线式转子的绕组与定子绕组相映射，通常采用Y型联结，通过串入电阻可以调节其机械特性（转矩v.s.转速）曲线。

基本工作原理

异步电机通常做电动机使用。

异步电机的转子并非以同步转速运行，而是存在一定的转差。

式中，

—转子转差速度

—同步转速

由于转子绕组与旋转磁场之间存在一定的转差，因而在转子绕组在切割旋转磁场时，产生感应电压和感应电流。

然后感应电流又与旋转磁场作用，产生电磁转矩，带动转子运转。

转差率的概念是：

电机转速，以转差率和同步转速的方式表示为：

转子感应电压和电流的频率：

即，转子电流频率是同步频率和转差率的乘积。

总之，当异步电动机在正常运行时，定子磁场和转子磁场都以同步转速运行，而转子自身的旋转速度比同步转速慢，这样转子绕组和旋转磁场存在相对运动，从而感应出电压和电流。

机械特性

下图是经过了绕组折算之后的异步电机等效电路图。

图10异步电动机的等效电路图

根据上图的异步电动机等效电路，可以推导出异步电机的机械特性（转矩v.s.转速）曲线如下图所示：

图11异步电机的机械特性曲线

当异步电机转速大于同步转速时，其将运行在发电机状态。

双馈异步发电机

发电机结构

双馈异步电机，在结构上等同于绕线式异步电机。

图12双馈异步电机的定子

图13双馈异步电机的转子

图14双馈异步电机的滑环结构

运行原理

双馈异步电机由于定子和转子均能向电网馈送电能，因而得名。

双馈异步电机在结构上与异步电机相同，当在运行原理上却存在很大的差异。

异步电机的转子绕组由于不受外部控制，因此没有独立的励磁绕组。

而双馈异步电机的转子绕组通过滑环和碳刷与外部变频器相连接，其转子电流频率是可控。

在一定的发电机转速下，通过变频器调节转子电流频率，可以在电机内部产生一个工频频率的旋转磁场，从而在定子绕组中产生工频的感应电压。

即双馈异步电机转子采用交流激磁，通过变频器调节转子电流频率为转差频率，从而实现与同步电机直流励磁相同的效果——产生工频频率的旋转磁场。

变频器

变频器工作原理

变流变换的目的是调节电压、频率和相位。

而变频器的基本功能就是把工频（50Hz）变换成为各种频率的交流电源。

对于双馈异步风力发电系统而言，变频器的功能就是将工频变换成为转子交流励磁所需的转差频率。

为实现变频的功能，变频器至少由以下基本基本单元组成。

∙整流器

∙中间电路

∙逆变器

∙控制电路

图15变频器结构简图

整流器

整流器与单相/三相交流电源相连接，产生脉动的直流电源。

中间电路

中间电路主要由电容组成，使脉动的直流电压变得稳定、平滑，供逆变器使用。

逆变器

将中间电路的直流电压逆变成为需要的幅值、频率和相位的交流电压，供发电机转子绕组励磁使用。

控制电路

其负责将信号传递给其他部件，同时接受来自它们的信号。

∙利用控制信号，开关半导体器件（例如IGBT），实现希望的整流和逆变。

∙监视变频器的工作状态，提供保护功能

图15整流电路调压波形

图15脉宽调制（PWM）实现电压逆变功能

双馈异步风力发电系统

系统控制原理

双馈异步风力发电系统，即发电机-变频系统，由双馈异步发电机和变频器组成。

双馈异步发电机的定子绕组与电网直接相连；而转子绕组经过滑环结构与变频器相连，然后也连入电网。

图16双馈异步风力发电系统控制原理图

部件性能参数

发电机

定子接线端

散热风扇

滑环室

转子接线端

图171.5MW双馈异步发电机外观图

图181.5MW空冷双馈异步发电机外形图

1Enclosure外壳

2EndshieldD-side驱动端端盖

3EndshieldN-side非驱动端端盖

4BearingheadD-side（locatingbearing）驱动端轴承

5BearingheadN-side（floatingbearing）非驱动端轴承

6Shaft转轴

7Laminatedrotorcore转子叠层铁心

8Rotorwinding转子绕组

9Externalfanforexternalairflow入口风扇

10Laminatedstatorcore定子叠层铁心

11Statorwinding定子绕组

12Terminalboxforrotorconnections转子接线盒

13Terminalboxforstatorconnections定子接线盒

14Auxiliaryterminalbox辅助端子接线盒

15Air-to-airheatexchanger空-空散热器

17Exhaustairopening出风口

18Slipringcover滑环端盖

19Slipringdevice滑环装置

20Enginespeedsensor发电机转速编码器

21Earthingbrush接地碳刷

XX1.5MW双馈异步发电机性能参数列表：

额定功率：

1540kW

冷却方式：

空-空冷却

发电机类型：

双馈异步电机

发电机额定电压：

690V

保护等级：

IP54，滑环室IP23

转速范围：

1000～2000rpm

绝缘等级：

F级

功率因数：

Cap.0.95~Ind.0.95

风机允许在额定电压，频率和功率因数为1情况下，10%功率的持续超发。

超发逻辑如下：

∙最大允许输出功率的限定值为：

∙10分钟平均值P600=1550kW;

∙1分钟平均值P60=1580kW;

∙0.2秒平均值P0.2=1750kW.

变频器

双馈异步风力发电系统中，变频器控制的基本思想是通过控制转子绕组电流的大小、频率，以及相位，使得发电机输出电压幅值和频率与电网电压同步，而与电机转速无关。

双馈异步风力发电系统中的变频器，与通常驱动控制用变频器的差别在于：

网侧变流器和机侧变流器同时具有整流器和逆变器的功能，从而能够实现功率的双向流动。

图191.5MW双馈异步电机变频器外形图

图201.5MW变频器系统功能框图

除3.1节中所述的4大功能部件外，变频器系统结构中还需要其他的部件，实现辅助的功能。

∙du/dtfiltterdu/dt滤波器，作用是保护转子绕组间的绝缘

∙Mainschoke平波电抗器，作用是抑制网侧变流器输出电压

∙Mainsfilter电网滤波器，作用是减小对电网的谐波污染

变频器性能参数列表：

额定容量：

770KVA

控制方式：

IGBTPWM

电网侧额定电流：

305A

电网侧最大电流：

510A

转子侧额定电流：

580A

转子侧最大电流：

640A

功率流程

双馈异步发电机的定子和转子都具有馈电的功能，因此称为双馈电机。

变频器采用的是带直流环节的四象限结构，其可以实现功率的双向流动。

图21系统功率流向图

式中

Pg–发电机总功率

Ps–定子功率

Pr–转子功率

T–输入转矩

Wm–转子角速度

Ws–同步角速度

上式说明，双馈异步风力发电机组输往电网的电能Pg中，有（-s*Pg）是经过变频器输出的。

S为电机的转差率，大小与电机转速有关。

图22双馈异步电机运行方式

对于1台50Hz，2对极异步发电机而言，其同步转速

为1500rpm，转子转速可以在±33%同步转速范围内波动。

•当转子转速小于1500rpm，即转差率s大于0时，电机处在欠同步运行状态。

此时，功率从电网经变频器，流入发电机转子侧。

•当转子转速等于1500rpm，即转差率等于0时，电机处在同步运行状态。

此时，变频器传输有功功率为零。

•当转子转速大于1500rpm，即转差率小于0时，电机处在超同步运行状态。

此时，发电机转子经过变频器向电网馈送有功功率。

低电压穿越功能

低电压穿越功能（LowVoltageRideThrough:

LVRT），是指当电网由于故障或者负载变化，并网点（PointofCommonCoupling:

PCC）电压发生一定程度的波动（主要是跌落）时，风电机组保持持续并网的能力。

电网电压跌落对风电机组的影响

图23电网电压跌落对双馈异步风力机组的影响

•电网电压跌落导致的暂态过程中，发电机和变频器出现过电流，可能损坏部件

•电网电压跌落，意味着风机出口端电压降低。

这导致风机输出功率降低，而风轮捕获的能量不减少，多余的能量就转化为风机传动链的动能，导致风机过速脱网。

•另外，多余的能量也会施加到机组的机械部件上，附加的扭矩和应力会增加机械部件的疲劳，引起损坏。

低电压穿越能力的要求

《国家电网公司风电场接入电网技术规定》中对风机低电压穿越功能的要求如下：

XX1.5MW风电机组LVRT功能

变频器LVRT改造：

XX1.5MW风电机组LVRT功能示意图：

上图中

•绿色区域：

检测到机端任一相电压小于80%Un时，主控应当断开风机电气控制系统中各个电动机接触器。

防止在低电压情况下，各电动机为保持功率运行而出现大电流，导致电动机保护开关跳开。

变桨系统由电池驱动，控制发电机的转速在一个恒定的水平，而不会发生过速。

•红色区域

当机端电压跌落程度超出《接入电网技术规定》要求时，触发“低电压穿越失败”故障，风机快速停机。

•灰色区域：

当检测到机端电压大于80%Un，但小于90%时，风机延迟5s，进入软停机（黄色区域），同时断开风机电气控制系统中各个电动机接触器。

XX1.5MW风电机组LVRT测试结果曲线图：