东汽FD70FD77风电机组变流器系统原理及应用.docx

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东汽FD70FD77风电机组变流器系统原理及应用

东汽FD70/FD77风电机组变流器系统原理及应用

1变速恒频发电系统的工作原理

　　交流电机的旋转磁场

　　以单相交流电机为例，单相交流电机有2个绕组，它们在空间上相差90˚正交分布，分别给2个绕组加入时间上相差90˚的交流电。

如图1（a）所示，发电机定子上正交分布有2个绕组，一个是AX，另一个是BY。

2个绕组加上的电流波形如图1（b）所示。

我们规定从A流进X流出或从B流进Y流出为正方向；从X流进A流出或从Y流进B流出为负方向。

图1单项交流电机绕组

　　在t0时刻，A绕组上通过的电流为零；B绕组上通过的电流为负的最大值。

根据电磁定律，t0时刻，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向→。

　　在t1时刻，A绕组上通过的电流为正的最大值，B绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t0时刻，两个绕组合成的磁场方向为从上至下方向↓。

　　在t2时刻，A绕组上通过的电流为零，B绕组上通过的电流为正的最大值，根据电磁定律，t2时刻，两个绕组合成的磁场方向为从右至左方向←。

　　在t3时刻，A绕组上通过的电流为负的最大值，B绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t3时刻，两个绕组合成的磁场方向为从下至上方向↑。

　　在t4时刻，正好回到t0时刻的状态，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向→。

电流变化一个周期，两个绕组合成的磁场旋转一周。

　　旋转磁场的转速为n=60f/p。

　　同理，如果三相绕组在空间上按120˚对称分布，三相绕组在时间上分别加上相位相差120˚的三相交流电。

同样要在转子铁芯周围形成一个旋转磁场。

　　旋转磁场的转速n=60f/p。

　　其中，f为三相交流电频率。

P为磁极对数。

　　1变速恒频发电系统的工作原理

　　交流电机的旋转磁场

　　以单相交流电机为例，单相交流电机有2个绕组，它们在空间上相差90˚正交分布，分别给2个绕组加入时间上相差90˚的交流电。

如图1（a）所示，发电机定子上正交分布有2个绕组，一个是AX，另一个是BY。

2个绕组加上的电流波形如图1（b）所示。

我们规定从A流进X流出或从B流进Y流出为正方向；从X流进A流出或从Y流进B流出为负方向。

图1单项交流电机绕组

　　在t0时刻，A绕组上通过的电流为零；B绕组上通过的电流为负的最大值。

根据电磁定律，t0时刻，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向→。

　　在t1时刻，A绕组上通过的电流为正的最大值，B绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t0时刻，两个绕组合成的磁场方向为从上至下方向↓。

　　在t2时刻，A绕组上通过的电流为零，B绕组上通过的电流为正的最大值，根据电磁定律，t2时刻，两个绕组合成的磁场方向为从右至左方向←。

　　在t3时刻，A绕组上通过的电流为负的最大值，B绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t3时刻，两个绕组合成的磁场方向为从下至上方向↑。

　　在t4时刻，正好回到t0时刻的状态，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向→。

电流变化一个周期，两个绕组合成的磁场旋转一周。

　　旋转磁场的转速为n=60f/p。

　　同理，如果三相绕组在空间上按120˚对称分布，三相绕组在时间上分别加上相位相差120˚的三相交流电。

同样要在转子铁芯周围形成一个旋转磁场。

　　旋转磁场的转速n=60f/p。

　　其中，f为三相交流电频率。

P为磁极对数。

　　若定子或转子绕组，在任一时刻合成的磁场只有一对磁极（磁极对数p=1），即只有两个磁极，对旋转磁场而言,三相电流变化一周,合成磁场也随之旋转一周，如果是50Hz的交流电，旋转磁场的同步转速就是3000r/min。

　　如果定子绕组合成的磁场有两对磁极（磁极对数p=2），即有四个磁极，可以证明，电流变化一个周期，合成磁场在空间旋转180˚，由此可以推导得出：

p对磁极旋转磁场每分钟的同步转速为n=60f/p。

　　当磁极对数一定时，如果改变交流电的频率，则可改变旋转磁场的同步转速，这就是变频调速的基本原理。

风电机组的同步转速是1500r/min,所以双馈发电机的定子/转子绕组磁极对数是2，即旋转磁场每分钟的转速为n=30f。

也即频率f=50Hz，同步转速n0=30×50=1500r/min。

图2转子与定子结构示意图

　　变速恒频发电机结构和原理

　　双馈发电机的定子通过开关和电网连接，转子通过碳刷引出和输出连接。

如图2所示，观察方向从左至右，转子旋转方向为顺时针旋转；相对定子不动，转子转速为n。

　　风电机组转速小于同步转速1500r/min时，在转子绕组上加上低频交流电，在转子线圈周围就会形成旋转磁场。

这个旋转磁场的转速，相对于转子轴（相当于转子不动）来定义，转速为n1，方向与转子旋转方向n相同。

n和n1方向相同，两者同向相加，合成为转子旋转磁场n0。

转子绕组旋转磁场，相对于转子轴而旋转；转子旋转磁场，相对于定子绕组而旋转。

　　风电机组转速大于同步转速1500r/min时，改变转子电流的相序，可以改变转子绕组旋转磁场的方向，使得转子绕组旋转磁场的方向n2与转子旋转方向n相反。

改变转子电流的频率可以改变转子绕组旋转磁场的速度，n和n2方向相反，两者反向相减，合成为转子旋转磁场n0=1500r/min。

　　例如：

当风电机组转速为1200r/min时，在转子绕组上加上一个正向旋转的三相交流电，频率为10Hz，则转子旋转磁场的转速n0=n+n1=1200+30×10=1500r/min。

以1500r/min的旋转磁场切割定子绕组，则在定子绕组上感应出50Hz的交流电。

当风电机组转速为1800r/min时，在转子绕组上加上一个反向旋转的三相交流电，频率为-10Hz，则转子旋转磁场的转速n0=n+n2=1200+30×10=1500r/min。

　　变流器通过实时跟踪发电机转子的转速，从而实时调整变流器输出的转子电流频率和相序，可以保证转子旋转磁场的转速始终保持为同步转速1500r/min，从而保证发电机发出的电压频率为工频50Hz，无论发电机的转速是多少（1100r/min~1800r/min），发电机输出电压频率都是50Hz，实现变速恒频发电。

　　变流器主要完成电源频率的变换，网侧NPRIGBT负责将690V电源电压整流成1000V以上的直流母线电压或者将直流母线电压逆变成工频50Hz的690V电源电压反馈回电网；机侧MPRIGBT负责将直流母线电压逆变成频率（0Hz~40Hz）可调、幅值和相位可调的交流电压加到转子绕组上，或者将发电机转子绕组发出的变频交流电压整流成直流母线电压，再由网侧IGBT将直流母线电压逆变成工频50Hz的690V电源电压反馈回电网（图3）。

图3电源频率变换示意图

　　当风速较小，发电机的转速小于同步转速时，转子绕组需要励磁。

能量从电网到变流器再到转子绕组线圈，通过网侧IGBT--直流母线电压--机侧IGBT变换成频率、幅值和相位可调的交流电压加到转子绕组上。

　　当风速较大，发电机的转速大于同步转速时，转子绕组要对外发电，首先经过机侧IGBT把发电机转子绕组发出的变频交流电压整流成直流母线电压，再通过网侧IGBT将直流母线电压逆变成工频50Hz的690V电源电压反馈回电网。

因为发电机的定子绕组和转子绕组都在同时发电，所以称为双馈发电机。

　　2FD70/FD77风电机组变流器电路分析

　　变流器主电路

　　箱变低压侧3/PEAC690V电源电压，通过4mm×240mm电缆（其中一根作为中性点接地线）进入塔筒底部，3相电缆与变流器交流母线排联接，中性点PE线电缆与塔筒等电位板联接。

　　发电机定子输出电压经过并网接触器E007K2以及并网断路器D002Q5再联接到变流器交流母排上，反馈回电网。

即在发电机定子输出端与变流器交流母排之间串联了并网接触器E007K2以及并网断路器D002Q5。

当并网接触器E007K2以及并网断路器D002Q5处于合闸状态时，发电机处于并网发电状态。

断路器D002Q5在主电路中起事故跳闸保护作用，接触器E007K2在主电路中起风电机组并网/脱网的开关作用。

图4变流器主电路

　　变流器励磁电路

　　变流器正常运行时，并网断路器D002Q5处于合闸状态，给发电机转子回路提供励磁支持。

来自电网的690V电源电压，通过并网断路器D002Q5到快速熔断器D010F2，经过滤波环节D010K2到主励磁接触器E014K4，再经过电抗器D012R2到网侧NPRIGBT变流模块。

即690V--D002Q5--D010F2--D010K2--E014K4--D012R2--NPRIGBT，这条回路称为主励磁回路。

　　因为交直交变流系统，直流母线电压含有大容量的滤波电容。

在变流器启动过程中，刚开始时直流母线上的电压为零，如果直接闭合励磁接触器E014K4，则相当于690V直接对地短路，将对电网或网侧IGBT整流模块造成很大冲击。

所以变流器设置了一条对直流母线的预充电回路。

　　690V电源电压经过开关熔断器E001Q2到开关熔断器D010Q5，然后到E010Q3，再经过加热限流电阻R到K016K3，再到开关熔断器E011Q2，之后连接到电抗器D012R2，最后到网侧IGBT。

如图5红色路径所示，690V--E001Q2--D010Q5--E010Q3--R--K016K3--E011Q2--D012R2--NPRIGBT，这条回路与励磁接触器E014K4是并联的。

因为回路中串联了加热电阻R，当中间继电器K016K3合上时，通过网侧IGBT给直流母线电容进行限流预充电。

当直流母线电压达到额定电压的80%左右时，K016K3与主励磁接触器E014K4相互切换，实现预充电和主励磁电路的切换过渡。

限流电阻安装在IGBT内部，当环境温度小于5℃时，为了保护IGBT模块，需要加热保温。

K116K3合上时，三相限流电阻自动结成三角形连接负载，IGBT开始加热。

图5变流器励磁电路

　　变流器与风电机组主的通信控制

　　以MITA风电机组控制器和Alstom变流器为例，变流器--发电机系统的启动与停止，需要主控制器的指令控制。

变流器与风电机组主控制器的通信用于实现变流器--发电机系统的启动与停止控制过程。

　　变流器加热完成，控制板和IGBT功率模块温度在5℃以上，变流器给出“运行准备好”信号X9:

18置1；

　　如果环境温度低，变流器正在加热，变流器给出“加热激活”信号X9:

19置1；

　　当机组控制器系统正常时，机组控制器给出“主控OK信号”convwp3100okX9:

11置1，由风电机组控制器MITA发送给变流器；

　　当系统正常，风速达到启动风速时，风电机组开始启动，变流器实时在线监测发电机转速，当转速趋近1200r/min，变流器监测到发电机转速进入1200±1200×10％范围时，变流器给出“进入操作范围”信号，operationrangeX9:

30置1，MITA输入端子M120=1；

　　机组控制器MITA收到M120信号后，向变流器发出开始励磁信号convstartexcitX9:

12置1M517=1，变流器开始直流母线充电、励磁同步操作；

　　当变流器完成同步操作后，变流器给出“并网准备好”信号，convreadyforconnectionX9:

34置1，MITA输入端子M121=1，反馈给机组控制器；

　　机组控制器MITA收到M121信号后，向变流器发出“变流器加载要求”convstartprodX9:

13置1，MITA输出端子M519=1，变流器并网接触器合闸，风电机组并网；

　　并网完成后，变流器向机组控制器MITA报告“电网联接”信号，gridconnectionX9:

35置1，M123=1。

机组控制器MITA开始放开叶片，机组转速提高，力矩加大，发电机发出的功率提高，直到与叶片吸收的能量到达一个动平衡，风电机组稳定运行；

　　变流器出现故障时，变流器要向机组控制器MITA发出“变流器错误信号”converrorX9:

33置1，M122=1。

机组控制器MITA收到M122信号后，以刹车程序75开始停机。

5分钟后，机组控制器MITA给变流器发出“变流器复位”信号convreseterrorX9:

14置1，M516=1。

连续3次自动复位不能成功后，机组停机，报变流器错误故障。

　　变流器与风电机组主控制器的通信控制可以归纳总结如下表:

　　3FD70/FD77风电机组变流器典型故障案例

　　故障现象：

直流母线充电失败

　　进入NPR按F5读取网侧变量数据，查看4F06H直流母线电压从890V~1016V之间来回跳动，不能稳定在1005V；

　　用示波器读4F25、4F26电压波形，发现4F26的幅值只有4F25的60%~70%左右；

　　更换网侧电压检测板A301A60后，4F25、4F26波形正常，直流母线充电正常，故障消除。

　　故障现象：

变流器报NTC故障

　　变流器手动加热。

进入MPR按F5读取机侧变量数据。

查看343E（H），IGBT温度最高22℃，最低-10℃，最低温度一直不变，估计加热器回路有故障；

　　用手触摸IGBT散热器，中间2组IGBT散热器冰冷，说明没有加热；其余旁边2相略有温度，说明加热器已经工作；

　　用万用表电压档，测IGBT加热线插头处，正常的2相有256V左右，中间这一相的电压为零；

　　断开E010Q3，设置变流器手动加热，K116K3自动吸合。

用万用表电阻档测得K116K3的③④脚开路，其他2相是到通的，说明K116K3硬件故障；

　　更换K116K3后，NTC故障消除。

　　故障现象：

4mA~20mA信号中断

　　更换WP3035，4mA~20mA信号转换板后，故障不变；

　　更换WP3100后，故障不变；

　　重新压接WP3100接线端711和713，MITA接线端X1：

214和X1：

215及联接线后，故障消除。

　　故障现象：

变流器反馈的4mA~20mA电流不正常给定变流器力矩9030，-970时，MITA显示正常；

　　给定4030时，MITA显示2182。

　　检查变流器A311A10：

，输出电压为5V，正常；

　　断开N112T2输出脚⑤⑥，串接ma表，测得结果为，接上负载后只有；

　　在MITA柜上，断开731、733插头，直接串接ma表，测出结果也是初步判断为电流转换板WP3034故障；

　　在MITA柜上，更换WP3034，4mA~20mA信号转换板后，故障消除。

　　故障现象：

一投励磁，D010Q5保险即烧断经检查，有人把D010Q5的保险盒误插到D014Q2保险的位置上；

　　D010Q5保险是10A的，D014Q2保险是160A的，将它们更换到正常位置；

　　更换D010Q5保险熔断器后，故障消除，恢复正常。

　　故障现象：

变流器励磁调试时，一投励磁就跳闸，没有励磁电流输出

　　MITA柜屏蔽了变流器故障1409；

　　MITA柜变流器超速信号intup118要求取反，实际未取反，因为MITA柜屏蔽了变流器故障1409，虽然intup118未取反，也不报变流器故障，所以一投励磁即报变频器超速；

　　将MITA柜变频器超速信号intup118取反后，故障消除。