东汽FD70FD77风电机组变流器系统原理及应用.docx

1、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

2、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

3、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

4、 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

5、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

6、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=3050=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

7、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

8、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+3010=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+3010=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

9、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/min1800r/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NPR IGBT 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MPR IGBT 负责将直流母线电压逆变成频率（0Hz40Hz）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

10、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。2 FD7

11、0/FD77风电机组变流器电路分析 变流器主电路箱变低压侧3/PE AC 690V 电源电压，通过4mm240mm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E007K

12、2 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NPR IGBT 变流模块。即690V-D002Q5-D010F2-D010K2-E014K4-D012R2-NPR IGBT，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

13、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-NPR IGBT，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

14、，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

15、，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”conv wp3100 ok X9:11 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1200120010范围时，变流器给出“进入操作范围”信号，operation range X9:30 置1，MITA 输入端子M120=1 ；机组控制器M

16、ITA 收到M120 信号后，向变流器发出开始励磁信号conv start excit X9:12 置1 M517=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，conv ready for connection X9:34 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”conv start prod X9:13 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，grid con

17、nection X9:35 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”conv error X9:33 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conv reset error X9:14 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

18、纳总结如下表:3 FD70/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890V1016V 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I

19、GBT 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：4mA20mA信号中断更换WP3035，4m A20mA 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X

20、1 ：215 及联接线后，故障消除。 故障现象：变流器反馈的4mA20mA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 ， 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WP3034，4mA20mA 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。