Freqcon變流系統(tǒng)介紹

2013年11月18日Freqcon變流系統(tǒng)介紹授課：編訂：金風大學課程編號：ETIC-001通過學習風冷變流系統(tǒng)可以了解到機組變流器的組成及原理為學習金風機組做好準備課程設置信息課程目標：本次課程需要大家了解風力發(fā)電機組的風冷變流系統(tǒng)培訓對象：2013年金風大學嘉澤分校學員課時：120分鐘課程設置信息課程導入環(huán)節(jié)提問：風力發(fā)電機組變流系統(tǒng)作用是什么？風冷變流系統(tǒng)的構成？一、1.5MW機組Freqcon變流系統(tǒng)的主拓撲結構二、Freqcon變流系統(tǒng)及其部件三、Freqcon變流系統(tǒng)的電網(wǎng)側整流原理四、Freqcon變流系統(tǒng)的電機側逆變原理五、Freqcon變流系統(tǒng)的直流升壓斬波原理課程目錄一、Freqcon變流系統(tǒng)主拓撲結構

該變流器采用了不可控整流方式把發(fā)電機發(fā)出的電整流為直流電，通過網(wǎng)側逆變IGBT模塊把直流電變成工頻交流電并入電網(wǎng)。其控制方式為集中式控制。變流器的控制器集中的控制每個IGBT功率模塊工作，并檢測每個IGBT功率模塊的工作狀態(tài)。

Freqcon變流器系統(tǒng)原理圖基本原理結構Freqcon變流器整體結構框圖需要解釋以下幾點：1、在閉合主斷路器之前，需要給直流母排進行預充電，因為直流母排上帶有大容量電容器，若不預充電，則在閉合主斷路器時會對系統(tǒng)造成很大的電流沖擊。2、放電電路是在停機后用來給直流母排放電的，其實就是給連在直流母排上的電容器泄放電荷。

3、當直流母線上的電壓過高時，制動單元工作，釋放直流母線上過多的能量，維持母線電壓。

變流系統(tǒng)按照我公司永磁同步風力發(fā)電機的特點專門設計，與六相永磁同步發(fā)電機具有很好的適應性，即通過六相不可控整流，有效減少或抑制了電機側的諧波轉矩脈動，同時對電機繞組幾乎沒有du/dt的影響。另外，從上圖可看出，變流裝置主回路采用多重化并聯(lián)技術，提高了系統(tǒng)容量（小容量功率器件可用在大容量系統(tǒng)中）、減少了輸出電流諧波。中間斬波升壓是三重斬波升壓，起到了穩(wěn)壓和升壓作用，適應了風機的最大風能捕獲策略，即把變動的發(fā)電機輸出電壓，與整流回路一起最終穩(wěn)定在DC-Link電壓設定值附近，使DC-Link電壓穩(wěn)定在逆變環(huán)節(jié)所需的直流電壓上。DC/AC變換部分采用兩重逆變策略，通過采用先進的PWM脈寬調(diào)制技術，有效減少了輸出諧波（THD％<4%）、提高了系統(tǒng)容量。通過控制上的優(yōu)化，使電壓閃變指標在國際技術標準允許范圍之內(nèi)。變流器主要采用10個IGBT單元＋2個二極管橋式整流單元＋3個框架開關＋1個變流控制板＋1個高電壓采集板組成。金風MW級直驅永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)變流裝置是全功率變流系統(tǒng)，與各種電網(wǎng)的兼容性好，具有更寬范圍內(nèi)的無功功率調(diào)節(jié)能力和對電網(wǎng)電壓的支撐能力。同時，變流系統(tǒng)先進的控制策略和特殊設計的制動單元使風機系統(tǒng)具有很好的低電壓穿越能力（LVRTCapability），以適應電網(wǎng)故障狀態(tài)，在一定時間內(nèi)保持與電網(wǎng)的聯(lián)接和不脫網(wǎng)。通過獨到的信號采集技術、接口技術等提高了變流裝置系統(tǒng)的電磁兼容性，如直流環(huán)節(jié)的均壓接地措施，有效減少了干擾。二、Freqcon變流系統(tǒng)及其部件

2.1Freqcon變流控制器

Freqcon變流控制器的作用是根據(jù)機組主控制器提供的給定信號，分別向變流系統(tǒng)中的升壓斬波器、制動單元和并網(wǎng)逆變器發(fā)出相應控制脈沖，使發(fā)電機的能量通過整流、斬波和逆變后送入電網(wǎng)，在保持中間直流電壓恒定的同時，使逆變器輸出電流達到電網(wǎng)連接要求。

Freqcon變流控制器的輸出信號包括數(shù)字輸出、狀態(tài)顯示、模擬輸出、斬波器控制脈沖輸出、制動單元控制脈沖輸出和逆變器控制脈沖輸出。其中數(shù)字輸出信號包括預充電接觸器閉合、網(wǎng)側接觸器閉合、發(fā)電機接觸器閉合、所有元器件正常、變流器準備完畢、變流器正在發(fā)出觸發(fā)脈沖等；狀態(tài)顯示用于顯示各種故障信號，其中包括升壓斬波器電流過流、制動單元電流過流、網(wǎng)側逆變器電流過流、交流電流過流、交流電壓過壓、直流側電壓過壓、直流側電壓欠壓、升壓斬波器故障、制動單元故障、網(wǎng)側逆變器故障等；模擬輸出信號包括兩個多路轉換開關的輸出信號，六相整流器的輸出電壓，電網(wǎng)頻率，電網(wǎng)側三相交流電壓的有效值和電網(wǎng)側三相交流電流的有效值和有功功率及無功功率等。Freqcon變流系統(tǒng)的控制器實物LED信號燈信號接口撥碼開關正面背面IGBT模塊信號控制接口模擬量接口數(shù)字量接口高壓信號采集接口現(xiàn)場總線接口24伏供電接口變流控制器的原理框圖

如原理框圖所示，該變流控制板分別由以下幾部分電路組成：直流電壓信號處理電路，交流電壓、交流電流信號處理電路，三角波產(chǎn)生電路，數(shù)字輸入、輸出隔離電路，故障信號處理及顯示電路，鎖相環(huán)電路，有功及無功功率計算電路，斬波器控制及脈沖發(fā)生電路，制動單元控制及脈沖發(fā)生電路，逆變器控制及脈沖發(fā)生電路，電流反饋信號處理電路，以及溫度信號處理電路等。其中直流電壓信號處理電路是將整流器輸出電壓、逆變器直流側正極和負極電壓經(jīng)過分壓、濾波、調(diào)理后輸出，作為后級電路的輸入信號；交流電壓和交流電流信號處理電路分別用于計算電網(wǎng)側電壓、電流的有效值，并進行過壓過流保護；三角波產(chǎn)生電路的作用一方面是產(chǎn)生相位互差周期的三角波，用于三重升壓斬波器的PWM控制，另一方面產(chǎn)生相位相差1/2周期的三角波，用于兩重逆變器的PWM控制；鎖相環(huán)電路是將電網(wǎng)電壓鎖相后作為逆變輸出電流的相位參考信號；有功及無功功率計算電路是利用三相交流電壓、電流的瞬時值計算變流器輸出到電網(wǎng)的有功功率和無功功率；斬波器控制及脈沖發(fā)生電路、制動單元控制及脈沖發(fā)生電路、逆變器控制及脈沖發(fā)生電路，分別通過調(diào)節(jié)器及PWM調(diào)制實現(xiàn)斬波器、制動單元和逆變器的閉環(huán)控制，產(chǎn)生相應的觸發(fā)控制脈沖。2.2Freqcon變流系統(tǒng)的IGBT模塊

IGBT模塊封裝結構IGBT內(nèi)部控制結構IGBT內(nèi)部控制控制驅動原理1IGBT內(nèi)部控制控制驅動原理2三、Freqcon變流系統(tǒng)的電機側整流原理四、Freqcon變流系統(tǒng)的電網(wǎng)側逆變原理基本電路調(diào)制逆變波形五、Freqcon變流系統(tǒng)的直流升壓斬波原理

穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等化簡得：

T/toff>1，_輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路工作原理假設L值很大，C值也很大

V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為V斷時，E和L共同向C