【風力發(fā)電機組主要系統(tǒng)】變流器介紹(中級)

風電機組變流器系統(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

變流器是風電機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，控制風電機組輸出端電壓與電網(wǎng)電壓保持幅值和頻率一致，達到變速恒頻的目的，并且配合主控完成對風電機組功率的控制，且保證并網(wǎng)電能滿足電能質(zhì)量的要求。當電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時，在主控和變槳的配合下，在一定的時間內(nèi)保持風電機組與電網(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)變速恒頻風電機組類型的不同，變流器主要分為全功率變流器和雙饋變流器。

雙饋變流器應(yīng)用在雙饋型風電機組，其控制對象為雙饋發(fā)電機。

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

2.1雙饋型變流器

變流器采用電壓源型交直交拓撲結(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)電機轉(zhuǎn)子相連的DC/AC部分為電機側(cè)變流器。電網(wǎng)側(cè)變流器主要控制目標為維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，并實現(xiàn)能量雙向流動。電機側(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)電機轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁電流的頻率，以保證定子輸出的頻率不變；電機側(cè)變流器調(diào)整轉(zhuǎn)子電流的幅值和相位，則實現(xiàn)對風電機組有功功率和無功功率的控制。

雙饋型變流器拓撲圖

預(yù)充電：電網(wǎng)側(cè)變流器啟動時，先閉合預(yù)充電回路當直流側(cè)電壓達到交流電網(wǎng)電壓有效值的1.2倍時切出預(yù)充電回路，電網(wǎng)側(cè)主接觸器閉合，同時投入交流濾波單元、準備電網(wǎng)側(cè)變流器調(diào)制。當電網(wǎng)側(cè)變流器建立起穩(wěn)定的直流母線電壓后，且發(fā)電機轉(zhuǎn)速在運行范圍內(nèi)，電機側(cè)變流器調(diào)試運行，為發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供交變勵磁電流，控制發(fā)電機定子并網(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拓撲結(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。

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

由變流器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流，定子側(cè)感應(yīng)出交流電壓，當定子電壓與電網(wǎng)電壓一致時，閉合并網(wǎng)開關(guān)，機組并網(wǎng)運行，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為電機極對數(shù)，fs為轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率，由該公式可知，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化時，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，這就是交流勵磁發(fā)電機變速恒頻運行的基本原理。

雙饋型風電機組能量流向上圖中，no代表同步速。n代表當前轉(zhuǎn)速。當n>no時，雙饋發(fā)電機工作在超同步狀態(tài)，此時雙饋發(fā)電機吸收機械能，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n<no時，雙饋發(fā)電機工作在亞同步狀態(tài)，此時雙饋發(fā)電機通過軸上吸收機械能，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的電壓源型拓撲結(jié)構(gòu)。與雙饋變流器通過控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子間接控制定子相比，全功率變流器直接將發(fā)電機定子輸出的電能經(jīng)過變流器饋入電網(wǎng)，且僅有定子回路一條功率通道（雙饋型機組發(fā)電機轉(zhuǎn)子及定子均可發(fā)電）。

發(fā)電機轉(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)電機轉(zhuǎn)矩，動態(tài)響應(yīng)好，發(fā)電機端電流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，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，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、電機側(cè)變流器回路

3、直流側(cè)卸荷單元

4、電勵磁單元（電勵磁機組）

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。

啟動時首先閉環(huán)預(yù)充電開關(guān)，為直流側(cè)充電，待電壓達到母線額定電壓0.8倍時，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。

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

啟動時直流側(cè)電壓已穩(wěn)定建立，電網(wǎng)側(cè)主回路開關(guān)閉合，此時閉合電機側(cè)定子開關(guān)，電機側(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。

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

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，當風電場并網(wǎng)點電壓處于標稱電壓的20%~90%區(qū)間內(nèi)時，風電場應(yīng)能夠通過注入無功電流支撐電壓恢復(fù)，自并網(wǎng)點電壓跌落出現(xiàn)的時刻起，動態(tài)無功電流控制的響應(yīng)時間不大于75ms，持續(xù)時間不小于550ms；注入電力系統(tǒng)的動態(tài)無功電流。1、不脫網(wǎng)要求：風電場并網(wǎng)點電壓跌至20%標稱電壓時，風電場內(nèi)的風電機組能夠保證不脫網(wǎng)運行625ms；風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到標稱電壓的90%時，風場內(nèi)的風電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。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)電機轉(zhuǎn)子多余的能量，同時設(shè)計了完備的緩沖吸收電路使之具備短時間大電流工作要求；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過壓擊穿的風險。低電壓穿越－Chopper電路設(shè)計直流側(cè)配備Chopper電路：電網(wǎng)電壓跌落時，電機側(cè)能量維持不變，電網(wǎng)側(cè)按照無功優(yōu)先的