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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
1.1 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
1.1 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。1.5MW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
1.2 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变频器输出连接。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
（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。
2 FD70/FD77风电机组变流器电路分析
2.1 变流器主电路
箱变低压侧3/PE AC 690V 电源电压，通过4mm×240mm电缆（其中一根作为变压器中性点接地线）进入塔筒底部，3相电缆与变流器交流母线排联接，变压器中性点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
2.2 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，然后到继电器E010Q3，再经过加热限流电阻R 到继电器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，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
2.3 变流器与风电机组主控制器的通信控制
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”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1200±1200×10％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MITA 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 connection 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纳总结如下表:
3 FD70/FD77 风电机组变流器典型故障案例
3.1 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。
3.2 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。
3.3 故障现象：4mA~20mA信号中断
更换WP3035，4m A~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。
3.4 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 ：15.33，15.36 输出电压为5V，正常；
断开N112T2 输出脚⑤⑥，串接ma 表，测得结果为11.97ma，接上负载后只有10.89ma ；
在MITA 柜上，断开731、733 插头，直接串接ma 表，测出结果也是11.97ma 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。
3.5 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。
3.6 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。
第五章全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略 5.1 全功率变流器风电机组的工作原理 (1) 5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式 (1) 5.1.2同步发电机 (1) 5.1.3永磁同步风力发电机结构及特点 (3) 5.1.4电励磁同步风力发电机结构及特点 (5) 5.2 全功率变流器风电机组变流器 (5) 5.2.1 电机侧变流器控制策略 (6) 5.2.1 电网侧变流器控制策略 (7) 5.1 全功率变流器风电机组的工作原理 5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式 随着现代风电机组的额定功率呈现上升趋势，风轮桨叶长度逐渐增加而转速降低。例如：额定功率为5MW的风电机组桨叶长度超过60米，转子额定转速为10rpm左右。当发电机为两对极时，为了使5MW风力发电机通过交流方式直接与额定频率为50Hz的电网相连，机械齿轮箱变速比应为150。齿轮箱变速比的增加，给兆瓦级风电机组变速箱的设计和制造提出了挑战。风电机组功率及变速箱变速比增大时，其尺寸、重量及摩擦磨损也在增加。作为另外一种选择，风力发电机可以采用全功率变流器以AC/DC/AC的方式与电网相连。 全功率变流器是一种由直流环节连接两组电力电子变换器组成的背靠背变频系统。这两个变频器分别为电网侧变换器和发电机侧变换器。发电机侧变换器接受感应发电机产生的有功功率，并将功率通过直流环节送往电网侧变换器。发电机侧变换器也用来通过感应发电机的定子端对感应发电机励磁。电网侧变换器接受通过直流环节输送来的有功功率，并将其送到电网，即它平衡了直流环节两侧的电压。根据所选的控制策略，电网侧变换器也用来控制功率因数或支持电网电压。 5.1.2同步发电机 发电系统使用的同步发电机绝大部分是三相同步发电机。同步发电机主要包括定子和转子两部分。定子是同步发电机产生感应电动势的部件，由定子铁芯、三相电枢绕组和起支撑及固定作用的机座组成。转子的作用是产生一个强磁场，并且可以由励磁绕组进行调节，主要包括转子铁心、励磁绕组、滑环等。同步发电机的励磁系统一般分为两类，一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁系统，另一类是用整流装置将交流变成直流后供给励磁的整流励磁系统。发电机容量大时，一般采用整流励磁系统。同步发电机是一种转子转速与电枢电动势频率之间保持严格不变关系的交流电机。 同步发电机的转子基木上是一个大的电磁铁。磁极有凸极和隐极两种结构。凸极转子结构和加工比较简单，制造成本低。中小容量电机一般采用凸极以降低成本；对大容量、高转速原动机，高速旋转的发电机转子将承受很大的离心力，采用隐极可以更好地固定励磁绕组。 同步发电机转子结构示意图 当转子励磁绕组中流过直流电流时，产生磁极磁场或称为励磁磁场。原动机拖动转子旋
风电变流器简介 快速浮点运算能力的“双DSP的全数字化控制器”；在发电机的转子压定向矢量控制策略；系统具有输入输出功率因数可调、自动软并网变流器采用三相电压型交-直-交双向变流器技术，核心控制采用具有防尘、防盐雾等运行要求。 变流器可根据海拔进行特殊设计，可以按客户定制实现低温、高温、和最大功率点跟踪控制功能。功率模块采用高开关频率的IGBT功率QHVERT-DFIG型风电变流器基本原理 器件，保证良好的输出波形。这种整流逆变装置具有结构简单、谐波制，是目前双馈异步风力发电机组的一个代表方向。 变流器工作原理框图如下所示： 统，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解耦控能质量。这种电压型交-直-交变流器的双馈异步发电机励磁控制系含量少等优点，可以明显地改善双馈异步发电机的运行状态和输出电变流器提供实时监控功能，用户可以实时监控风机变流器运行状态。侧变流器实现定子磁场定向矢量控制策略，电网侧变流器实现电网电本文将针对市场上主流的双馈型风电变流器进行简介。 型风电变流器系统功能 变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁，使得双馈发电机关，目前已实现规模化的生产。 06年成功研制第一台风电变流器以来，不断寻求技术革新严把质量风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，我国变流器配电系统提供雷击、过流、过压、过温等保护功能。 的定子侧输出电压的幅值、频率和相位与电网相同，并且可根据需要风能资源丰富，近几年来国家政策也大力扶持风电产业。我公司自求扩展），用户可通过这些接口方便的实现变流器与系统控制器及风进行有功和无功的独立解耦控制。 机和电网造成的不利影响。 变流器提供多种通信接口，如Profibus, CANopen等（可根据用户要场远程监控系统的集成控制。 变流器控制双馈异步风力发电机实现软并网，减小并网冲击电流对电转子侧逆变器、直流母线单元、电网侧整流器。 原理图如下： 控制器、监控界面等部件。 变流器主回路系统包含如下几个基本单元： QHVERT-DFIG型风电变流器系统构成 变流器由主电路系统、配电系统以及控制系统构成。包括定子并网开关、整流模块、逆变模块、输入/输出滤波器、有源Crowbar电路、功率柜主要由功率模块、有源Crowbar等构成。 功率柜：主要负责转子滑差能量的传递。 并网柜：主要用于变流器与发电机系统和电网连接控制、一些控制信控制柜主要由主控箱、PLC、滤波器、电源模块等组成。 并网柜主要由断路器、接触器、信号采集元件、UPS、加热器、信号变流器控制结构框图如下： 接口部分等构成。 号的采集以及二次回路的配置。 上述各功能分配到控制柜、功率柜、并网柜中： 约了机舱空间，柜中还可提供现场调试的220V电源。 成有并网控制系统，用户无须再配置并网柜，提高了系统集成度，节制指令,控制变流器的运行状态 控制系统由高速数字信号处理器（DSP）、人机操作界面和可编程逻配电系统由并网接触器、主断路器、继电器、变压器等组成，自身集辑控制器（PLC）共同构成。整个控制系统配备不间断电源（UPS），控制柜：控制柜主要对采集回的各种模拟数字信号进行分析,发出控便于电压跌落时系统具有不间断运行能力。 成功满发，截止目前运行状态稳定。 附：北京清能华福风电技术有限公司简介 目前在赤峰、大安等风场正陆续进行变流器吊装施工。 限公司自主研发的1.5MW风电变流器在国电联合动力技术有限公司北京清能华福风电技术有限公司成立于2006年7月，由“国内高压变求。 2009年12月28日经过2天的现场调试，北京清能华福风电技术有及其现场调试所相关技术人员的支持下，已于哲里根图风场全部并网公司坐落于中关村科技园，依托清华大学电力系统国家重点实验室的厚的资金、科研、市场、服务实力，为国家大力鼓励、扶持的风力发电事业，提供其拥有自主知识产权的核心装备——兆瓦级风力发电机变流器及其电控系统。一流技术以及利德华福专业化、规模化、现代化的生产厂房，凭借雄以达到满功率发电和连续运行的要求，系统品质达到了风场应用的要资控股，是专门从事开发、制造风电变流器与控制系统产品的高新技术企业。 频器领域最具影响力的企业”——北京利德华福电气技术有限公司投3月至今，在河北建设投资公司和东方汽轮机有限公司的支QHVERT-DFIG型风电变流器具有以下一些特点： 优异的控制性能 完备的保护功能 少发电机损耗，提高运行效率，提升风能利用率。 风速范围内的变速恒频发电，改善风机效率和传输链的工作状况，减 型风电变流器技术特征 型风电变流器可以优化风力发电系统的运行，实现宽良好的电网适应能力 具备高可靠性，适应高低温、高海拔等恶劣地区运行 变流器在河北海兴风电场成功并网发电，通过240小时验收，目前已无故障连续运行8000多小时。成功经历了夏季高温、冬季降雪后的持下，北京清能华福风电技术有限公司自主研发生产的1.5MW风电QHVERT-DFIG型风电变流器最新动态 模块化设计，组合式结构，安装维护便捷 2丰富的备品备件；专业、快速的技术服务 低温、海边盐雾等运行环境的考验，事实证明了：清能华福变流器可
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 1.1 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 1.1 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
风电变流器项目 申报材料 规划设计/投资方案/产业运营
摘要说明— 目前，风电作为应用最广泛和发展最快的新能源发电技术，已在全球 范围内实现规模化应用。在风力发电设备中，风电变流器是风力发电机组 不可缺少的能量变换单元，是风电机组的关键部件之一。风电变流器的行 业规模一般以风电机组装机容量衡量。 该风电变流器项目计划总投资14381.39万元，其中：固定资产投资11092.81万元，占项目总投资的77.13%；流动资金3288.58万元，占项目 总投资的22.87%。 达产年营业收入26846.00万元，总成本费用21187.27万元，税金及 附加244.59万元，利润总额5658.73万元，利税总额6683.83万元，税后 净利润4244.05万元，达产年纳税总额2439.78万元；达产年投资利润率39.35%，投资利税率46.48%，投资回报率29.51%，全部投资回收期4.89年，提供就业职位419个。 报告内容：项目总论、投资背景及必要性分析、市场调研预测、产品 规划、项目建设地研究、项目土建工程、工艺先进性分析、项目环保研究、职业保护、风险评价分析、项目节能分析、项目实施计划、项目投资计划 方案、经济效益评估、综合评价结论等。 规划设计/投资分析/产业运营
风电变流器项目申报材料目录 第一章项目总论 第二章投资背景及必要性分析第三章产品规划 第四章项目建设地研究 第五章项目土建工程 第六章工艺先进性分析 第七章项目环保研究 第八章职业保护 第九章风险评价分析 第十章项目节能分析 第十一章项目实施计划 第十二章项目投资计划方案 第十三章经济效益评估 第十四章招标方案 第十五章综合评价结论
风电变流器简介 风能作为一种清洁得可再生能源,越来越受到世界各国得重视,我国风能资源丰富,近几年来国家政策也大力扶持风电产业。我公司自06年成功研制第一台风电变流器以来,不断寻求技术革新严把质量关,目前已实现规模化得生产。 本文将针对市场上主流得双馈型风电变流器进行简介。 QHVERT-DFIG型风电变流器系统功能 变流器通过对双馈异步风力发电机得转子进行励磁,使得双馈发电机得定子侧输出电压得幅值、频率与相位与电网相同,并且可根据需要进行有功与无功得独立解耦控制。 变流器控制双馈异步风力发电机实现软并网,减小并网冲击电流对电机与电网造成得不利影响。 变流器提供多种通信接口,如Profibus, CANopen等(可根据用户要求扩展),用户可通过这些接口方便得实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统得集成控制。 变流器配电系统提供雷击、过流、过压、过温等保护功能。 变流器提供实时监控功能,用户可以实时监控风机变流器运行状态。变流器可根据海拔进行特殊设计,可以按客户定制实现低温、高温、防尘、防盐雾等运行要求。 QHVERT-DFIG型风电变流器基本原理 变流器采用三相电压型交-直-交双向变流器技术,核心控制采用具有快速浮点运算能力得“双DSP得全数字化控制器”;在发电机得转子侧
变流器实现定子磁场定向矢量控制策略,电网侧变流器实现电网电压定向矢量控制策略;系统具有输入输出功率因数可调、自动软并网与最大功率点跟踪控制功能。功率模块采用高开关频率得IGBT功率器件,保证良好得输出波形。这种整流逆变装置具有结构简单、谐波含量少等优点,可以明显地改善双馈异步发电机得运行状态与输出电能质量。这种电压型交-直-交变流器得双馈异步发电机励磁控制系统,实现了基于风机最大功率点跟踪得发电机有功与无功得解耦控制,就是目前双馈异步风力发电机组得一个代表方向。 变流器工作原理框图如下所示: QHVERT-DFIG型风电变流器系统构成
风电变流器简介 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，我国风能资源丰富，近几年来国家政策也大力扶持风电产业。我公司自06年成功研制第一台风电变流器以来，不断寻求技术革新严把质量关，目前已实现规模化的生产。 本文将针对市场上主流的双馈型风电变流器进行简介。 QHVERT-DFIG型风电变流器系统功能 变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁，使得双馈发电机的定子侧输出电压的幅值、频率和相位与电网相同，并且可根据需要进行有功和无功的独立解耦控制。 变流器控制双馈异步风力发电机实现软并网，减小并网冲击电流对电机和电网造成的不利影响。 变流器提供多种通信接口，如Profibus, CANopen等（可根据用户要求扩展），用户可通过这些接口方便的实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统的集成控制。 变流器配电系统提供雷击、过流、过压、过温等保护功能。 变流器提供实时监控功能，用户可以实时监控风机变流器运行状态。 变流器可根据海拔进行特殊设计，可以按客户定制实现低温、高温、防尘、防盐雾等运行要求。 QHVERT-DFIG型风电变流器基本原理 变流器采用三相电压型交-直-交双向变流器技术，核心控制采用具有快速浮
点运算能力的“双DSP的全数字化控制器”；在发电机的转子侧变流器实现定子磁场定向矢量控制策略，电网侧变流器实现电网电压定向矢量控制策略；系统具有输入输出功率因数可调、自动软并网和最大功率点跟踪控制功能。功率模块采用高开关频率的IGBT功率器件，保证良好的输出波形。这种整流逆变装置具有结构简单、谐波含量少等优点，可以明显地改善双馈异步发电机的运行状态和输出电能质量。这种电压型交-直-交变流器的双馈异步发电机励磁控制系统，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解耦控制，是目前双馈异步风力发电机组的一个代表方向。 变流器工作原理框图如下所示： QHVERT-DFIG型风电变流器系统构成 变流器由主电路系统、配电系统以及控制系统构成。包括定子并网开关、整
1、双馈型风力发电系统的运行原理 双馈型风力发电系统结构图如图1所示，由风轮机、齿轮箱、变桨结构、偏航机构、双馈电机、变流器、变压器、电网等构成。其工作过程为：当风吹动风轮机转动时，风轮机将其捕获的风能转化为机械能再通过齿轮箱传递到双馈电机，双馈电机将机械能转化为电能，再经变流器及变压器将其并入电网。通过系统控制器及变流器对桨叶、双馈电机进行合理的控制使整个系统实现风能最大捕获，同时，通过对变桨机构、变流器及Crowbar 保护电路的控制来应对电力系统的各种故障。 双馈异步发电机的定子与转子两侧都可以馈送能量，由于转子侧是通过变频器接入的低频电流起到了励磁作用， 因此又名交流励磁发电机。双馈异步发电机主机结构特点是：定子与一般三相交流发电机定子一样，具有分布式绕组；转子不是采用同步发电机的直流集中绕组，而是采用三相分布式交流绕组，与三相绕线式异步机的转子结构相似。正常工作时，定子绕组并入工频电网，转子绕组由一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电，转子励磁系统通常采用交-直-交变频电源供电。 图1、双馈风力发电系统结构图 双馈异步发电机在稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止，此时有如下数学关系表达式： 12 r n n n =±2160 f n n f r p ±=
12 11 r n n n s n n ?==±式中，1n 、r n 、2n 分别为定子电流产生磁场的旋转速度、转子旋转速度和转子电流产生磁场相对于转子的旋转速度，1f 、2f 分别为定、转子电流频率，p n 为发电机极对数，s s n n n s ?=为发电机的转差率。由上式可知，当发电机转子转速r n 发生变化时，若调节转子电流频率2f 相应变化，可使1f 保持恒定不变，实现双馈异步发电机的变速恒频控制。当r n <1n 时，电机处于亚同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相同，变频器向转子提供交流励磁，定子向电网馈出电能；当r n >1n 时，电机处于超同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相反，此时定、转子均向电网馈出电能；当r n =1n 时，2f =0，变频器向转子提供直流励磁，此时电机作为普通隐极式同步发电机运行。 双馈电机转子侧接变流器，其调速的基本思想就是要在转子回路上串入附加电势，通过调节附加电势的大小、相位和相序来实现双馈调速。与传统的直流励磁同步发电机相比，双馈异步发电机励磁系统的调节量由一个变为三个，即励磁电流的幅值、频率和相位。所以，调节励磁不仅可以调节发电机的无功功率，还可以调节发电机的有功功率和转子转速。因此，该电机在提高电力系统稳定性、变速运行能力方面有着优良的特性。 2.变速恒频双馈风力发电机运行工况 2.1双馈电机在不同工作状态下的功率分布流程 从上面对双馈电机的分析，我们可以建立双馈电机在不同情况下的运行状态，并且同时分析在该种情况下的功率流程。主要讨论的是定子侧功率1P （向电网输出电能时为正，吸收电网电能时为负），转差功率s P （向电网馈送电能时为正，吸收电网电能时为负）和机械功率mec P （电机吸收机械功率为正，电机输出机械功率时为负）。 1）双馈电机运行于超同步发电机情况下： 整个风机的机械效率 同步转速
风电变流器Crowbar电阻解决方案 风力发电系统图： Crowbar电阻器-低电压穿越技术 低电压穿越：电网电压瞬间跌落时，机组仍能并网运行。 Crowbar电阻能在瞬间把巨大的能量耗散掉。 风力发电低电压运行能力线： CROWBAR电阻能量冲击波形图 500KJ 2.5Ω 冲击时间0.984S 电阻材料SUS 304, 温漂1400ppm/℃,电流峰值7KA,衰减到4.5KA
风力发电系统中电网低电压故障频度，CROWBAR电阻的工作频度： 以1.5MW风力发电机为例，环境温度＜60℃ 200J 1次/秒 220KJ 1次/30分钟 350000次 (20年寿命) 640KJ 1次/星期 1000次 (20年寿命) 1360KJ 1次/月 250次 (20年寿命) Crowbar电阻-栅格结构，自然风冷：
M = Q/(C*Δt) M：电阻材料的质量。单位：kg Q：电阻材料吸收的能量。单位：kJ C：电阻材料的比热容。单位：kJ/kg.K Δt:电阻材料的温升。单位：K 以1.5MW风力发电机为例： 电阻材料：SUS304。 Qmax=1360KJ C=0.5kJ/kg·K Δt=450K M=1360/(0.5×450)=6.04Kg 电阻材料重量：约6.04Kg 辅助材料重量：约20Kg 体积：500×450×150 （mm） Crowbar电阻-夹层结构，自然风冷:
M = Q/(C*Δt) M：电阻材料的质量。单位：kg Q：电阻材料吸收的能量。单位：kJ C：电阻材料的比热容。单位：kJ/kg.K Δt:电阻材料的温升。单位：K 以1.5MW风力发电机为例： 电阻材料：SUS304。 夹层材料：白云母板.耐温500℃ 设计电阻吸收全部能量，最高温升450K.由于瞬间云母绝 缘材料会吸收部分能量，实际电阻温升＜ 400K Qmax=1360KJ C=0.5KJ/Kg·K Δt=400K M=1360/(0.5×400)=6.8Kg 电阻材料重量：约6.8Kg 辅助材料重量：约22Kg 体积：490×320×200 （mm） Crowbar电阻-管式结构，自然风冷：
第二章风电系统PWM并网变流器 2．1直驱风力发电变流系统概述 直驱型风力发电机组需要做全功率的变流器变换"其交／直整流既可以采用ＩGBＴPＷＭ整流器,也可以采用二极管不控整流与升压斩波＂后者使用的大功率ＩＧBT开关管少,因而性价比更高"本文研究的MW级风力发电变流系统采用二极管不控整流,升压斩波与两重并网逆变器的功率变换拓扑结构"通过控制升压斩波器的输入电流以控制有功功率,调节无功则通过控制作为电网接口的电压型PWM变流器"系统变流部分拓扑如图2一1所示＂ 图2一１直驱风力发电变流系统拓扑结构 发电机采用多极永磁同步电机＂发．出的交流电的电压幅值与频率随风速的变化而改变"经电容滤波后,六相二极管桥式整流器将幅值与频率变化的交流电变换为直流"不控整流输出的卜直流电压往往
不能达到网侧逆变(ＰＷM变换）对直流侧电压的要求,需要升压斩波器提高直流侧电压＂三相电压型ＰWＭ变流器将直流电逆变为电压幅值和频率恒定的交流电馈入电网＂图2一1所示的网侧逆变器采用特殊的直流侧中点接地的拓扑结构"另外在升压斩波与网侧逆变器中间有制动单元"一旦电网电压跌落,制动单元IGBT导通,电阻消耗能量,从而减小并网电流＂网侧采用ＬCＬ滤波技术可以有效地滤除PＷＭ变换中产生的高频谐波" 系统结构具有以下特点： １.电机采用多极永磁同步结构:实现了电机的低速运转,无齿轮箱:不需励磁,无滑环和电刷;大大减少了系统的机械维护成本" ２.电机与整流桥均采用六相结构,可减小电压脉动并降低对直流侧滤波电容量的要求" 3．升压斩波器和并网逆变器采用并联多重化结构，一方面分担电流;另一方面采用合理的调制模式可以有效地抑制高频谐波" 4.PＷＭ变流器直流侧中点接地使三相电流独立控制,且对多重化结构能抑制环流,同时由于对直流电压中点的箱位降低了对直流母线绝缘性能的要求；而将直流电压分为两个独立变量,在控制上必须增加一个直流电压控制环或直流电压补偿器,加大了控制难度,且由于中线的连接,引入了零序电流＂ 5.斩波器输出之后加入了制动单元"当电网电压突然跌落时,由于风轮机的机械惯性,传递功率不变而使并网电流突增＂此时使制动
风电变流器 摘要：随着智能电网概念的普及，各国开始注重新能源的利用。风能，作为一种清洁的可再生能源，已开始得到大量利用。但是风能的不稳定性，非连续性也是风能利用的一大难题，风力发电要更好地将风电接网利用，必须在风机上有技术性的突破，变流器是风力发电的一大重要技术，随着风电规模的不断扩大，风电变流器也随之不断推陈出新。本文以双馈型和直驱型变流器为例浅析了风电变流器的技术问题。 关键词：智能电网风力发电双馈型变流器直流型变流器 1.智能电网 随着全球资源的逐渐稀缺、环境压力的不断增大、电力市场化进程的不断深入以及用户对电能可靠性和质量要求的不断提升,电力行业正面临着前所未有的挑战和机遇,建设更加安全、可靠、环保、经济的电力系统已经成为全球电力行业的共同目标。在主张低碳经济与可再生能源的浪潮中，风能、太阳能、生物能等将是今后能源来源的重要途径，欧美许多发达国家的电网企业正积极推进技术革新和管理转变,普遍将智能电网作为未来电网的发展目标之一。美国智能电网关注网络基础架构的升级更新，同时最大限度的利用信息技术，实现机器智能对人工的替代。欧洲智能电网关注可再生能源的分布式能源的发展，并带动整个行业发展模式的转变。中国智能电网关注对电力生产和管理信息的数字化获取和整合，促进系统安全可靠性、企业效益和服务水平的持续提高。值得注意的是我国电网公司在积极开展“数字化电网、信息化企业”建设的同时,也在密切关注全球电力行业发展的这一新动向。 智能电网，是以实现地球可持续发展为总目标，维护能源的优化利用和降低碳排放量，从而达到生态平衡和环境稳定。 2.风能及风力发电 在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。在自然界的能源中，风能是极其丰富的。据粗略估计，近期可以利用的风能总功率约为106～107兆瓦，这个数值比全世界可以利用的水力资源大10倍。但是，这笔巨大的自然财富还有待人类去大力开发。风力发电可分为离网型和并网型两种。离网型风力发电规模较小,通过蓄电池等储能装置或与其它能源发电技术相结合(如风电-水电互补系统、风电-柴油机组联合供电系统),可以解决偏远地区的供电问题;并网型风力发电是指接入电力系统运行且规模较大的风力发电场,并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑,更加充分地开发可利用的风力资源,是风力发电的主要发展方向。
第二章风电系统PWM并网变流器 2.1直驱风力发电变流系统概述 直驱型风力发电机组需要做全功率的变流器变换"其交/直整流既可以采用IGBTPWM整流器,也可以采用二极管不控整流与升压斩波"后者使用的大功率IGBT开关管少,因而性价比更高"本文研究的MW 级风力发电变流系统采用二极管不控整流,升压斩波与两重并网逆变器的功率变换拓扑结构"通过控制升压斩波器的输入电流以控制有功功率,调节无功则通过控制作为电网接口的电压型PWM变流器"系统变流部分拓扑如图2一1所示" 图2一1直驱风力发电变流系统拓扑结构 发电机采用多极永磁同步电机"发.出的交流电的电压幅值与频率随风速的变化而改变"经电容滤波后,六相二极管桥式整流器将幅值与频率变化的交流电变换为直流"不控整流输出的卜直流电压往往
不能达到网侧逆变(PWM变换)对直流侧电压的要求,需要升压斩波器提高直流侧电压"三相电压型PWM变流器将直流电逆变为电压幅值和频率恒定的交流电馈入电网"图2一1所示的网侧逆变器采用特殊的直流侧中点接地的拓扑结构"另外在升压斩波与网侧逆变器中间有制动单元"一旦电网电压跌落,制动单元IGBT导通,电阻消耗能量,从而减小并网电流"网侧采用LCL滤波技术可以有效地滤除PWM变换中产生的高频谐波" 系统结构具有以下特点: 1.电机采用多极永磁同步结构:实现了电机的低速运转,无齿轮箱:不需励磁,无滑环和电刷;大大减少了系统的机械维护成本" 2.电机与整流桥均采用六相结构,可减小电压脉动并降低对直流侧滤波电容量的要求" 3.升压斩波器和并网逆变器采用并联多重化结构,一方面分担电流;另一方面采用合理的调制模式可以有效地抑制高频谐波" 4.PWM变流器直流侧中点接地使三相电流独立控制,且对多重化结构能抑制环流,同时由于对直流电压中点的箱位降低了对直流母线绝缘性能的要求;而将直流电压分为两个独立变量,在控制上必须增加一个直流电压控制环或直流电压补偿器,加大了控制难度,且由于中线的连接,引入了零序电流" 5.斩波器输出之后加入了制动单元"当电网电压突然跌落时,由于风轮机的机械惯性,传递功率不变而使并网电流突增"此时使制动