变频器原理及功能..

整流 斩波 逆变电源
CROWBAR 电路
控制系统
LVRT介绍
• • • • 国网对LVRT的要求 LV对机组的影响 目前典型的解决方案 LVRT的控制策略
国网对LVRT的要求
• LVRT（ Low Voltage Ride Through，LVRT）是风电系统低电压穿越 能力的英文缩写。是指风电系统在并网系统在并网点电压跌落时，能 够保持并网，并向电网提供无功功率，支持电网恢复，直到电网正常 工作为止的能力。 • 风电机组应该具有低电压穿越能力： a）风电场必须具有在电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行 625ms的低电压穿越能力； b）风电场电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风 电场必须保持并网运行； c）对于故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在故障切除后 快速恢复，至少以每秒10%额定功率的速率恢复到故障前的值；
主要技术要求
1、 环境条件 • • • • • • • 生存温度 ：-40℃到+50℃ 运行温度 ：-30℃到+40℃ 相对湿度 ：0 到95% 控制部分防护等级：IP54 功率单元部分防护等级： IP21 海拔高度：1000m 冷却方式 ： 空冷
3、变频器典型数据
典型的单元介绍
• • • • • • • • • 整流单元 斩波单元 逆变单元 变压器单元 机侧和网侧平波电抗器 Crow bar 电路 机侧和网侧滤波器 配电系统 控制系统
当电网发生不同类型的故障时，对机组低电压穿越的要求如下： • 1、当电网发生三相短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点 各线电压在图中轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不 脱网连续运行；风电场并网点任一线电压低于或部分低于图中轮廓线 时，场内风电机组允许从电网切出。 • 2、当电网发生两相短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点 各线电压在图中轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不 脱网连续运行；风电场并网点任一线电压低于或部分低于图中轮廓线 时，场内风电机组允许从电网切出。 • 3、当电网发生单相短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点 各相电压在图中轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不 脱网连续运行；风电场并网点任一相电压低于或部分低于图中轮廓线 时，场内风电机组允许从电网切出。
变频器工作原理和功能介绍
保定天威风电科技有限公司技术部
目录
变频器的基本组成
风电变频器工作原理
功能介绍
变频器的基本组成
• 一般来说，一个完成的变频器系统主要包括两部分，即主电路部分和控制电 路部分，其中主电路部分一般包括整流器、逆变器和斩波器中的一个或多个 组合。整流器的作用将输入的交流电变为直流电，逆变器将直流电变为交流 电，斩波器的作用为对直流电压进行调整，不改变电源属性。控制部分一般 个包括驱动、保护、采样、计算等电子电路。其组成可以下图来简单的表示 。
谢谢！
——网侧和机侧变换器独立控制，前者主要功能是实现交流侧输入的
单位功率因数控制和各种状态下保持直流环节电压的稳定，后者通过 对转子的电压、电流、频率、相位的控制实现对机组的控制。
主要功能
• 通过调节转子电流的相位，控制转子磁场领先于由电网电压决定的定 子磁场，从而在转速高于和低于同步转速时都能保持发电状态； • 额定风速以下通过转速控制保证最佳的叶尖速比，实现最大功率跟踪; • 转子电流的频率为转差频率，跟随转速变化，可以通过控制转速，控 制转子电流的频率，实现输出电能的恒频控制（ 双馈异步发电机 f1=pfm+f2）； • 可以通过矢量变换控制技术，实现发电机输出有功功率、无功功率解 耦，通过调节转子电压的幅值，就能控制发电机定子输出的无功功率 ，调节功率因数; • 可以通过控制转子电流的大小，控制发电机的转速，电流增大转速降 低，电流减小转速增大。
LV对机组的影响
• 由于 DFIG 定子直接挂网，电网波动将直接引起定子电流的变化。当 电网电压骤降时，DFIG 发出的功率不能及时送出，导致定子侧产生很大 的故障电流。由于定、转子之间的强耦合，故障电流立即被传递到转子 侧；又因为电压骤降导致电磁转矩变小，运行滑差增大，使馈入转子的 功率增加，进一步引起转子回路的过压和过流。而且，大电流会导致电 机铁心饱和、电抗减小，实际转子电流还要进一步增大。转子能量流 经转子侧变换器之后，一部分被电网侧变换器传递到电网，其余的为直 流母线电容充电，导致母线电压快速升高。如果不能及时采取保护措， 定、转子绕组仅靠其自身电阻和漏抗不足以抑制浪涌电流，过大的电流 和电压将导致励磁变频器、定转子绕组以及母线电容损坏。
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主电路部分主要是由各种功率半导体器件组成的功率回路。比较典型的结构如 下图所示。
机侧变流器 网侧变流器
发电机 电 网
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控制回路主要是为各个功率器件提供合适的触发信号，使变频器的输出符合 要求。比较典型的控制回路如下图所示。
变频器工作原理
• • 无论是风电系统用的变频器还是交流电气传动系统用的变频器，其原理 了都可归结为——利用电力电子半导体功率器件组成的主电路和相应的控制 电路来实现电能的变换和控制的电气设备. 对于我们所采用的风电变频器而言，变频器通过控制风力发电机的转子 电路的励磁电流的大小来实现风机的稳定运行和恒频输出。其中， 三相异步 发电机的定子绕组通过断路器连接到机组变压器的低压侧，转子通过变流器 连接到并网点上。整个系统的工作原理可由下图简单的表示。
目前典型的解决方案
• 目前常用的LVRT解决方案，一是采用电阻来短接转子绕组来旁路转 子侧变流器，为转子侧的浪涌电流提供一条通路，即是目前常用的 Crowbar电路。按照所用开关元件的不同， Crowbar电路分为主动式 和被动式2种，其中被动式采用晶闸管，主动式采用IGBT等可自关断 器件。二是通过改进控制策略来实现，这种方式在电网电压跌落较少 时比较方便，在电网电压跌落比较大时，单纯的考改变控制策略已经 不能实现穿越。目前各变流器厂家主要采用第一种方案. • 下图为目前比较流行的LVRT解决方案所采用的Crowbar电路。
• Crowbar模块在电网电压骤降的情Fra Baidu bibliotek下，对发电机转子绕组进行短路 ，为转子电流提供旁路通道，抑制转子侧过电流和直流母线过电压， 实现对变流器的保护作用。 • 发电机的定子与电网之间通过并网开关连接，在定子电压与电网电压 幅值、频率、相位、相序和波形完全相同时并网开关闭合，发电机开 始向电网馈电。 • 网侧防雷器、转子侧防雷器、用户配电防雷器、内部配电防雷器和信 号防雷器使变频器具有较高的防雷等级，能够适应中雷区和多雷区的 应用需求。
与发电机额定容量相比，励磁变频器容量较小，对于一台兆瓦级风电 机组，当运行转速限制在0.7~1.3 pu 时，变频器容量一般为 0.25~0.35 pu，故只能对发电系统产生部分控制效果，因此电网电压骤降时必须采 取保护措施抑制RSC的过电流和变换器直流侧的过电压。而且，定转子 电流的大幅波动会造成 DFIG 电磁转矩的剧烈变化，对风电机组机械系 统产生很大的扭切应力冲击。所以，电压骤降时DFIG控制策略的主要目 标应该是对转子过电流、直流母线过电压以及电磁转矩振荡的有效抑。
Power cabinet section
接触器 Brake Generator Main Fuses
断路器
T
Du/dt filters
Drive main contactor and charging circuit
Line coupling Pitch Rotor-side Converter Line-side Converter Filter Medium voltage Switchgear Transformer Grid
• 转子侧模块在发电机为亚同步转速时，将直流电逆变成三相交流电， 供给发电机转子绕组进行励磁控制。在发电机为超同步转速时，工作 在整流状态下，实现能量的双向流动。通过调节、控制转子励磁电流 的频率实现发电机的变速恒频运行，调节励磁电流的幅值和相位可以 控制发电机电势的相位和幅值，从而控制定子输出的有功和无功功率 ；通过矢量控制算法可以实现有功功率和无功功率的独立控制从而输 出设定的功率因数。 • du/dt电抗器用于抑制转子侧模块输出的电压过度陡直，避免因电压变 化率过大造成发电机转子绕组匝间绝缘损坏。
• 由图可以看出，双馈绕线式异步电机作为一个重要的组成部分-发电 机。发电机的定子通过定子接触器即同步开关同690V的电网相连。 在转子回路，由IGBT构成的变频器(MPR)给电机提供电压，并且其频 率也根据不同的转速而变化。此外，在电源主进线上还设有断路器， 起保护系统的作用。在直流环节中相应而生的滑差功率也会由另外一 个IGBT变频器(NPR)反馈至电网或从电网吸收。进线电抗也起到了把 开关元器件的脉冲电压同电网电压隔离的作用。
Drive
主动Crowbar
Converter section
Upper-level control System
• 其中，网侧模块输入开关用于手动断开或接通变流器功率模块和电网 • LCL滤波器用于滤除从电网输入的各次谐波，同时也防止变流器主电 路开关频率的谐波窜入电网。 • 网侧模块通过主接触器与电网相连，从电网获得电能输入。网侧模块 采用三相全桥电路，在发电机为亚同步转速时，将从电网输入的 690V/50Hz三相交流整成直流电，并在负载波动和电网输入波动的情 况下，保持整流输出直流电压稳定。在发电机为超同步转速时，工作 在逆变状态下，向电网馈送能量并通过矢量控制算法来调整网侧输出 的功率因数。
功能介绍
• • • • 功能特点 主要功能 主要技术要求 典型单元介绍 LVRT介绍
功能特点
——无功率突变 ——容性和感性无功功率自动调节 ——能够在低风速下保持较高的能量转换效率 ——具有良好的低电压穿越功能 ——流过变频器的功率为转差功率，网侧变换器的容量选sE就可以，机侧变 换器因为要向转子提供无功功率，所以容量比网侧的选大些 ——两个变换器的运行状态可控，均可以在整流/逆变状态间运行，亚同步运 行时能量从电网流向转子，超同步运行能量从转子流向电网，同步运行转子 只提供直流励磁电流和电网之间没有有功交换