變頻器原理及功能

1、變頻器工作原理和功能介紹保定天威風(fēng)電科技有限公司技術(shù)部目錄變頻器的基本組成風(fēng)電變頻器工作原理功能介紹變頻器的基本組成一般來說，一個(gè)完成的變頻器系統(tǒng)主要包括兩部分，即主電路部分和控制電路部分，其中主電路部分一般包括整流器、逆變器和斬波器中的一個(gè)或多個(gè)組合。整流器的作用將輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，逆變器將直流電變?yōu)榻涣麟姡瑪夭ㄆ鞯淖饔脼閷χ绷麟妷哼M(jìn)行調(diào)整，不改變電源屬性?？刂撇糠忠话銈€(gè)包括驅(qū)動、保護(hù)、采樣、計(jì)算等電子電路。其組成可以下圖來簡單的表示。主電路部分主要是由各種功率半導(dǎo)體器件組成的功率回路。比較典型的結(jié)構(gòu)如下圖所示?？刂苹芈分饕菫楦鱾€(gè)功率器件提供合適的觸發(fā)信號，使變頻器的輸出符合要求。比

2、較典型的控制回路如下圖所示。變頻器工作原理 無論是風(fēng)電系統(tǒng)用的變頻器還是交流電氣傳動系統(tǒng)用的變頻器，其原理了都可歸結(jié)為利用電力電子半導(dǎo)體功率器件組成的主電路和相應(yīng)的控制電路來實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制的電氣設(shè)備. 對于我們所采用的風(fēng)電變頻器而言，變頻器通過控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電路的勵(lì)磁電流的大小來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和恒頻輸出。其中， 三相異步發(fā)電機(jī)的定子繞組通過斷路器連接到機(jī)組變壓器的低壓側(cè)，轉(zhuǎn)子通過變流器連接到并網(wǎng)點(diǎn)上。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理可由下圖簡單的表示。由圖可以看出，雙饋繞線式異步電機(jī)作為一個(gè)重要的組成部分-發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)的定子通過定子接觸器即同步開關(guān)同690V的電網(wǎng)相連。在轉(zhuǎn)子回路，由IGB

3、T構(gòu)成的變頻器(MPR)給電機(jī)提供電壓，并且其頻率也根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速而變化。此外，在電源主進(jìn)線上還設(shè)有斷路器，起保護(hù)系統(tǒng)的作用。在直流環(huán)節(jié)中相應(yīng)而生的滑差功率也會由另外一個(gè)IGBT變頻器(NPR)反饋至電網(wǎng)或從電網(wǎng)吸收。進(jìn)線電抗也起到了把開關(guān)元器件的脈沖電壓同電網(wǎng)電壓隔離的作用。 T接觸器PitchDriveRotor-sideConverter主動CrowbarMainFusesLine-sideConverterD u / d t filtersGridUpper-level controlSystemLine couplingTransformerFilterBrakeMedium vol

4、tageSwitchgearGeneratorDrive main contactorand charging circuitPower cabinet sectionC o n v e r t e r section斷路器其中，網(wǎng)側(cè)模塊輸入開關(guān)用于手動斷開或接通變流器功率模塊和電網(wǎng)LCL濾波器用于濾除從電網(wǎng)輸入的各次諧波，同時(shí)也防止變流器主電路開關(guān)頻率的諧波竄入電網(wǎng)。網(wǎng)側(cè)模塊通過主接觸器與電網(wǎng)相連，從電網(wǎng)獲得電能輸入。網(wǎng)側(cè)模塊采用三相全橋電路，在發(fā)電機(jī)為亞同步轉(zhuǎn)速時(shí)，將從電網(wǎng)輸入的690V/50Hz三相交流整成直流電，并在負(fù)載波動和電網(wǎng)輸入波動的情況下，保持整流輸出直流電壓穩(wěn)定。在發(fā)電機(jī)為超

5、同步轉(zhuǎn)速時(shí)，工作在逆變狀態(tài)下，向電網(wǎng)饋送能量并通過矢量控制算法來調(diào)整網(wǎng)側(cè)輸出的功率因數(shù)。轉(zhuǎn)子側(cè)模塊在發(fā)電機(jī)為亞同步轉(zhuǎn)速時(shí)，將直流電逆變成三相交流電，供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵(lì)磁控制。在發(fā)電機(jī)為超同步轉(zhuǎn)速時(shí)，工作在整流狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動。通過調(diào)節(jié)、控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的變速恒頻運(yùn)行，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值和相位可以控制發(fā)電機(jī)電勢的相位和幅值，從而控制定子輸出的有功和無功功率；通過矢量控制算法可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立控制從而輸出設(shè)定的功率因數(shù)。du/dt電抗器用于抑制轉(zhuǎn)子側(cè)模塊輸出的電壓過度陡直，避免因電壓變化率過大造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣損壞。Crowbar模塊在電網(wǎng)電壓

6、驟降的情況下，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行短路，為轉(zhuǎn)子電流提供旁路通道，抑制轉(zhuǎn)子側(cè)過電流和直流母線過電壓，實(shí)現(xiàn)對變流器的保護(hù)作用。發(fā)電機(jī)的定子與電網(wǎng)之間通過并網(wǎng)開關(guān)連接，在定子電壓與電網(wǎng)電壓幅值、頻率、相位、相序和波形完全相同時(shí)并網(wǎng)開關(guān)閉合，發(fā)電機(jī)開始向電網(wǎng)饋電。網(wǎng)側(cè)防雷器、轉(zhuǎn)子側(cè)防雷器、用戶配電防雷器、內(nèi)部配電防雷器和信號防雷器使變頻器具有較高的防雷等級，能夠適應(yīng)中雷區(qū)和多雷區(qū)的應(yīng)用需求。功能介紹 功能特點(diǎn) 主要功能 主要技術(shù)要求 典型單元介紹 LVRT介紹功能特點(diǎn) 無功率突變 容性和感性無功功率自動調(diào)節(jié) 能夠在低風(fēng)速下保持較高的能量轉(zhuǎn)換效率 具有良好的低電壓穿越功能 流過變頻器的功率為轉(zhuǎn)差功率，網(wǎng)

7、側(cè)變換器的容量選sE就可以，機(jī)側(cè)變換器因?yàn)橐蜣D(zhuǎn)子提供無功功率，所以容量比網(wǎng)側(cè)的選大些 兩個(gè)變換器的運(yùn)行狀態(tài)可控，均可以在整流/逆變狀態(tài)間運(yùn)行，亞同步運(yùn)行時(shí)能量從電網(wǎng)流向轉(zhuǎn)子，超同步運(yùn)行能量從轉(zhuǎn)子流向電網(wǎng)，同步運(yùn)行轉(zhuǎn)子只提供直流勵(lì)磁電流和電網(wǎng)之間沒有有功交換 網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變換器獨(dú)立控制，前者主要功能是實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸入的單位功率因數(shù)控制和各種狀態(tài)下保持直流環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定，后者通過對轉(zhuǎn)子的電壓、電流、頻率、相位的控制實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的控制。 主要功能通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的相位，控制轉(zhuǎn)子磁場領(lǐng)先于由電網(wǎng)電壓決定的定子磁場，從而在轉(zhuǎn)速高于和低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)都能保持發(fā)電狀態(tài)；額定風(fēng)速以下通過轉(zhuǎn)速控制保證最佳的葉尖速比，

8、實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤;轉(zhuǎn)子電流的頻率為轉(zhuǎn)差頻率，跟隨轉(zhuǎn)速變化，可以通過控制轉(zhuǎn)速，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，實(shí)現(xiàn)輸出電能的恒頻控制（ 雙饋異步發(fā)電機(jī)f1=pfm+f2）； 可以通過矢量變換控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出有功功率、無功功率解耦，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓的幅值，就能控制發(fā)電機(jī)定子輸出的無功功率，調(diào)節(jié)功率因數(shù);可以通過控制轉(zhuǎn)子電流的大小，控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電流增大轉(zhuǎn)速降低，電流減小轉(zhuǎn)速增大。主要技術(shù)要求1、 環(huán)境條件 生存溫度 ：-40到+50 運(yùn)行溫度 ：-30到+40 相對濕度 ：0 到95% 控制部分防護(hù)等級：IP54 功率單元部分防護(hù)等級： IP21 海拔高度：1000m 冷卻方式 ： 空冷 3、變頻

9、器典型數(shù)據(jù)典型的單元介紹整流單元斬波單元逆變單元變壓器單元機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)平波電抗器Crow bar 電路機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)濾波器配電系統(tǒng)控制系統(tǒng)整流 斬波 逆變電源CROWBAR 電路控制系統(tǒng)LVRT介紹國網(wǎng)對LVRT的要求LV對機(jī)組的影響目前典型的解決方案LVRT的控制策略國網(wǎng)對LVRT的要求LVRT（ Low Voltage Ride Through，LVRT）是風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越能力的英文縮寫。是指風(fēng)電系統(tǒng)在并網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，能夠保持并網(wǎng)，并向電網(wǎng)提供無功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)正常工作為止的能力。風(fēng)電機(jī)組應(yīng)該具有低電壓穿越能力：a）風(fēng)電場必須具有在電壓跌至20%額定電壓時(shí)能夠維持并網(wǎng)

10、運(yùn)行625ms的低電壓穿越能力；b）風(fēng)電場電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場必須保持并網(wǎng)運(yùn)行；c）對于故障期間沒有切出電網(wǎng)的風(fēng)電場，其有功功率在故障切除后快速恢復(fù)，至少以每秒10%額定功率的速率恢復(fù)到故障前的值；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不同類型的故障時(shí)，對機(jī)組低電壓穿越的要求如下：1、當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)各線電壓在圖中輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行；風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)任一線電壓低于或部分低于圖中輪廓線時(shí)，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)切出。2、當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生兩相短路故障引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)各線電壓在圖中輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)

11、，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行；風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)任一線電壓低于或部分低于圖中輪廓線時(shí)，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)切出。3、當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相短路故障引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)各相電壓在圖中輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行；風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)任一相電壓低于或部分低于圖中輪廓線時(shí)，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)切出。LV對機(jī)組的影響由于 DFIG 定子直接掛網(wǎng)，電網(wǎng)波動將直接引起定子電流的變化。當(dāng)電網(wǎng)電壓驟降時(shí)，DFIG 發(fā)出的功率不能及時(shí)送出，導(dǎo)致定子側(cè)產(chǎn)生很大的故障電流。由于定、轉(zhuǎn)子之間的強(qiáng)耦合，故障電流立即被傳遞到轉(zhuǎn)子側(cè)；又因?yàn)殡妷后E降導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩變小，運(yùn)行滑差增大，使饋入轉(zhuǎn)子

12、的功率增加，進(jìn)一步引起轉(zhuǎn)子回路的過壓和過流。而且，大電流會導(dǎo)致電機(jī)鐵心飽和、電抗減小，實(shí)際轉(zhuǎn)子電流還要進(jìn)一步增大。轉(zhuǎn)子能量流經(jīng)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器之后，一部分被電網(wǎng)側(cè)變換器傳遞到電網(wǎng)，其余的為直流母線電容充電，導(dǎo)致母線電壓快速升高。如果不能及時(shí)采取保護(hù)措，定、轉(zhuǎn)子繞組僅靠其自身電阻和漏抗不足以抑制浪涌電流，過大的電流和電壓將導(dǎo)致勵(lì)磁變頻器、定轉(zhuǎn)子繞組以及母線電容損壞。 與發(fā)電機(jī)額定容量相比，勵(lì)磁變頻器容量較小，對于一臺兆瓦級風(fēng)電機(jī)組，當(dāng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速限制在0.71.3 pu 時(shí)，變頻器容量一般為 0.250.35 pu，故只能對發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生部分控制效果，因此電網(wǎng)電壓驟降時(shí)必須采取保護(hù)措施抑制RSC的過電流和變換器直流側(cè)的過電壓。而且，定轉(zhuǎn)子電流的大幅波動會造成 DFIG 電磁轉(zhuǎn)矩的劇烈變化，對風(fēng)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生很大的扭切應(yīng)力沖擊。所以，電壓驟降時(shí)DFIG控制策略的主要目標(biāo)應(yīng)該是對轉(zhuǎn)子過電流、直流母線過電壓以及電磁轉(zhuǎn)矩振蕩的有效抑。 目前典型的解決方案目前常用的LVRT解決方案，一是采用電阻來短接轉(zhuǎn)子繞組來旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，為轉(zhuǎn)子側(cè)的浪涌電流提供一條通路