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变频器工作原理和功能介绍

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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. 变频器的基本组成 风电变频器工作原理 功能介绍. 目录. 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。. 变频器的基本组成. 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 。.

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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

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变频器的基本组成

风电变频器工作原理

功能介绍

目录
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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。变频器的基本组成
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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。

变频器工作原理
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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。
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Power cabinet section

接触器

断路器

Brake

Generator

Main

Fuses

Drive main contactor

T

and charging circuit

Du/dt filters

Line coupling

Grid

Transformer

Rotor-side

Line-side

Pitch

Drive

Converter

Converter

Medium voltage

Filter

Switchgear

Converter section

主动Crowbar

Upper-level control

System

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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。

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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。

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Crowbar模块在电网电压骤降的情况下,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。

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功能特点

主要功能

主要技术要求

典型单元介绍

LVRT介绍

功能介绍
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——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

——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。

功能特点
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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。

主要功能
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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

主要技术要求
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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

典型的单元介绍
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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

LVRT介绍
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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;

国网对LVRT的要求
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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。

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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。

LV对机组的影响
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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。

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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。

目前典型的解决方案
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