Freqcon变流系统介绍

112013年11月18日Freqcon变流系统介绍授课：编订：金风大学课程编号：ETIC-00122通过学习风冷变流系统可以了解到机组变流器的组成及原理为学习金风机组做好准备课程设置信息33•课程目标：本次课程需要大家了解风力发电机组的风冷变流系统•培训对象：2013年金风大学嘉泽分校学员•课时：120分钟课程设置信息44课程导入环节提问：风力发电机组变流系统作用是什么？风冷变流系统的构成？55一、1.5MW机组Freqcon变流系统的主拓扑结构二、Freqcon变流系统及其部件三、Freqcon变流系统的电网侧整流原理四、Freqcon变流系统的电机侧逆变原理五、Freqcon变流系统的直流升压斩波原理课程目录66一、Freqcon变流系统主拓扑结构该变流器采用了不可控整流方式把发电机发出的电整流为直流电，通过网侧逆变IGBT模块把直流电变成工频交流电并入电网。其控制方式为集中式控制。变流器的控制器集中的控制每个IGBT功率模块工作，并检测每个IGBT功率模块的工作状态。7Freqcon变流器系统原理图1200VDC升压斩波制动单元滤波电容逆变二极管整流永磁同步发电机风机箱变1250kVA0.62/10kV斩波电抗器前通二极管逆变IGBT续流二极管DC-Link斩波IGBT功补电容电机侧主开关网侧主开关整流支撑电容88基本原理结构91.5兆瓦直驱发电机整流单元主断路器充电电路斩波升压变流控制器电机电容逆变单元制动单元放电电路滤波电容支撑电容Freqcon变流器整体结构框图1010需要解释以下几点：1、在闭合主断路器之前，需要给直流母排进行预充电，因为直流母排上带有大容量电容器，若不预充电，则在闭合主断路器时会对系统造成很大的电流冲击。2、放电电路是在停机后用来给直流母排放电的，其实就是给连在直流母排上的电容器泄放电荷。3、当直流母线上的电压过高时，制动单元工作，释放直流母线上过多的能量，维持母线电压。1111变流系统按照我公司永磁同步风力发电机的特点专门设计，与六相永磁同步发电机具有很好的适应性，即通过六相不可控整流，有效减少或抑制了电机侧的谐波转矩脉动，同时对电机绕组几乎没有du/dt的影响。另外，从上图可看出，变流装置主回路采用多重化并联技术，提高了系统容量（小容量功率器件可用在大容量系统中）、减少了输出电流谐波。中间斩波升压是三重斩波升压，起到了稳压和升压作用，适应了风机的最大风能捕获策略，即把变动的发电机输出电压，与整流回路一起最终稳定在DC-Link电压设定值附近，使DC-Link电压稳定在逆变环节所需的直流电压上。DC/AC变换部分采用两重逆变策略，通过采用先进的PWM脉宽调制技术，有效减少了输出谐波（THD％4%）、提高了系统容量。通过控制上的优化，使电压闪变指标在国际技术标准允许范围之内。变流器主要采用10个IGBT单元＋2个二极管桥式整流单元＋3个框架开关＋1个变流控制板＋1个高电压采集板组成。金风MW级直驱永磁同步风力发电系统变流装置是全功率变流系统，与各种电网的兼容性好，具有更宽范围内的无功功率调节能力和对电网电压的支撑能力。同时，变流系统先进的控制策略和特殊设计的制动单元使风机系统具有很好的低电压穿越能力（LVRTCapability），以适应电网故障状态，在一定时间内保持与电网的联接和不脱网。通过独到的信号采集技术、接口技术等提高了变流装置系统的电磁兼容性，如直流环节的均压接地措施，有效减少了干扰。1212二、Freqcon变流系统及其部件freqcon变流控制器网侧逆变IGBT直流斩波升压IGBT制动单元IGBT整流二级管数字量信号模拟量信号调制脉冲驱动信号调制脉冲驱动信号调制脉冲驱动信号变流器控制子站13132.1Freqcon变流控制器Freqcon变流控制器的作用是根据机组主控制器提供的给定信号，分别向变流系统中的升压斩波器、制动单元和并网逆变器发出相应控制脉冲，使发电机的能量通过整流、斩波和逆变后送入电网，在保持中间直流电压恒定的同时，使逆变器输出电流达到电网连接要求。Freqcon变流控制器的输出信号包括数字输出、状态显示、模拟输出、斩波器控制脉冲输出、制动单元控制脉冲输出和逆变器控制脉冲输出。其中数字输出信号包括预充电接触器闭合、网侧接触器闭合、发电机接触器闭合、所有元器件正常、变流器准备完毕、变流器正在发出触发脉冲等；状态显示用于显示各种故障信号，其中包括升压斩波器电流过流、制动单元电流过流、网侧逆变器电流过流、交流电流过流、交流电压过压、直流侧电压过压、直流侧电压欠压、升压斩波器故障、制动单元故障、网侧逆变器故障等；模拟输出信号包括两个多路转换开关的输出信号，六相整流器的输出电压，电网频率，电网侧三相交流电压的有效值和电网侧三相交流电流的有效值和有功功率及无功功率等。1414Freqcon变流系统的控制器实物LED信号灯信号接口拨码开关正面1515背面IGBT模块信号控制接口模拟量接口数字量接口高压信号采集接口现场总线接口24伏供电接口1616变流控制器的原理框图图1进口变流控制板原理框图电压基准过压过流保护输入信号隔离有功及无功计算多路转换开关直流电压直流电压信号处理交流电压交流电压有效值交流电流交流电流有效值电源给定信号输出信号隔离数字输出模拟输出故障处理显示电路状态显示给定信号PWM调制制动单元脉冲输出制动单元控制锁相环三角波产生电路IGBT电流反馈电流反馈信号处理温度信号处理斩波器控制斩波器脉冲输出逆变器控制PWM调制逆变器脉冲输出PWM调制IPM模块温度温度传感器斩波器控制脉冲逆变器控制脉冲制动单元控制脉冲数字输入1717如原理框图所示，该变流控制板分别由以下几部分电路组成：直流电压信号处理电路，交流电压、交流电流信号处理电路，三角波产生电路，数字输入、输出隔离电路，故障信号处理及显示电路，锁相环电路，有功及无功功率计算电路，斩波器控制及脉冲发生电路，制动单元控制及脉冲发生电路，逆变器控制及脉冲发生电路，电流反馈信号处理电路，以及温度信号处理电路等。其中直流电压信号处理电路是将整流器输出电压、逆变器直流侧正极和负极电压经过分压、滤波、调理后输出，作为后级电路的输入信号；交流电压和交流电流信号处理电路分别用于计算电网侧电压、电流的有效值，并进行过压过流保护；三角波产生电路的作用一方面是产生相位互差周期的三角波，用于三重升压斩波器的PWM控制，另一方面产生相位相差1/2周期的三角波，用于两重逆变器的PWM控制；锁相环电路是将电网电压锁相后作为逆变输出电流的相位参考信号；有功及无功功率计算电路是利用三相交流电压、电流的瞬时值计算变流器输出到电网的有功功率和无功功率；斩波器控制及脉冲发生电路、制动单元控制及脉冲发生电路、逆变器控制及脉冲发生电路，分别通过调节器及PWM调制实现斩波器、制动单元和逆变器的闭环控制，产生相应的触发控制脉冲。18182.2Freqcon变流系统的IGBT模块1919IGBT模块封装结构2020IGBT内部控制结构2121IGBT内部控制控制驱动原理12222IGBT内部控制控制驱动原理223三、Freqcon变流系统的电机侧整流原理a)+abcTiaRCudidiCiRVD4VD6VD1VD3VD5VD2b)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt2424四、Freqcon变流系统的电网侧逆变原理图6-6urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2Ud基本电路调制逆变波形2525五、Freqcon变流系统的直流升压斩波原理稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等化简得：T/toff1，_输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路工作原理–假设L值很大，C值也很大–V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为–V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为EVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOtt图为升压斩波电路及其工作波形a）电路图b）波形ontEI1off1otIEUoff1oon1tIEUtEIEtTEtttUoffoffoffono26升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用二是电容C可将输出电压保持住2727本次课程到此结束谢谢大家！