FREQCON变流器简介.doc

FREQCON变流简介by郭锐FREQCON变流器总体结构图各部分简介变压器支架 620/400V自耦变压器提供机组动力用电和控制用电。总容量40KVA，副边22.4KVA 提供主控柜，变流柜用电。17.5KVA提供机舱用电。IGBT2冷却风扇风冷系统循环动力制动电阻制动电阻箱消耗直流母线上过高的能量。网侧故障后的能量消耗，低电压穿越。电抗器支架网侧空开风机的并网与脱网控制。过流、短路等保护功能。注意保护后复位按钮弹出需回复。电流互感器完成电流变送。变比：1/2000。原理：二次侧短路的特殊变压器，二次侧相当于一个电压源。3组（六个）交流电抗器与网侧电容、变压器构成LCL滤波。3个直流电抗器直流斩波升压电抗器。变流柜变流柜由低压配电柜、主控柜、IGBT柜1、IGBT柜2、电容柜5部分组成。变流柜背后风道变流柜模块图每只IGBT模块包含一个智能半桥模块（半桥由串联的两个IGBT和与之反并联的二极管组成，分别称为上桥臂和下桥臂）、16只支撑电容、4只吸收电容、4只均压电阻、1块过压保护板、直流端2只快熔组成。构成三相全桥不可控整流。变流器在整个风机的作用叶轮系统在风作用下受到气动扭矩Ta，叶轮发电机系统转动会因轴承滚动摩擦、风阻等受到与选中方向相反的摩擦力矩Tf，叶轮带动发电机转动，转子上的永磁体旋转切割定子绕组产生感应电势，如果如果定子绕组中有电流流过将产生电枢反应，通过磁场的作用产生阻碍转子转动的电磁力矩Te。在这几个扭矩作用下，叶轮发电机系统刚体动力学方程如如上所示。由方程可知当TaTf+Te时，叶轮发电机系统将在启动力矩作用下转速上升。反之转速将下降。Tf基本为恒量。因此想要调节叶轮转速可以通过调节Ta、Te。由此产生了两种调节方法：一个是变桨调节起动扭矩；另一个是调节发电机电磁扭矩。因此从控制角度来看，变流器需要具有调节发电机电磁扭矩的作用。从能量角度来看风能转化成叶轮系统旋转机械能再通过发电机转换成电能，变流系统需要将发电机发出电能转换成与电网频率、相位、幅值相对应的交流电。完整能量转换作用。Freqcon变流器主电路Freqcon变流器原理图Freqcon变流器主要元器件与电路拓扑对照图整流+BOOST斩波升压原理整流+BOOST斩波升压控制原理逆变侧原理网侧对冲制动回路控制图变流器信号走线图Freqcon变流器采用二极管整流+BOOST DC/DC变换+逆变的AC-DC-AC电力变换形式。整个电路可分为两个部分：整流和逆变。通过二极管整流将发电机发出的不稳定的交流电（1.5MW电机转速017.3rpm，电机电压0690Vac,电压频率012.7Hz）变换成直流电；再通过逆变单元，把直流电逆变成与电网电压、频率、相位相匹配的交流电送入电网逆。下面分别简单介绍主电路各部分的功能：1. 电机侧功率补偿电容由于Freqcon变流器采用被动整流模块，对于发电机而言变流器系统可以近似为一个RCD非线性负载。电机侧补偿电容的功能是为了提高对非线性负载虚功的补偿，从而使发电机端功率因数近似为1（即发电机电压与电流同相位），从而提高系统利用率。2. 二极管整流Freqcon采用两套三相全桥不可控整流方式，将发电机发出的电压和频率不稳定的交流电变换成直流电，与全桥并联的电容起到平波的作用。由于采用的是二极管整流，能量无法双向流动，因此Freqcon变流器不能实现电机的反向拖动。二极管整流后电压与发电机转速及功率有关。3. 斩波升压风电系统中，变流器发电机侧电路的主要功能是从发电机最大可能的拉取功率，注入直流母线。这里涉及的控制问题主要有两个：控制升压电流为给定直流量，以保证发电机运行的稳定性；设定Boost电流参考，保证风力发电机工作在最大功率点附近（或按照设定功率曲线运行）。在我们的系统中，设定Boost电流参考，保证系统工作按照设定功率曲线运行的功能由主控GH策略完成。主控根据GH策略计算得到的发电机所需扭矩发电机转速/二极管整流后电压，即得到Boost电流设定，并通过通讯电缆将设定指令传递给变流器。控制升压电流为给定直流量，保证发电机运行的稳定性则由这里的斩波升压电路实现。Freqcon变流器采用了boost直流升压斩波电路，斩波升压输出侧直接与网侧逆变直流侧相连，并联三重斩波(载波相位相差120)方式减小了发电机侧和逆变侧的电流波动。 斩波升压三支IGBT模块每只IGBT模块包含一个智能半桥模块（半桥由串联的两个IGBT和与之反并联的二极管组成，分别称为上桥臂和下桥臂）、16只支撑电容、4只吸收电容、4只均压电阻、1块过压保护板、直流端2只快熔组成。（IGBT1IGBT3），只有下桥臂和上桥臂反并联的二极管起作用。并联的支撑电容（实际中分散在各个模块内部）中点与“地”相连，将直流母线电压分成+/-600Vdc，构成了三相四线制逆变器拓扑电路的中性点。4. 制动单元当变流器检测到直流母线电压过高（超过+/-610Vdc），制动单元工作，通过制动电阻（与IGBT4模块上桥臂并联，上桥臂不作用）、IGBT4模块下桥臂，释放直流母线上过多的能量，维持母线电压。5. 放电回路放电回路是在变流器停机后将母线上残留的能量通过放电电阻消耗掉，保护机械设备和人身安全。其本质是给母线上的电容放电，放电回路在变流器运行期间不起作用。6. 网侧逆变变流器网侧电路的主要功能是稳定直流母线电压在设定工作点，同时向电网输送电能。逆变单元是三相全桥有源逆变，将直流电转变成频率为50Hz电压为620V，相位与电网同相位的稳定的交流电，再经过变压器与电网相连。网侧六支IGBT模块构成三相，每相两支通过网侧电抗器相连。同相两支IGBT模块载波信号有180的相差，用以减少汇入电网的谐波电流。7. 预充电回路在闭合网侧空开之前，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，则在闭合网侧空开时会对变流系统及电网造成很大的电流冲击。预充电时，预充电继电器动作预充电回路闭合。网侧620Vac通过限流电阻、网侧电抗、网侧逆变单元来给直流母线充电。在此过程中，与网侧IGBT反并联的二极管起到整流二极管的作用。在母线电压达到+/-420Vac,网侧主空开闭合预充电完成。变流控制板变流控制板是变流器控制核心，Freqcon变流控制器使用模拟电路搭建而成，主要功能是实现变流器各功能的控制与监测。1. 控制方面：1) 启动、停机控制2) Boost斩波升压回路控制3) 母线过压制动回路控制4) 电网电压锁相控制5) 双重三相网侧有源逆变控制6) 无功调节控制2. 监控方面：1) 网侧电压测量2) 网侧电流测量3) 网侧频率测量4) 有功测量5) 无功测量6) 故障逻辑7) 显示变流控制板前、后面板介绍变流前面板指示灯说明前面板拨码开关说明后面板24V供电harting头接口定义针脚号信号描述备注124V+最大电流6A224VGND3NC4NC针脚号信号描述连接到I/O（相对变流板）1模拟GND变流子站模块30AI5.2O2变流器网侧电压UL2 1Vdc=50Vrms变流子站模块30AI5.5O3变流器网侧电流I1 1Vdc=270Arms变流子站模块30AI5.7O4变流器网侧电流I3 1Vdc=270Arms变流子站模块30AI6.5O5变流无功功率 1Vdc=175KVA 变流子站模块30AI7.5O6变流器整流电压U 1Vdc=70Vdc-650V,650V变流子站模块30AI6.3O7变流器母线U_DC- 1Vdc=70Vdc变流子站模块30AI7.7O8NC9变流器单支DC斩波升压电流反馈 1V=225Adc变流子站模块30AI8.1O10NC11变流器斩波升压IGBT1温度 0,10V=20,120变流子站模块30AI8.3O12变流器斩波升压IGBT3温度 0,10V=20,120变流子站模块31AI2.1O13变流器网侧L1a IGBT温度 0,10V=20,120变流子站模块31AI2.3O14变流器网侧L2a IGBT温度 0,10V=20,120变流子站模块31AI3.1O15变流器网侧L2b IGBT温度 0,10V=20,120变流子站模块31AI3.5O16变流器网侧L3b IGBT温度 0,10V=20,120变流子站模块31AI3.7O17变流器无功设置值 1V=59Aac变流子站模块31AO4.5I18变流器测试直流电流设定值 1V=75A变流子站模块31AO5.5I19NC20变流器网侧电压UL1 1Vdc=50Vrms变流子站模块30AI5.1O21变流器网侧电压UL3 1Vdc=50Vrms变流子站模块30AI5.3O22变流器网侧电流I2 1Vdc=270Arms变流子站模块30AI6.1O23变流有功功率 1Vdc=175Kw变流子站模块30AI7.1O24模拟GND变流子站模块30AI6.4O25变流器母线U_DC+ 1Vdc=70Vdc变流子站模块30AI7.3O26变流器网侧频率 1Vdc=10Hz变流子站模块30AI6.7O27制动电流 1Vdc=166.6Aac变流子站模块30AI8.5O28NC29NC30变流器斩波升压IGBT2温度 0,10V=20,120变流子站模块30AI8.7O31制动IGBT温度 0,10V=20,120变流子站模块31AI2.5O32变流器网侧L1b IGBT温度 0,10V=20,120变流子站模块31AI2.7O33模拟GND变流子站模块31AI3.6O34变流器网侧L3a IGBT温度 0,10V=20,120变流子站模块31AI3.3O35变流器运行直流电流设定值 1V=180Adc变流子站模块31AO4.1I36变流器测试交流电流设定值 1V=176Aac变流子站模块31AO5.1I37NC后面板37针模拟I/O接口定义后面板37针数字I/O接口定义针脚号信号描述连接到I/O（相对变流板）124V+端子排25X8.1I2NC3变流器测试电流AC 低电平=非测试变流子站模块30DO3.8I4变流器运行 低电平=变流器停止变流子站模块30DO3.1I5制动电阻测试 低电平=非测试变流子站模块30DO3.4I6NC7NC8NC9电机侧空开吸合 低电平=空开不吸合端子排25X8.4O10NC11NC12制动单元IGBT故障 低电平=无故障变流子站模块29DI8.5O13变流器直流母线电压过高变流子站模块29DI7.9O14变流器网侧过压变流子站模块29DI7.5O15变流器网侧逆变IGBT过流变流子站模块29DI7.1O16变流器斩波升压IGBT过流变流子站模块29DI6.4O17变流器准备状态 低电平=未准备好变流子站模块29DI6.1O18备用变流子站模块29DI5.4O19变流器预充电接触器反馈 低电平=未吸合变流子站模块29DI5.1O2024VGND端子排25X8.2O21NC22变流器测试电流DC 低电平=非测试变流子站模块30DO4.4I23变流器使能 低电平=变流器不使能变流子站模块30DO3.5I24机组安全链 24V+国产配置接24V+屏蔽端子排25X8.3I25NC26NC27NC28NC29NC30变流器网侧IGBT故障 低电平=无故障变流子站模块29DI8.4O31斩波升压IGBT故障 低电平=无故障变流子站模块29DI8.1O32变流器直流母线电压过低变流子站模块29DI7.4O33NC34变流器斩波制动IGBT过流变流子站模块29DI6.8O35变流器触发脉冲状态 低电平=无脉冲变流子站模块29DI6.5O36变流器IGBT_OK 低电平=IGBT故障变流子站模块29DI5.8O37变流器主空开反馈 低电平=空开未吸合变流子站模块29DI5.5O后面板25针高压I/O接口定义针脚号信号描述I/O（相对变流板）备注1模拟GND2模拟GND3模拟GND4模拟GND5NC6NC7相电流L3 1V=1000AacI8相电流L2 1V=1000AacI9NC10NC11预充电接触器吸合O高压I/O板，D8 LED点亮送出吸合信号12网侧空开吸合反馈I高压I/O板，D6 LED点亮收到反馈信号1324VGND14相电流L1 1V=1000AacI15相电压L3 1V=70VacI16相电压L2 1V=70VacI17相电压L1 1V=70VacI18直流母线正电压 1V=70VacI19直流母线负电压 1V=70VacI20整流电压 1V=70VacI21NC22NC23网侧空开吸合O高压I/O板，D9 LED点亮送出吸合信号