《变流器运行与维护》课件-3.1 任务一 风力发电系统控制

任务一风力发电系统控制周建强2026/3/2601风力发电机功率控制02全功率变流器系统组成03双馈变频器系统组成01风力发电机功率控制

01风力发电机功率控制苏格拉底【学习目标】

1.了解风机控制系统主要功能；2.理解风力机的最大功率跟踪控制；3.了解变桨系统的功率调节及控制。01风力发电机功率控制苏格拉底

风电变流器是变速恒频风电机组的核心部件之一，风电变流器由电力电子主电路和变流控制单元及保护单元组成。风电变流器能在一定的功率和转速范围内根据风速的大小改变发电机的转速，从而维持最佳叶尖速比，使风机实现了最佳风能捕获，同时实现发电功率的并网控制以及对电网无功的支持和高、低电压穿越控制。01风力发电机功率控制苏格拉底1控制系统主要功能（1）根据风速状况，自动实现风电机组的启动、变流器的并网运行、转矩或功率跟踪、自动停机等一系列的时序判断，并协调控制风力机、发电机、变流器各关键部件的运行,（2）利用各类传感器自动检测风力机系统的运行参数及运行状态;（3）根据实时检测的风况条件，控制变流器实现最大功率点跟踪控制;（4）当风速变向时，控制偏航系统动作；（5）当风速超过额定风速时，控制变桨系统实现功率调节等；（6）实现各关键部件的故障保护和转速限速及桨叶刹车功能,（7）实现远程通信功能。通过局域网连接到互联网，实现风电机组的远程启停控制，以及机组运行数据及故障记录的远程查询等。01风力发电机功率控制苏格拉底2风电机组的功率控制风电机组的功率控制主要实现额定风速以下风力机的最大功率捕获以及额定风速以上的限功率和限速控制。主要包括最大功率点跟踪控制以及变桨矩控制。01风力发电机功率控制苏格拉底2.1风力机的最大功率跟踪控制为了提高风能利用效率，实现每个风速点风力机的最大功率捕需要进行风力机的最大功率跟踪(MPPT)控制。一般而言，风力机的MPPT控制策略可分为:功率闭环控制(PSF)、转矩闭环控制(TSF)爬山法控制(HCS)。01风力发电机功率控制苏格拉底2.1风力机的最大功率跟踪控制爬山法控制(HCS)HCS是通过发电机转速扰动并根据其输出功率的变化来相应调整发电机的转速增量，从而搜索出风力机的最大功率点。优点：无须风速检测，也避免了对风力机空气动力特性的实验测量，实现方案较为简单，缺点：风力机输出瞬时功率受风轮机惯性的影响，因此HCS方案一般应用于惯性较小的小功率风力发电系统。而对于兆瓦级容量的风电机组，由于系统各部件具有较大的惯性常数，HCS方案难以实现准确的最大功率点搜索。01风力发电机功率控制苏格拉底2.1风力机的最大功率跟踪控制功率闭环控制(PSF)与转矩闭环控制(TSF)对于大型风电机组而言，一般可采用功率闭环控制(PSF)和转矩闭环控制(TSF)来实现风力机的MPPT控制。【通过快速跟踪风机总控系统下发的功率指令来实现MPPT控制。P=Tω，因此实际的风电机组总控常以转矩指令下发风电变流器，通过转矩跟踪控制来实现风力机的最大功率点控制】01风力发电机功率控制苏格拉底2.1风力机的最大功率跟踪控制功率闭环控制(PSF)与转矩闭环控制(TSF)对于一台风力机而言，在桨距角B和空气密度p一定时，总有一个最佳叶尖速比λopt（一个特定的转速n），对应着最佳功率系数CPmax。换言之，对于一个特定的风况(风速v和空气密度p一定），风力机只有在一个特定的转速n运行时，才可能获得最高的风能转换效率。01风力发电机功率控制苏格拉底2.1风力机的最大功率跟踪控制功率闭环控制(PSF)与转矩闭环控制(TSF)根据风力机的CP、n、v和p等参数即可计算出发电机实时响应风力机的功率或转矩给定指令。01风力发电机功率控制苏格拉底01风力发电机功率控制苏格拉底2.2变桨系统的功率调节及控制通过减小攻角（叶片攻角一般在0°~90°内变化）来降低风力机捕获的风能功率，从而达到维持风机转速恒定的目的。02全功率变流器系统组成

01风力发电机功率控制苏格拉底【学习目标】

1.了解全功率变流器与双馈变频器的组成；2.掌握金风主流变频器的结构及功能；3.掌握金风主流变频器的结构及功能。02全功率变流器系统组成苏格拉底02全功率变流器系统组成苏格拉底02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2金风全功率变量系统

金风

1500kW风力发电机组拥有FREQCON、VERTECO、SWICTH三种变流器，其中VERTECO变流器在金风1500装机中占有比重最大。FREQCON变流器在2008年国产化项目组在原有设计(德国Vensys公司)的基础上，进行了重新设计、选型改造等技术工作。02全功率变流器系统组成苏格拉底Freqcon变流系统的原型是金风公司于2005年从德国Vensys公司引进的1.2MW风力机组中的电控系统，2006年金风在新疆达坂城风电场安装了3台1.5MW的这种设计的机组，这可以说是金风最早的1.5MW风机电控原型。因为该系统是设计公司Vensys在一家名为FreqconGmbH的电控公司开发生产的，经过重新设计、选型改造2008年国产化项目组在原有设计的基础上，进行等技术工作。02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.1Freqcon变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.1Freqcon变流器发电机(6相)--发电机开关柜--补偿电容组--二极管整流电路--斩波升压电路(boost)--直流母线--逆变器电路--LCL滤波电路--箱变--电网02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.1Freqcon变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.1Freqcon变流器逆变器预充电和配电回路02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.1Freqcon变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.1Freqcon变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.1Freqcon变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.1Freqcon变流器IGBT模块也是金风自主设计生产的功率模块包括IGBT--Semikron公司的Skiip功率单元;直流支撑电容(铝电解)Snubber滤波电容;保护熔断器，并加装了过压保护板;叠层母排设计节省空间，散热器后置，直流排前部连接，交流排侧面连接。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，如图3-13。02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.1Freqcon变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底02全功率变流器系统组成苏格拉底02全功率变流器系统组成苏格拉底02全功率变流器系统组成苏格拉底金风自研控制器测试装置02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.1Freqcon变流器控制回路控制回路主要是使用24VDC供电的设备，它们通过PLC、变流器控制器等共同实现变流器逻辑、功能、保护等功能。02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Verteco变流器

SWITCH变流器由芬兰的TheSwitch公司研制，金风引进的变流器技术。金风‌Verteco变流器‌的技术合作方为‌英飞凌（Infineon）公司合作开发的变流器，是金风1.5MW直驱机组主流变流器。Verteco变流器Switch变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Verteco变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Verteco变流器1U1为网侧逆变功率模块，2U1和3U1为发电机侧整流功率模块，4U1为制动功率模块。网侧逆变功率模块1U1的作用是将直流母线上的电能转换成为电网能够接受的形式并传送到电网上。而发电机侧整流功率模块2U1和3U1则是将发电机发出的电能转换成为直流电能传送到直流母线上。制动功率模块4U1则是在某种原因使得直流母线上的电能无法正常向电网传递或直流母线电压过高时，将多余的电能在电阻4R1和5R1上通过发热消耗掉，以避免直流母线电压过高造成器件的损坏。02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Verteco变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Verteco变流器风机并网前3K11吸合，通过整流模块3H1整流后对直流母线进行充电，防止风机并网时对母线和功率单元有电流冲击，损坏元器件；发电机定子两路绕组出来连接两组整流模块2U1、3U1，采用双绕组发电机选用两组整流器(采用主动整流方式，整流部分采用可控的IGBT整流)，相对来说减少单个功率单元和其他元件的容量，虽然双PWM背靠背方案全控器件数量较多，控制电路复杂，成本较高，但具有较高的效率，电流通过PWM控制逆变器1U1以后其实是脉宽波，再经过1L1、1C1滤波以后电流为正弦波，送入电网。制动功率模块4U1则是在某种原因使得直流母线上的电能无法正常向电网传递(电网电压跌落)或直流母线电压过高时，将多余的电能在电阻4R1和5R1上通过发热消耗掉，以避免直流母线电压过高造成器件的损坏。02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Verteco变流器4U1控制盒4U1网侧断路器1Q1，注意:箭头所指的位置是机械锁定钥匙需要进行机械锁定时最好将钥匙拨到水平位置后将钥匙拔离以确保安全。钥匙位于与地面垂直位置时表明断路器处于正常工作状态，此位置无法移除钥匙。02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Verteco变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Verteco变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Verteco变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Verteco变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Verteco变流器功率模块的控制模块控制盒（主控制器）：作为系统级控制中枢，负责整体协调与策略制定，包含：接收风场调度指令并解析控制逻辑；协调变流器各子模块间的时序与数据交互；实现与电网监控系统的通信协议对接。‌ASIC板（专用集成电路板）：承担硬件级算法加速与精准控制任务：集成磁场定向控制（FOC）等核心算法，实现电机转矩/转速闭环控制；通过固化硬件逻辑执行高频信号处理（如电流采样滤波、PWM波形调制）；内置过流/过压保护机制，提升系统响应速度。02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Verteco变流器‌Drive板（驱动板）——实现信号转换与功率驱动前级处理：将ASIC板的控制信号转换为IGBT/MOSFET可识别的驱动电平，集成光耦隔离电路，确保高低压电气隔离；提供功率器件状态反馈至控制层。‌

门极驱动板——专注于功率半导体器件的直接控制。生成满足开关特性的栅极电压波形，优化开关损耗；内置死区时间控制电路，防止桥臂直通故障；实时监测功率器件温度并触发保护机制。协同工作流程‌控制层级：模块控制盒下达全局指令

→ASIC板完成算法解算→Drive板生成驱动波形→门极驱动板执行功率器件开关动作。‌信号流：传感器数据

→ASIC板处理→控制指令→Drive板信号转换→门极驱动板执行→功率器件输出。‌保护联动：门极驱动板检测功率异常

→触发硬件保护信号→ASIC板中断算法→模块控制盒记录故障日志02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Verteco变流器网侧控制原理其控制对象为网侧电压和直流母线电压，这两个控制对象本质上分别代表网侧无功功率和有功功率。当网侧电压上升时，需要网侧模块提供感性无功；而当网侧电压下降时则需要提供容性无功。

02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Verteco变流器3.3电机侧控制原理02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.2

SWITCH、Freqcon变流器区别02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器金风2.0MW以上机组变流器是在SWITCH技术引进基础上开发的自主技术变流器。金风如图７所示为金风2.0MW全功率变流器I型主回路拓扑结构。双三相直驱永磁同步发电机通过全功率背靠背变流器与电网相连。全功率变流器一般由预充电回路、电网侧主接触器、RC滤波单元、网侧电抗、网侧变流器、机侧变流器、机侧电抗、Crowbar等部分组成。直驱型风力发电机组

机侧变流器具有不同的拓扑结构，机侧变流器常见类型有被动整流拓扑结构和主动整流拓扑结构02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器（2）变流器功率柜及功率模块02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器3Switch变流系统和主控连接电缆

主电缆包括：（1）变流系统电源电缆：400VAC，5х4mm2（2）变流系统UPS电源电缆：230VAC，3х1.5mm2（3）电流互感器电缆：400VAC，4х1.5mm2（4）电控系统总电源电缆：690VAC，3х10mm202全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器控制和通信电缆：ProfibusDP通信电缆有（a）主控到变流的DP信号；（b）变流到主控的DP信号和（c）硬件控制线的控制信号控制器和变流器PLC的10芯控制线的控制信号（控制线，24VDC，10x1mm2）包括（1）变流系统准备启动；（2）变流系统故障；（3）变流系统急停；（4）变流系统急停复位；（5）变流系统启动使能02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器CAN总线与DP通信拓扑图02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器以太网通信拓扑图02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器4变流控制器（1）变流器PLC其主要功能是接收主控的控制命令，并根据各个控制器的状态向控制器下发命令；同时收集各个控制器的状态数据，上传给主控制器。02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器西门康SkiiP2414模块(IGBT)02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器英飞凌模块(IGBT)02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器02全功率变流器系统组成苏格拉底1.2.3金风2.0MW以上机组变流器台达驱动电路03双馈变流器系统组成

03双馈变流器系统组成苏格拉底1

双馈风电机组变流器主电路03双馈变流器系统组成苏格拉底1

双馈风电机组变流器主电路03双馈变流器系统组成苏格拉底双馈变流器特点1)零功率并网，对电网冲击小；2）宽范围并网，亚同步、超同步均可并网，4s内可完成并网动作，快速响应发电机的各种动态变化，可适应不同主控并网要求；3）功率闭环控制，响应精度高，电网电压平稳；4）产生所需要的转矩、功率；5）产生所需要的无功功率；6）具备低电压穿越功能；7）合理的热设计，既可在极低温度下启动成功，又可在高温时保持各部件温度低，保证使用寿命；8）模块化结构，较少的平均维护时间；9）合理的设计，方便安装与维修，可实现单人单机维护；10）良好的电网连通性，很好的电源质量。03双馈变流器系统组成苏格拉底2变流器的组成——科诺伟业变流器变流器由A1柜-功率柜，A2柜-控制柜，A3柜-并网柜三部分组成

A3柜A2柜A1柜03双馈变流器系统组成苏格拉底2变流器的组成功率柜（A1柜）包括了变流器的功率部分，它的作用是实现发电机转子与电网之间的能量的交换，通过对发电机转子励磁电流的控制，实现对发电机定子电压的频率、幅值、相位及有功、无功的控制，从而达到并网要求，实现变流器并网发电。A1柜的主要部件如右图所示。03双馈变流器系统组成苏格拉底2变流器的组成直流卸荷的作用：保护直流母线，防止母线过压，电网电压跌落时，释放直流母线的能量。低电压穿越技术：电网电压跌落时，释放发电机转子侧能量。03双馈变流器系统组成苏格拉底2变流器的组成直流电容：支撑直流母线电压,电网侧变流器与电机侧变流器通过直流侧电容相连，电容起到稳压与能量缓冲的作用。机侧、网侧功率单元：主要是两个IGBT桥式全控整流和逆变。03双馈变流器系统组成苏格拉底2变流器的组成电网侧电抗器：主要应用于控制直流母线升压和滤波作用。电机侧电抗器：主要是抑制谐波。03双馈变流器系统组成苏格拉底2变流器的组成控制柜（A2柜）

控制柜

包括了变流器的控制部分，由前后两部分组成，前面一部分是电路板，实现了信号调理、控制信号产生和通讯等功能，后面一部分是网侧主接触器和热过载继电器回路。03双馈变流器系统组成苏格拉底2变流器的组成序号标签名称功能说明1A2AP1电网侧CUP板实现电网侧变流器的矢量控制算法和逻辑控制，完成和主控的通信和信息处理。2A2AP2电流转换电压板完成定子的电流互感器的信号模式转变。3A2AP3电机侧CPU板实现电机侧变流器的矢量控制算法和逻辑控制，完成和主控的通信和信息处理。4A2AP4码盘板完成对码盘供电电压选择和对码盘信号的处理。5A2AP5机侧IO板用于变流器内部执行器件的控制和状态检测，对外实现和主控的通讯。6A2AP6电流采集及温度采集板对电网和变流器内部网侧的电压、电流和温度等信号进行调理。7A2AP7直流电压板对于直流母线电压信号进行调理。8A2AP8网侧交流电压测量板对于电网的电压信号进行采集和调理。9A2AP9电流采集及温度采集板对电网、电机和变流器内部转子侧的电流和温度等信号进行调理。10A2AP10机侧交流电压测量板对电机定子侧和电网的电压信号进行采集和调理。11A2AP23网侧IO板用于变流器内部执行器件的控制和状态检测，对外实现和PC机通讯。03双馈变流器系统组成苏格拉底2变流器的组成图

A2AP1电网侧CPU板03双馈变流器系统组成苏格拉底2变流器的组成A2AP23电网侧IO板03双馈变流器系统组成苏格拉底2变流器的组成03双馈变流器系统组成苏格拉底2变流器的组成A2AP3机侧CPU板03双馈变流器系统组成苏格拉底2变流器的组成03双馈变流器系统组成苏格拉底2变流器的组成03双馈变流器系统组成苏格拉底2