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1、东汽 FD70/FD77 风电机组变流器系统原理及应用1 变速恒频发电系统的工作原理1.1 交流电机的旋转磁场以单相交流电机为例，单相交流电机有 2 个绕组，它们在空间上相差 90 正交分布，分别给 2 个绕组加入时间上相差 90 的交流电。如图 1（a）所示，发电机定子上正交分布有 2 个绕组，一个是 AX，另一个是 BY。2 个绕组加上的电流波形如图 1（b）所示。我们规定从 A 流进 X 流出或从 B 流进 Y 流出为正方向；从 X 流进 A 流出或从 Y 流进 B 流出为负方向。图 1 单项交流电机绕组在 t0 时刻，A 绕组上通过的电流为零；B 绕组上通过的电流为负的最大值。根据电磁
2、定律，t0 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向。在 t1 时刻，A 绕组上通过的电流为正的最大值，B 绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t0 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从上至下方向。在 t2 时刻，A 绕组上通过的电流为零，B 绕组上通过的电流为正的最大值，根据电磁定律，t2 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从右至左方向。在 t3 时刻，A 绕组上通过的电流为负的最大值，B 绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t3 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从下至上方向。在 t4 时刻，正好回到 t0 时刻的状态，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向。电流变化一个周期，两个绕组合成的磁场旋转一
3、周。旋转磁场的转速为 n=60f/p。同理，如果三相绕组在空间上按 120 对称分布，三相绕组在时间上分别加上相位相差 120 的三相交流电。同样要在转子铁芯周围形成一个旋转磁场。旋转磁场的转速 n=60f/p。其中，f 为三相交流电频率。P 为磁极对数。1 变速恒频发电系统的工作原理1.1 交流电机的旋转磁场以单相交流电机为例，单相交流电机有 2 个绕组，它们在空间上相差 90 正交分布，分别给 2 个绕组加入时间上相差 90 的交流电。如图 1（a）所示，发电机定子上正交分布有 2 个绕组，一个是 AX，另一个是 BY。2 个绕组加上的电流波形如图 1（b）所示。我们规定从 A 流进 X
4、流出或从 B 流进 Y 流出为正方向；从 X 流进 A 流出或从 Y 流进 B 流出为负方向。图 1 单项交流电机绕组在 t0 时刻，A 绕组上通过的电流为零；B 绕组上通过的电流为负的最大值。根据电磁定律，t0 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向。在 t1 时刻，A 绕组上通过的电流为正的最大值，B 绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t0 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从上至下方向。在 t2 时刻，A 绕组上通过的电流为零，B 绕组上通过的电流为正的最大值，根据电磁定律，t2 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从右至左方向。在 t3 时刻，A 绕组上通过的电流为负的最大值，B 绕组上通
5、过的电流为零，根据电磁定律，t3 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从下至上方向。在 t4 时刻，正好回到 t0 时刻的状态，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向。电流变化一个周期，两个绕组合成的磁场旋转一周。旋转磁场的转速为 n=60f/p。同理，如果三相绕组在空间上按 120 对称分布，三相绕组在时间上分别加上相位相差 120 的三相交流电。同样要在转子铁芯周围形成一个旋转磁场。旋转磁场的转速 n=60f/p。其中，f 为三相交流电频率。P 为磁极对数。若定子或转子绕组，在任一时刻合成的磁场只有一对磁极（磁极对数p=1），即只有两个磁极，对旋转磁场而言, 三相电流变化一周, 合成磁场也随之旋转
6、一周，如果是 50Hz 的交流电，旋转磁场的同步转速就是 3000r/min。如果定子绕组合成的磁场有两对磁极（磁极对数 p=2），即有四个磁极，可以证明，电流变化一个周期，合成磁场在空间旋转 180，由此可以推导得出：p 对磁极旋转磁场每分钟的同步转速为 n=60f/p。当磁极对数一定时，如果改变交流电的频率，则可改变旋转磁场的同步转速，这就是变频调速的基本原理。1.5MW 风电机组的同步转速是 1500r/min, 所以双馈发电机的定子/转子绕组磁极对数是 2，即旋转磁场每分钟的转速为n=30f。也即频率 f=50Hz，同步转速 n0=3050=1500r/min。图 2 转子与定子结构示
7、意图1.2 变速恒频发电机结构和原理双馈发电机的定子通过开关和电网连接，转子通过碳刷引出和变频器输出连接。如图 2 所示，观察方向从左至右，转子旋转方向为顺时针旋转；相对定子不动，转子转速为 n。风电机组转速小于同步转速 1500r/min 时，在转子绕组上加上低频交流电，在转子线圈周围就会形成旋转磁场。这个旋转磁场的转速，相对于转子轴（相当于转子不动）来定义，转速为 n1，方向与转子旋转方向 n 相同。n 和 n1 方向相同，两者同向相加，合成为转子旋转磁场 n0。转子绕组旋转磁场，相对于转子轴而旋转；转子旋转磁场，相对于定子绕组而旋转。风电机组转速大于同步转速 1500r/min 时，改变
8、转子电流的相序，可以改变转子绕组旋转磁场的方向，使得转子绕组旋转磁场的方向 n2 与转子旋转方向 n 相反。改变转子电流的频率可以改变转子绕组旋转磁场的速度，n 和 n2 方向相反，两者反向相减，合成为转子旋转磁场 n0=1500r/min。例如：当风电机组转速为 1200r/min 时，在转子绕组上加上一个正向旋转的三相交流电，频率为 10Hz，则转子旋转磁场的转速n0=n+n1=1200+3010=1500r/min。以 1500r/min 的旋转磁场切割定子绕组，则在定子绕组上感应出 50Hz 的交流电。当风电机组转速为 1800r/min 时，在转子绕组上加上一个反向旋转的三相交流电，
9、频率为-10Hz，则转子旋转磁场的转速 n0=n+n2=1200+3010=1500r/min。变流器通过实时跟踪发电机转子的转速，从而实时调整变流器输出的转子电流频率和相序，可以保证转子旋转磁场的转速始终保持为同步转速1500r/min，从而保证发电机发出的电压频率为工频 50Hz，无论发电机的转速是多少（1100r/min1800r/min），发电机输出电压频率都是 50Hz，实现变速恒频发电。变流器主要完成电源频率的变换，网侧 NPR IGBT 负责将 690V 电源电压整流成 1000V 以上的直流母线电压或者将直流母线电压逆变成工频 50Hz 的 690V 电源电压反馈回电网；机侧
10、MPR IGBT 负责将直流母线电压逆变成频率（0Hz40Hz）可调、幅值和相位可调的交流电压加到转子绕组上，或者将发电机转子绕组发出的变频交流电压整流成直流母线电压，再由网侧 IGBT 将直流母线电压逆变成工频 50Hz 的 690V 电源电压反馈回电网（图 3）。图 3 电源频率变换示意图当风速较小，发电机的转速小于同步转速时，转子绕组需要励磁。能量从电网到变流器再到转子绕组线圈，通过网侧 IGBT- 直流母线电压- 机侧 IGBT 变换成频率、幅值和相位可调的交流电压加到转子绕组上。当风速较大，发电机的转速大于同步转速时，转子绕组要对外发电，首先经过机侧 IGBT 把发电机转子绕组发出的
11、变频交流电压整流成直流母线电压，再通过网侧 IGBT 将直流母线电压逆变成工频 50Hz 的 690V 电源电压反馈回电网。因为发电机的定子绕组和转子绕组都在同时发电，所以称为双馈发电机。2 FD70/FD77 风电机组变流器电路分析2.1 变流器主电路箱变低压侧 3/PE AC 690V 电源电压，通过 4mm240mm 电缆（其中一根作为变压器中性点接地线）进入塔筒底部，3 相电缆与变流器交流母线排联接，变压器中性点 PE 线电缆与塔筒等电位板联接。发电机定子输出电压经过并网接触器 E007K2 以及并网断路器 D002Q5 再联接到变流器交流母排上，反馈回电网。即在发电机定子输出端与变流
12、器交流母排之间串联了并网接触器 E007K2 以及并网断路器 D002Q5。当并网接触器E007K2 以及并网断路器 D002Q5 处于合闸状态时，发电机处于并网发电状态。断路器 D002Q5 在主电路中起事故跳闸保护作用，接触器 E007K2 在主电路中起风电机组并网/ 脱网的开关作用。图 4 变流器主电路2.2 变流器励磁电路变流器正常运行时，并网断路器 D002Q5 处于合闸状态，给发电机转子回路提供励磁支持。来自电网的 690V 电源电压，通过并网断路器 D002Q5 到快速熔断器 D010F2，经过滤波环节 D010K2 到主励磁接触器 E014K4，再经过电抗器D012R2 到网侧
13、 NPR IGBT 变流模块。即 690V-D002Q5-D010F2-D010K2-E014K4-D012R2-NPR IGBT，这条回路称为主励磁回路。因为交直交变流系统，直流母线电压含有大容量的滤波电容。在变流器启动过程中，刚开始时直流母线上的电压为零，如果直接闭合励磁接触器E014K4，则相当于 690V 直接对地短路，将对电网或网侧 IGBT 整流模块造成很大冲击。所以变流器设置了一条对直流母线的预充电回路。690V 电源电压经过开关熔断器 E001Q2 到开关熔断器 D010Q5，然后到继电器 E010Q3，再经过加热限流电阻 R 到继电器 K016K3，再到开关熔断器E011Q2
14、，之后连接到电抗器 D012R2，最后到网侧 IGBT。如图 5 红色路径所示，690V-E001Q2-D010Q5-E010Q3-R-K016K3-E011Q2-D012R2-NPR IGBT，这条回路与励磁接触器 E014K4 是并联的。因为回路中串联了加热电阻 R，当中间继电器 K016K3 合上时，通过网侧 IGBT 给直流母线电容进行限流预充电。当直流母线电压达到额定电压的 80% 左右时，K016K3 与主励磁接触器 E014K4 相互切换，实现预充电和主励磁电路的切换过渡。限流电阻安装在 IGBT 内部，当环境温度小于 5时，为了保护 IGBT 模块，需要加热保温。K116K3
15、合上时，三相限流电阻自动结成三角形连接负载，IGBT 开始加热。图 5 变流器励磁电路2.3 变流器与风电机组主控制器的通信控制以 MITA 风电机组控制器和 Alstom 变流器为例，变流器-发电机系统的启动与停止，需要主控制器的指令控制。变流器与风电机组主控制器的通信用于实现变流器- 发电机系统的启动与停止控制过程。变流器加热完成，控制板和 IGBT 功率模块温度在 5以上，变流器给出“运行准备好”信号 X9:18 置 1 ；如果环境温度低，变流器正在加热，变流器给出“加热激活”信号 X9:19 置 1 ；当机组控制器系统正常时，机组控制器给出“主控 OK 信号”conv wp3100 o
16、k X9:11 置 1，由风电机组控制器 MITA 发送给变流器；当系统正常，风速达到启动风速时，风电机组开始启动，变流器实时在线监测发电机转速，当转速趋近 1200r/min，变流器监测到发电机转速进入1200120010范围时，变流器给出“进入操作范围”信号，operation range X9:30 置 1，MITA 输入端子 M120=1 ；机组控制器 MITA 收到 M120 信号后，向变流器发出开始励磁信号 conv start excit X9:12 置 1 M517=1，变流器开始直流母线充电、励磁同步操作；当变流器完成同步操作后，变流器给出“并网准备好”信号，conv ready for connection X9:34 置 1，MITA 输入端子 M121=1，反馈给机组控制器；机组控制器 MITA 收到 M121 信号后，向变流器发出“变流器加载要求”conv start prod X9:
