FREQCON变流器简介.doc

1、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

2、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

3、，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

4、。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

5、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

6、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

7、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 1（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

8、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1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）

9、 、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。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，Freq

10、con 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1 24V+ 最大电流 6A2 24VGND3 NC4 NC后面板 37 针模拟 I/O 接口定义针

11、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 30AI5.2 O2 变流器网侧电压 UL2 1Vdc=50Vrms 变流子站模块 30AI5.5 O3 变流器网侧电流 I1 1Vdc=270Arms 变流子站模块 30AI5.7 O4 变流器网侧电流 I3 1Vdc=270Arms 变流子站模块 30AI6.5 O5 变流无功功率 1Vdc=175KVA 变流子站模块 30AI7.5 O6 变流器整流电压 U 1Vdc=70Vdc-650V,650V 变流子站模块 30AI6.3 O7 变流器母线 U_DC- 1Vdc=70Vdc 变流子站模块 30AI7.7 O8

12、 NC9 变流器单支 DC 斩波升压电流反馈 1V=225Adc 变流子站模块 30AI8.1 O10 NC11变流器斩波升压 IGBT1 温度 0,10V=20,120变流子站模块 30AI8.3 O12变流器斩波升压 IGBT3 温度 0,10V=20,120变流子站模块 31AI2.1 O13 变流器网侧 L1a IGBT 温度 0,10V=20,120 变流子站模块 31AI2.3 O14 变流器网侧 L2a IGBT 温度 0,10V=20,120 变流子站模块 31AI3.1 O15 变流器网侧 L2b IGBT 温度 0,10V=20,120 变流子站模块 31AI3.5 O16

13、 变流器网侧 L3b IGBT 温度 0,10V=20,120 变流子站模块 31AI3.7 O17 变流器无功设置值 1V=59Aac 变流子站模块 31AO4.5 I18 变流器测试直流电流设定值 1V=75A 变流子站模块 31AO5.5 I19 NC20 变流器网侧电压 UL1 1Vdc=50Vrms 变流子站模块 30AI5.1 O21 变流器网侧电压 UL3 1Vdc=50Vrms 变流子站模块 30AI5.3 O22 变流器网侧电流 I2 1Vdc=270Arms 变流子站模块 30AI6.1 O23 变流有功功率 1Vdc=175Kw 变流子站模块 30AI7.1 O24 模拟

14、 GND 变流子站模块 30AI6.4 O25 变流器母线 U_DC+ 1Vdc=70Vdc 变流子站模块 30AI7.3 O26 变流器网侧频率 1Vdc=10Hz 变流子站模块 30AI6.7 O27 制动电流 1Vdc=166.6Aac 变流子站模块 30AI8.5 O28 NC29 NC30变流器斩波升压 IGBT2 温度 0,10V=20,120变流子站模块 30AI8.7 O31 制动 IGBT 温度 0,10V=20,120 变流子站模块 31AI2.5 O32 变流器网侧 L1b IGBT 温度 0,10V=20,120 变流子站模块 31AI2.7 O33 模拟 GND 变流

15、子站模块 31AI3.6 O34 变流器网侧 L3a IGBT 温度 0,10V=20,120 变流子站模块 31AI3.3 O35 变流器运行直流电流设定值 1V=180Adc 变流子站模块 31AO4.1 I36 变流器测试交流电流设定值 1V=176Aac 变流子站模块 31AO5.1 I37 NC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）1 24V+ 端子排 25X8.1 I2 NC3 变流器测试电流 AC 低电平=非测试 变流子站模块 30DO3.8 I4 变流器运行 低电平=变流器停止 变流子站模块 30DO3.1 I5 制动电阻测试 低电平

16、=非测试 变流子站模块 30DO3.4 I6 NC7 NC8 NC9 电机侧空开吸合 低电平=空开不吸合 端子排 25X8.4 O10 NC11 NC12 制动单元 IGBT 故障 低电平=无故障 变流子站模块 29DI8.5 O13 变流器直流母线电压过高 变流子站模块 29DI7.9 O14 变流器网侧过压 变流子站模块 29DI7.5 O15 变流器网侧逆变 IGBT 过流 变流子站模块 29DI7.1 O16 变流器斩波升压 IGBT 过流 变流子站模块 29DI6.4 O17 变流器准备状态 低电平=未准备好 变流子站模块 29DI6.1 O18 备用 变流子站模块 29DI5.4

17、O19 变流器预充电接触器反馈 低电平=未吸合 变流子站模块 29DI5.1 O20 24VGND 端子排 25X8.2 O21 NC22 变流器测试电流 DC 低电平=非测试 变流子站模块 30DO4.4 I23 变流器使能 低电平=变流器不使能 变流子站模块 30DO3.5 I24 机组安全链 24V+国产配置接 24V+屏蔽 端子排 25X8.3 I25 NC26 NC27 NC28 NC29 NC30 变流器网侧 IGBT 故障 低电平=无故障 变流子站模块 29DI8.4 O31 斩波升压 IGBT 故障 低电平=无故障 变流子站模块 29DI8.1 O32 变流器直流母线电压过低

18、变流子站模块 29DI7.4 O33 NC34 变流器斩波制动 IGBT 过流 变流子站模块 29DI6.8 O35 变流器触发脉冲状态 低电平=无脉冲 变流子站模块 29DI6.5 O36 变流器 IGBT_OK 低电平=IGBT 故障 变流子站模块 29DI5.8 O37 变流器主空开反馈 低电平=空开未吸合 变流子站模块 29DI5.5 O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 GND5 NC6 NC7 相电流 L3 1V=1000Aac I8 相电流 L2 1V=1000Aac I9 NC1

19、0 NC11 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13 24VGND14 相电流 L1 1V=1000Aac I15 相电压 L3 1V=70Vac I16 相电压 L2 1V=70Vac I17 相电压 L1 1V=70Vac I18 直流母线正电压 1V=70Vac I19 直流母线负电压 1V=70Vac I20 整流电压 1V=70Vac I21 NC22 NC23 网侧空开吸合 O高压 I/O 板，D9 LED 点亮送出吸合信号24 预充电接触器吸合反馈 I高压 I/O 板，D7

20、 LED 点亮收到反馈信号25 24V+后面板 1015 针 IGBT 模块接口定义针脚号 信号描述 I/O(相对变流板) 备注1 NC2 ANAGND(数字量 GND) I3 GND O4 NC5 24V+ O6 NC7 ERROR(IGBT 故障信号) I8 NC9 IIST(电流信号) I10 TEMPANA（温度信号） I11 GND O12 NC13 24V+ O14TOP(上桥臂 IGBT 驱动信号)O15BOT(下桥臂 IGBT 驱动信号)O变流器启动运行流程图复位变流器故障信号预充电接触器吸合（ 放电接触器断开 ）正负母线电压绝对值 4 2 0 V ?网侧空开吸合变流器准备完成

21、等待机组发电条件满足YY变流器启动信号 ?预充电接触器吸合反馈 ?网侧空开吸合反馈 ?机组安全 O K ?无直流母线高电压故障 ?无直流母线低电压故障 ?无网侧相电压过压故障 ?无斩波升压 I G B T 过流故障 ?无斩波制动 I G B T 过流故障 ?无网侧逆变 I G B T 过流故障 ?I G B T O K 信号 ?p r o f i _ o u t _ c o n v e r t e r _ o n变流器启动主控变流器延时 2 5 s电机侧空开吸合p r o f i _ i n _ c o n v e r t e r _ r e a d yN故障停机p r o f i _ o u t _ c o n v e r t e r _ e n a b l e网侧滤波电容接触器吸合延时 5 0 0 m sp r o f i _ o u t _ c o n t a c t o r _ f i l t e r _ c a p a c i t o r _ o n变流器调制运行A N D注意：变流器启动运行过程中注意观察变流板前面板上相应信号指示灯是否正常。藉此可判断变流器状态。