风电变流器原理与维护复件1pptConvertor.docx
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风电变流器原理与维护复件1pptConvertor
风电系统变流器
原理与维护
前言
风力机控制技术已由定桨距失速控制风力机发展为变桨距控制风力机；发电系统的控制由恒速控制发展为变速恒频控制；变速恒频控制系统也出现了双馈异步机变流器变速恒频发电系统和直驱永磁同步电机变流器变速恒频系统等。
计算机和电力电子技术的飞速发展，为风电技术的发展提供了强大的推动力。
同步电机发电系统和异步电机发电系统各有所长，目前都在迅速发展中。
本课程主要介绍这两种系统迅速发展的核心技术：
变流器—变速恒频控制器在风电系统中的应用与维护。
课程目录
第一章变速恒频控制器—变流器
第二章双馈电机的变速恒频发电原理
第三章直驱低速永磁同步电机发电原理
第四章变流器用半导体开关的特性
第五章变流器的结构
第六章变流器的检测与维护
第七章变流器常见故障的处理
第一章变速恒频控制器—变流器
交流电机的转速
交流电机的调速方案
变频调速原理与变流器
交流电机的转速
n=120（1-s）f/p
n：
电机转速。
rpm
f：
输入电机的电源频率。
Hz
s:
电机转差率。
S=（n0-nr）/n0
p:
电机极数。
2，4，6…
从上可见，交流电机的转速是由s,f,p三个因素决定的。
也就是说交流电机调速有三套解决方案：
调速滑差；变极调速；变频调速。
交流电机的调速方案
交流电机调速方案一：
滑差调速
其特点是：
技术简单，调速连续，价廉；
但效率低，较耗能。
交流电机调速方案二：
变极调速
其特点是：
技术简单，效率高；有级调速，
应用受限。
交流电机调速方案三：
变频调速
其特点是：
兼具高效率与可连续调速，易于
自动控制；但技术复杂，价高，
维护不易。
交流电机调速方案一
转差调速
调S（转差调速）在变频器面市以前，是交流电机调速的主要方式。
转差调速分能耗型和回馈型两类。
能耗型如电机定子调压调速，滑差离合器调速，线绕转子电机转子回路串电阻调速等；回馈型：
如串级调速。
调S（转差调速）的优点是无级调速，产品成本较低，产品种类丰富。
转差能耗型调速的缺点是：
以耗能来达到调速目的，因属耗能产品，已基本退出市场。
转差回馈型调速能将转差能量经逆变，回馈到电网，控制功率仅为定子控制的1/3，但调速范围较窄。
仅适用于泵和风机的控制，有较高性/价比。
转差能耗型调速
转差消耗型调速是通过加大转子与定子间的转差，使转子输出速度降低。
而转差产生的功率则转变为热量耗散掉。
所以，这类调速都伴有发热的现象。
需要专门的冷却设计来散热，以保证电机的正常工作。
这类调速装置结构简单，成本较低。
仅在调速要求不高，功率较小的设备中应用。
一般已不采用。
转差能耗型调速原理
K1
转差回馈型调速
线绕转子电机的串级调速（广义）属于转差功率回馈型。
它将转差功率经整流逆变后回馈到电网，由于电网对回馈电的谐波有较高的限制，因此装置成本较高。
有一种改进方案：
斩波内馈调速电机，是在电机定子中再嵌入一副绕组，来接受回馈能量，用于补充电机的驱动。
以降低逆变器的要求和成本。
缺点是此方案比较复杂，效率低。
仅适于新建设备，不适于旧设备改造。
线绕转子电机串级调速
K2
TI
电网
K1
能量单向流动
变频器
交流电机调速方案二
变极调速
变极调速就是将多速电机定子极数通过改变线包连接方式，来改变其极数；或者，在同一定子和转子上安装两套不同极数的绕组切换运行，从而达到改变运行转速的方法。
其优点是调速效率高，技术简单，成本低。
缺点是：
只能做到有级调速，并且级数有限。
如2/4，4/6等。
多速电机的变极调速控制
多速电机的变极调速控制
交流电机调速方案三
变频调速
变频调速是通过调节电机电源频率来调节电机转速。
变频调速集滑差调速与变极调速的优点于一身，是一种高效，无级，易于自动控制的交流电机最优调速方案。
变频调速有两种基本方式：
定子侧全功率变频调速和定子侧工频，转子侧变频调速。
变流器原理与变流器
交流电机转矩与控制
变频器控制模式：
1.V/F恒磁通控制
2.VC矢量控制
3.DTC转矩直接控制
变频器的分类
风电变流器与变频器的区别
交流电机转矩与控制
M=CmΦmI2COSφ2
又：
Φm=CωU1/f
M：
电机转矩。
N.mΦm：
电机极磁通。
I2：
电机转子电流。
φ2：
转子电路功率因素。
Cm：
转矩系数。
可见在电源电压不变时：
fΦM电机转矩变小，带不动负载而致堵转。
fΦI导致磁路饱和，电流增大而致电机烧损。
变频器（VVVF）控制原理
从转矩公式可知，仅调频率f，电机是不能正常工作的。
因为如果电源电压不变，f频率上升,电机阻抗将增大、电流降低、磁通变小、转矩/功率变小，电机将不能按额定值运行。
反之，f降低，则阻抗变小，电流增大，磁通变大甚至饱和，将导致电机的烧毁。
从磁通等式可见，若要使磁通不变，仅须f与V的比值不变。
也就是说，在f发生变化时，V须和f同时变，时时保持f/V之比不变即可。
电机即可长期安全地变速驱动额定负载。
这就是变频器工作的基本原理。
V（可变）V（电压）V（可变）F（频率）这个英语名词就是以其工作原理来命名变频器的。
V/F=常数的控制模式
V/F=常数控制，是恒磁通控制即恒转矩控制，理论上可使变频器驱动的电机输出恒转矩，但是，由于定子压降几乎是恒定的，在低频（低速）时所占输出的比例已不可忽略，使得低频输出的转矩变小，启动困难，因此在低频段须提高电压，以满足启动要求，称之为转矩提升（或补偿）功能。
但不能超过30%，因电机处于过励状态，不能长期在低频下运行，否则会烧毁电机。
V/F控制以恒磁通为控制目标，是一种标量/平均值控制，对电机负载变化的响应较慢，动态性能较差。
在轻载时易出现不稳定现象。
它适合于负载惯量较大，负载较平稳的风机，水泵等控制要求不高的机械使用。
它的特点是运行平稳，适应性很好，对所接电机的参数及台数均无限制，只要在其额定电流之下即可安全工作。
是应用最广泛的一种控制模式。
V/F为常数的控制特点
V/F协调变化的实现方法
V/F的协调变化的2种方法：
PAM和PWM
PAM，是分别在整流回路通过可控整流或直流斩波来调节电压V，在逆变回路调节频率f，再设一个VF控制电路来协调控制V和f。
因中间回路有大电容，时间常数很大，使V的调节不灵敏，降低了输出的动态性能，目前已不常应用。
PWM是一种新技术，能在逆变回路中同时完成V和f的协调控制，控制简单，动态性能比PAM好。
是最常用的技术。
PAM电路
PAM（PulseAmplitudeModulation）
PAM波形
PWM电路
PWM（PulseWidthModulation）
PWM波形
单极性PWM
双极性PWM
采用PWM的电压调节
正弦波PWM（SPWM）
VC（VectorControl）矢量控制
矢量控制的基本原理是将异步电机与直流电机类比，将定子电流分解出励磁电流和转矩电流，分别控制两分量的幅值即控制定子电流矢量，从而达到控制异步电动机转矩的目的。
所以称这种控制方式为矢量控制。
风电变流器一般均使用高性能的VC矢量型或DTC直接转矩型。
所以发电机都带有编码器。
VC矢量控制模式的特点
矢量控制在性能上与直流电机相当，在低速转矩和动态性能方面比V/F控制有很大的提高。
但是这一性能是在电机装有测速装置（光电编码器）才能达到，并且必须向变流器提供电机的实时准确的电磁参数。
这些参数在变流器运行前通过变流器对发电机的在线测试得到。
直接转矩控制技术，是利用开关的空间矢量，定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band—Band控制），直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。
DTC型变流器同样需要发电机的电磁参数及实时温度等。
一般不需要编码器，在较高精度控制时才需要编码器。
DTC（DirectTorqueControl）直接转矩控制
DTC直接转矩控制的特点
DTC控制模型较直观简单，对电机电磁参数的准确度要求不高，在不装速度检测装置的情况下也能达到较高的性能。
但输出转矩的波动较大，对波动大的负载控制不太稳定。
几种控制模式性能的对比
转矩阶跃时间
精确的电机或速度控制
零速时满转矩
转矩的直接控制–没有误跳闸
电网闪落的跨越
不会引起不必要的生产中断
快速控制-更好的保护
DTC
Fluxvector
OpenloopPWM
<5msec.
10to20msec.
>100msec.
变频器的分类
按变换形式分：
交—交；交—直—交。
按变频器输出阻抗分：
电流型；电压型。
按结构形式分：
单板OEM，壁挂，柜体。
按使用工况分：
两象限，四象限。
交—交变频器
交—交变频器没有整流电路，通过直接对交流电进行通断控制，使输出频率降低。
常用于调速范围不超过1/3额定转速的大型风机水泵等设备。
新型矩阵变频器有望使交-交变频器达到交—直—交变频器的性能。
交—交变频器能实现能量双向流动，是一种适用于变速恒频工作的可逆变频器。
交—交变频器原理图
矩阵型交-交变频器主回路图
R
S
T
U
V
W
交-交变频调速系统是一种不经过中间直流环节，直接将较高固定频率的电压变换为输出频率和输出电压较低而可变的变频调速系统。
其每一相均由两组（正、负组）三相全波变流器反并联构成。
输出的电压为：
Ud=Ud0cosαp=－Ud0cosαN
（1）
式中：
αP——正组整流器控制角；αN——负组整流器控制角；Ud0——α=0°输出电压平均值。
交—交变频器的输出电压
交—交变频器波形图
交—直—交变频器
交-直-交变频器有两个变换器，通常是一个整流器加一个逆变器。
因为变换过程是交流转换为直流，再由直流转换为交流。
如果由两个逆变器组成，则称为四象限变频器，可以工作在电动-发电的可逆状态。
通常使用在有势能负载如电梯，吊车，起重设备的驱动。
还有在风电双馈系统中应用的变流器就是这种变频器。
下面就主要介绍这种变频器。
交-直-交变流器原理框图
电流型变频器特性
中间回路中使用电感滤波，具有电流源输出特性，输出不怕短路，但不能开路，保护简单可靠。
输出与负载特性有关，变频器是按实际负载特性设计制造的。
适用于单台运行，频繁加/减速和正反转的电机
电流型变频器电路
电压型变频器特性
中间回路中使用电容滤波，具有电压源输出特性，它对负载没特殊的要求，只要总电流不超过变频器的额定电流即可。
因其对电流的控制能力较差，输出不可短路，否则将烧毁功率模块。
电压型变频器电路
风电变流器与变频器的区别
风电变流器是变频器系列产品种的一种，在工作原理，硬件结构，控制模式等方面，绝大部分是相同的，只是为了适合风电的一些特殊控制要求，在软件方面有一些不同：
如对两个变流器的协调控制和对转子侧变流器的增加控制模式和转换等。
在硬件方面，不同也很小：
如转子侧增加输入电抗器，增加Crobar选件，两个变流器容量的配合等。
为了符合对象的特性要求，有特殊的控制特性
电力电子变换器的几个定义
整流器：
能将交流电转变为直流电的电子装置。
对应逆变
器定义时则称为顺变器。
可分为可控和不可控
两种，可控式又分为半控和全控两种。
变流器
是用全控式整流。
变换方式为：
AC-DC。
逆变器：
能将直流电转变为交流电的电子装置。
逆变器的
变换方式为：
DC-AC。
变频器：
能将某一频率的交流电转变为另一种频率交流
电的电源设备。
分交-交和交-直-交两种形式
变频器的转换方式为：
AC-DC-AC和AC-AC。
变流器：
是所有变换器的总称。
也将能以DC-AC和AC-DC
双向变换方式工作的电子装置称为变流器。
风电变流器的特点
风电变流器由于工作状态须随控制模式的改变而调整，即需要在整流和逆变两种工作状态之间变换，使它不能作为一种固定的变换器工作，因此，只能用变流器这个统称来命名。
变流器的输入与输出对象也在变化，并且输出对象即负载也比变频器多一个—电网，因此其故障类型也要多。
对使用和维护人员有更高的要求。
定子侧全功率变频调速
定子侧变频调速是最常用的变频调速方案，同步电机的变流器一般使用矢量型或DTC型，以便对电机进行转矩控制和无功调节。
定子侧变频调速的变流器容量要大于电机功率。
因此投资比转子侧调频的方案要高，现常用多极电机来降低风力机的临界转速要求，以省去增速齿轮箱（称之为直驱式），采用永磁电机，省去励磁系统，降低系统一次投资，提高系统可靠性。
定子侧变频调速范围可从零到电机最高速。
实现全范围的调速。
同步电机定子侧变速恒频发电
电网
K1
M
~
VC或DTC型变流器
K2
永磁/励磁式同步发电机
同步电机变速恒频发电系统结构
直驱式低速永磁同步电机变速恒频发电系统，由于用变流器对电网与发电机进行了隔离，原来同步发电受到风速不稳定的影响可以彻底消除，为同步发电机在风电中的应用排除了最大的障碍。
加上我国永磁资源和技术的有力支撑。
使得系统的性价比与双馈异步电机变速恒频发电系统相当，并有进一步降低的前景。
因此，目前直驱式低速永磁同步风电系统同步发电成为最有发展潜力的系统。
系统由变桨距风力机，低速（多极）永磁同步电机（带光电编码器），风电矢量型四象限变流器，LCL滤波器，升压隔离变压器，并网开关等组成。
双馈异步电机转子侧变频调速
双馈异步电机是在定子侧接工频电源，转子侧接变频电源调速的方案。
其优点是：
1.属高效的变频调速。
2.变频电源容量（额定电流）仅为电机功率（额定电流）的1/3以下，设备成本低。
3.可在亚同步，同步，超同步范围内调速运行。
双馈电机转子侧调速原理
双馈电机的变速恒频发电运行
亚同步发电
异步电机的发电状态是转子速度，即转子电流的旋转速度始终要比定子磁场速度快一个滑差值。
当风轮转速在同步速以下时，风力发电机不能提供额定频率的电力，变流器必须向转子输入一个与转子旋转方向相同的转子电流，且使转子电流磁场旋转（合成）速度高于定子磁场同步转速值（nr+nb=n0+ns）。
以保证定子输出电流的频率恒定在50Hz。
亚同步调速恒频发电，扩大了对低风速风能的吸收利用，提高了电力生产和风电设备利用率。
亚同步发电
nr
n0
nb
电网
变流器
nr+nb=n0+ns
nrP1=P2+Pb=Pn
Pb
nb
P2
双馈电机变速恒频发电运行
同步发电
当风轮转速达到同步速时，发电机进入同步发电状态。
此时，变流器输出频率为零的直流电（同时转子的三相绕组改接为2并1串），电机按同步电机方式工作。
和同步电机一样，可通过调节变流器的输出电压，来调节发电机的有功和无功。
同步发电
nr
n0
电网
nr=n0+ns
DC励磁
P1=Pn
双馈电机变速恒频发电运行
超同步发电
双馈电机在风轮转速高于同步转速时，变流器将输出相序相反的励磁电流，致使转子电流旋转速度下降至稍高于同步速，保证输出电流频率的恒定。
转子侧变流器此时转换成PWM整流—PWM逆变方式，将超出同步速的那份功率经整流逆变为50Hz交流电后，经滤波/隔离/升压后馈入电网。
定子侧和转子侧两路电力输出，提高了电力的生产和风能的吸收利用率。
还增加了系统的柔性，使得发电机在高风速下也能输出稳定的功率。
超同步发电
nr
n1
nb
电网
变流器
nr>n1
P1=Pn
P=P1+Pb>Pn
-nr+nb≥n1
fb
LCL
Pb
双馈电机变流器发电系统构成
双馈电机：
定子侧出线接电网，转子三相绕组带滑环
出线，接变流器。
传感器：
交/直流电流/电压传感器，温度/湿度/转速/位置传感器。
du/dt滤波器：
滤掉送至电机转子励磁绕组的尖峰电压有害分量。
保护电机绝缘。
过/欠压保护单元（Crobar）：
保护变流器不受过/欠电压的损害。
预充电电路：
系统冷启动时，为在功率主回路开通前提前送电至
控制电路投入工作，以完成变流器系统的自检。
LCL滤波器：
为逆变器输出用的正弦波滤波器。
以减小变流器输
出电流高次谐波对电网的污染。
比du/dt有更好的性
能
隔离变压器：
将发电机的低电压升至网侧高电压，以便并网。
并
使发电系统与电网隔离，以减小相互的影响。
双馈电机与同步电机调速恒频发电比较
设备成本比较：
双馈发电系统的变流器，滤波器，变压器容量均比同步发电系统的小60%。
直驱低速同步电机恒频发电系统价格与双馈恒频系统相当。
性能比较：
同步恒频发电系统调速范围大，风能利用率高，稳定性好。
尤其是直驱永磁同步发电系统，省去了昂贵且故障多发的齿轮箱，减少了维修量，提高了可靠性。
双馈变流器发电系统并网要求低，稳定性较好。
ABB风力发电传动用变流器
Vestas风力发电机结构
交流电机的运行方式
电机运行方式分电动和发电，由滑差率的正负决定：
S>0为发电：
表明转子速度比定子磁场快，
转子在对定子磁场做功；
S<0为电动：
表明定子磁场速度比转子
快，定子磁场在对转子
做功；
电机的运行方式
n
M
正转电动
正转发电
nr
n0
反转发电
nr
n0
nr
n0
反转电动
n0
nr
几种常见的变频器
山肯SVF系列
西门子MM440系列
ABBACS800系列
ABB大功率变频器
ABB风电专用变频器
第三章半导体开关的特性与应用
常用半导体开关的种类与特性
半导体开关在变频器中的应用
半导体开关的驱动与保护
常用半导体开关的种类
电力半导体开关在变频器中是最重要的硬件之一。
它在AC-DC-AC的变换中扮演着极其重要的角色。
它的价格在变频器硬件成本中占50%以上。
因此，对它的了解和正确使用，是变频器维护课程中的重要内容。
常用的电力半导体开关有SCR，GTR，GTO，POWMOS，IGBT，IGCT，SGCT，IPM。
分半控型，全控型，电流型，电压型等不同类型。
半导体开关简介
电力半导体的发展，是从半控型器件SCR发展起来的，而全控型器件GTR（大功率晶体管）的出现，使得变频器实现了商品化。
从POW-MOS（功率场效管），GTO（门极可关断晶闸管，是全控型SCR），IGBT（绝缘栅极晶体管，它是由MOS为输入，GTR为输出复合而成的新型半导体开关），IGCT/SGCT（集成/对称门极换流型晶闸管，它是由MOS为输入，GTO为输出复合而成的新型半导体开关），到IPM（智能功率模块，是集成了驱动，监控保护，功率器件为一体的新型模块）。
目前最常见的有GTR，IGBT和IGCT。
GTR特性介绍
GTR是大功率晶体管。
是一种全控型电流驱动器件。
基本关系为：
Ic=β*Ib。
与其他几种半导体开关相比，通态电阻较大，功耗较大。
还有二次击穿的特性。
GTR模块的驱动与保护：
最关键的保护是：
基极驱动最优化，有陡峭且较小过冲的前沿，达到快速开通。
开通后应动态调节Ib,让GTR始终工作在准饱和态。
这样，在任何负载条件下，都能保证有最小的Vces,以便导通损耗最低。
关断时又易于退出饱，以缩短关断时间，减小关断损耗。
GTR的基本保护有抗饱和，过压，过流，过热，欠驱动，过du/dt,过di/dt保护等。
GTR功率模块图片
GTR全图
6单元GTR模块图
IGBT的特性介绍
IGBT是由MOS和GTR复合而成的场控型器件，其输入特性类似MOS，输出特性类似GTR。
驱动方式是电平触发，输入阻抗为纯容性。
因此要求驱动源内阻小，开关信号前后沿陡峭。
但关断时间也不能太短，需限制di/dt形成的尖峰电压。
IGBT的保护除了集电极的过压，过流外，还有栅射间的过电压保护。
IGBT功率模块图片
6单元IGBT全模块图
IGCT/SGCT的特性介绍
IGCT/SGCT是ＭOS和GTO的复合器件。
其输入特性类似MOS，输出特性类似晶闸管。
耐压较高，开关频率高，通态损耗小。
电压触发，所需驱动功率小。
IGCT/SGCT适用高压和大电流输出的大功率变频器，驱动较IGBT复杂，但损耗小，冷却就相对简单。
单管耐压较IGBT高，相同电压等级下所需串连的器件数量少，电路简单，可靠性高。
IGCT功率/驱动模块图片
第四章变流器的结构
DSP主控回路
功率主回路
检测/保护回路
驱动回路
冷却/加热控制回路
控制电源回路
I/O输入输出通讯回路
风电变频器
ABB
DSP主控回路
DSP主控回路是变流器的控制核心，是由CPU/DSP芯片集，电机控制模型软件和PWM控制软件等固化的芯片组成。
该回路负责功率主回路的半导体开关按控制模型计算得到的数据执行通断，以输出符合负载需求的驱动电流，控制电机的运行；根据I/O和通讯电路来的信号经控制计算，发出相应的控制信号和状态信息；根据各类传感器传来的信号，决定对各类执行器件发出保护指令等。
GE公司变流器DSP主控回路板
INGTEAMCPU/DSP主控板
+24VDC电源
2路用于现场总线的并联端口
现场总线
I/O扩展
脉冲编码器
新的可选件系列
PPCC-link=串口通讯与AINT通讯:
光纤连接
控制盘连接器
模拟I/O
2路电流输入
1双极性电压输入
2路电流输出
AI电气隔离
数字输入
6路可编程
1固定为停车（启动互锁）
两组隔离
+24VDC
3可编程继电器输出
DDCS适配器连接器
DDCS适配器带4路通道
PC连接
主从通讯
‘老版可选件
主控制板
变流器功率主回路
变频器功率主回路
变频器功率主回路由两个逆变器背靠背，由DC中间回路的滤波电容，直流熔断器相连而成。
逆变器由半导体功率模块和缓冲吸收电路组成，输入输出端有LCL滤波器和du/dt滤波器，过电压释放回路，EMC电路等组成。
变频器功率主回路按主控回路的指令，将电流进行双向转换和滤波，输出一定频率，幅值，相序的三相电流，满足励磁输出和逆变输出的需要。
变流器功率主回路图
功率主回路的结构
功率主回路是由一个DC中间回路和两个变流器相连而成。
两个变流器在能量流动方向不同时，会完成不同的变换功能：
或一个作整流器；另一个则作逆变器。
或者相反。
能量流入的变流器承担整流，能量流出变流器的承担逆变。
DC中间回路是由电容器或电抗器组成的滤波器，根据变流器的不同特性来选用。
中间回路上有直流电压/电流的检测器，以随时监视电路的异常情况，进行及时的保护。
整流器工作原理
整流器是将AC交流电变换为DC直流电的电路。
整流器根据所使用的半导体开关不同种类，分为不可控整流（使用二极管），半控整流（混合使用二极管和可控硅）和全控型整流（使用全控型器件：
GTR；IGBT）。
风电变流器都是由全控器件组成，可以根据控制的需要，随时变换为整流器或逆变器。
由于变流器都是由全控型器件组成，所以可以进行PWM整流
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