变频器原理介绍
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变 频 器 原 理介 绍
国电风电设备调试所 2012.04
北京国电思达科技有限公司
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BEIJING GUODIAN STAR SCIENCE AND TECHNOLOGY CO.,LTD.
目录 1. 交流励磁变速恒频发电原理介绍 2. 双馈风力发电变频器ACS800－67
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图2-1公共直流母线系统
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2. 双馈风力发电变频器ACS800－67
ACS800－67 风力发电变频器主要和带有转子绕组和滑环的感应式发电机一起 使用，连接于双馈发电机转子和电网之间，电路图如图3-1所示。该变频器安装 在塔底处。
f1 pn / 60 f 2 （I -1）
p为电机的极对数；n为风力发电机的转子转速；f2为转子电流频率；f1为定子电 流频率。
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在不计铁耗和机械损耗的情况下，可以得到转子励磁双馈发电机的能 量流动关系：
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当风力发电机处于超同步速运行时，即n > n1（同步转速），f2取负号，转 子侧变频器将吸收的机械能反馈回电网P2，为发电机转子提供频率为f2的负向励 磁电流，保证定子绕组产生与电网同频同幅的电压矢量，同时将风力机捕获的机 械能Pmech转化为电能，此时定子输出的电能为P1=Pmech-|P2|即P1=Pmech+P2 ， P2此时为负值，P2从电网吸收功率取正，向电网输出功率取负。
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当风速变化引起发电机转速n变化时，应控制转子电流的频率f2使定子输出 频率f1恒定。根据关系（I-1），当发电机的转速n低于气隙旋转磁场的转速n1时， 发电机处于亚同步速运行，此时变频器向发电机转子提供正相序励磁，式（Ⅰ-1） 取正号；当发电机转速n高于气隙旋转磁场的转速n1时，发电机处于超同步速运 行，式（Ⅰ-1）取负号；当发电机转速n等于气隙旋转磁场的转速n2时，发电机 处于同步速运行，f2=0，变频器应向转子提供直流励磁。
变压器
中压开关
风机控制
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变频器工作原理与上节所述一致，当风速变化时，ACS800－67 通过内部控 制快速增加或降低转子磁场的旋转速度，保证发电机获得最优滑差，达到获得最 大发电量的目的。该传动单元也可以完成在将定子输出接入电网之前使定子输出 电压和电网电压同步的目的。在脱离电网时，传动单元通过将转矩给定调整为零， 使定子电流减少至零，以便将发电机从电网脱离。
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等号左侧以输入功率为正，右侧以输出功率为正，在忽略定、转子绕组铜耗 条件下，可近似为（I-3）式
P2 sP1 （Ⅰ—3）
由式（Ⅰ—3）可知，当电机处于亚同步状态时，s>0，P2>0，变频器向转子 绕组输入电功率；当电机处于超同步状态时，s<0，P2<0，变频器从转子绕组输 出电功率。
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1. 交流励磁变速恒频发电原理介绍
1.1 双馈异步电机基本原理
双馈电机在结构上类似绕线式异步感应电机，定子与一般的交流发电机一样 ，布有三相分布式绕组；转子与一般发电机不同，它也布有三相分布式绕组。运 行时，定子侧直接接入三相工频电网，而转子侧通过变频器接入所需低频电流。 因为定子与转子两侧都有能量的馈送，所以称为双馈电机。
Pmech P2
P2 s(P1
P1 Pcu1 )
Pcu1 Pcu2
Pcu 2
（Ⅰ—2）
式中Pmech为转子轴上输入的机械功率，p2为转子励磁变频器输入的
电功率，p1为定子输出的电功率，pcu1为定子绕组铜耗，pcu2为转子绕
组铜耗，s为转差率。
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当风力发电机处于亚同步速运行时，即n < n1（同步转速），f2取正号，转 子侧变频器从电网吸取功率P2（转子功率），为发电机转子提供频率为f2的正向 励磁电流，保证定子绕组产生与电网同频同幅的电压矢量，从而将风力机捕获的 机械能Pmech转化为电能，此时定子输出的功率为P1=Pmech +P2。
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图3-1带滑差能量回馈的双馈式发电机
主断路器
齿轮箱
抱闸
异步电机
带滑环
转子侧 变流器
电网侧 变流器
转子轴承
变桨传动
变频器
变频器控制
10...24 kV, f = 50 Hz
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双馈风力发电传动系统工作过程
双馈风力发电系统投入电网前首先要进行同步运行，即使发电机的定子电压 在幅值、频率和相位上与电网电压达到一致。同步运行步骤如下：将发电机转子 拖动到设定的正常工作范围内，即同步转速的70％~130％，启动变频器；充电回 路开关闭合，网侧变流器启动为转子侧变流器建立直流电压，充电回路开关断开， 主接触器闭合；转子侧变流器测量电网电压Ugrid和定子电压Us；转子侧此时工作 于同步模式，转子侧变流器通过磁化转子绕组，感应出与电网电压同步的定子电 压；当定子电压与电网电压同步后，主电路接触器闭合，同步运行过程完成。此 后变频器切换到转矩控制模式，接受给定的转矩和无功功率指令，准备开始发电。
图Ⅰ—1交流励磁发电机
Baidu Nhomakorabea
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根据感应电机定转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可 以得出变速恒频风力发电机转速与定转子绕组电流频率关系的数学表达 式
p为电机的极对数；n为风力发电机的转子转速；f2为转子电流频率。 当风力发电机转速发生变化时，通过转子侧变频调速装置调节转子电流 频率f2，保证f1恒定不变，实现风力发电机的变速恒频控制。
Ps=Pmech±Pr
Pmech Ps
齿轮箱
发电机
电网
变 压 器
Pr 变频器
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1.2 交流励磁变速恒频发电原理介绍
1.2.1 原理介绍：
交流励磁变速恒频双馈发电系统原理性示意图如图Ⅰ—1所示，发电机一般 为三相绕线式异步发电机，定子绕组并网，转子绕组外接三相转差频率的变频器， 实现交流励磁。
网侧变流器将输入的三相交流电整流为传动单元中间直流电路所需要的直流 电。中间直流电流向转子侧变流器供电。网侧滤波器用来抑制交流电压和电流谐 波。
转子侧变流器包含一个或两个基于 IGBT 的逆变器模块 (INU) ，还包括 NDCU-33 控制单元。该变流器装有绕线电机控制应用程序，该程序还通过光纤对 网侧变流器模块进行控制。
传动单元包括一个网侧变流器ISU 和两个并联的转子侧变流器 INU。图2-1 公共直流母线系统 网侧变流器是一个基于IGBT模块的变流器，将输入的三相交流电整流为所需的直 流电，为转子侧逆变器供电。
转子侧变流器包含一个或两个基于IGBT 的逆变器模块，将直流电逆变为产 生转子磁场所需频率和幅值的三相交流电，向转子绕组供电。
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网侧变流器是一个基于 IGBT模块的变流器 (ISU)，它带有 AC 或 DC 熔断 器及可选设备。它带有一个装有 IGBT供电控制程序的 RDCU-02 控制单元。网侧 变流器由转子侧变流器控制单元通过光纤进行控制。
综上可知，在变速恒频风力发电中，由于风能的不稳定性和追踪最大风能的 要求，电机转速在不断地变化，而且经常在同步速上、下波动，这就使得转子交 流励磁电源不仅有要良好的变频输入﹑输出特性，而且有能量双向流动的能力。
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目录 1. 交流励磁变速恒频发电原理介绍 2. 双馈风力发电变频器ACS800－67
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2. 双馈风力发电变频器ACS800－67
ACS800－67 风力发电变频器主要和带有转子绕组和滑环的感应式发电机一起 使用，连接于双馈发电机转子和电网之间，电路图如图3-1所示。该变频器安装 在塔底处。
f1 pn / 60 f 2 （I -1）
p为电机的极对数；n为风力发电机的转子转速；f2为转子电流频率；f1为定子电 流频率。
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在不计铁耗和机械损耗的情况下，可以得到转子励磁双馈发电机的能 量流动关系：
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当风力发电机处于超同步速运行时，即n > n1（同步转速），f2取负号，转 子侧变频器将吸收的机械能反馈回电网P2，为发电机转子提供频率为f2的负向励 磁电流，保证定子绕组产生与电网同频同幅的电压矢量，同时将风力机捕获的机 械能Pmech转化为电能，此时定子输出的电能为P1=Pmech-|P2|即P1=Pmech+P2 ， P2此时为负值，P2从电网吸收功率取正，向电网输出功率取负。
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当风速变化引起发电机转速n变化时，应控制转子电流的频率f2使定子输出 频率f1恒定。根据关系（I-1），当发电机的转速n低于气隙旋转磁场的转速n1时， 发电机处于亚同步速运行，此时变频器向发电机转子提供正相序励磁，式（Ⅰ-1） 取正号；当发电机转速n高于气隙旋转磁场的转速n1时，发电机处于超同步速运 行，式（Ⅰ-1）取负号；当发电机转速n等于气隙旋转磁场的转速n2时，发电机 处于同步速运行，f2=0，变频器应向转子提供直流励磁。
变压器
中压开关
风机控制
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变频器工作原理与上节所述一致，当风速变化时，ACS800－67 通过内部控 制快速增加或降低转子磁场的旋转速度，保证发电机获得最优滑差，达到获得最 大发电量的目的。该传动单元也可以完成在将定子输出接入电网之前使定子输出 电压和电网电压同步的目的。在脱离电网时，传动单元通过将转矩给定调整为零， 使定子电流减少至零，以便将发电机从电网脱离。
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等号左侧以输入功率为正，右侧以输出功率为正，在忽略定、转子绕组铜耗 条件下，可近似为（I-3）式
P2 sP1 （Ⅰ—3）
由式（Ⅰ—3）可知，当电机处于亚同步状态时，s>0，P2>0，变频器向转子 绕组输入电功率；当电机处于超同步状态时，s<0，P2<0，变频器从转子绕组输 出电功率。
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1. 交流励磁变速恒频发电原理介绍
1.1 双馈异步电机基本原理
双馈电机在结构上类似绕线式异步感应电机，定子与一般的交流发电机一样 ，布有三相分布式绕组；转子与一般发电机不同，它也布有三相分布式绕组。运 行时，定子侧直接接入三相工频电网，而转子侧通过变频器接入所需低频电流。 因为定子与转子两侧都有能量的馈送，所以称为双馈电机。
Pmech P2
P2 s(P1
P1 Pcu1 )
Pcu1 Pcu2
Pcu 2
（Ⅰ—2）
式中Pmech为转子轴上输入的机械功率，p2为转子励磁变频器输入的
电功率，p1为定子输出的电功率，pcu1为定子绕组铜耗，pcu2为转子绕
组铜耗，s为转差率。
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当风力发电机处于亚同步速运行时，即n < n1（同步转速），f2取正号，转 子侧变频器从电网吸取功率P2（转子功率），为发电机转子提供频率为f2的正向 励磁电流，保证定子绕组产生与电网同频同幅的电压矢量，从而将风力机捕获的 机械能Pmech转化为电能，此时定子输出的功率为P1=Pmech +P2。
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图3-1带滑差能量回馈的双馈式发电机
主断路器
齿轮箱
抱闸
异步电机
带滑环
转子侧 变流器
电网侧 变流器
转子轴承
变桨传动
变频器
变频器控制
10...24 kV, f = 50 Hz
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双馈风力发电传动系统工作过程
双馈风力发电系统投入电网前首先要进行同步运行，即使发电机的定子电压 在幅值、频率和相位上与电网电压达到一致。同步运行步骤如下：将发电机转子 拖动到设定的正常工作范围内，即同步转速的70％~130％，启动变频器；充电回 路开关闭合，网侧变流器启动为转子侧变流器建立直流电压，充电回路开关断开， 主接触器闭合；转子侧变流器测量电网电压Ugrid和定子电压Us；转子侧此时工作 于同步模式，转子侧变流器通过磁化转子绕组，感应出与电网电压同步的定子电 压；当定子电压与电网电压同步后，主电路接触器闭合，同步运行过程完成。此 后变频器切换到转矩控制模式，接受给定的转矩和无功功率指令，准备开始发电。
图Ⅰ—1交流励磁发电机
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根据感应电机定转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可 以得出变速恒频风力发电机转速与定转子绕组电流频率关系的数学表达 式
p为电机的极对数；n为风力发电机的转子转速；f2为转子电流频率。 当风力发电机转速发生变化时，通过转子侧变频调速装置调节转子电流 频率f2，保证f1恒定不变，实现风力发电机的变速恒频控制。
Ps=Pmech±Pr
Pmech Ps
齿轮箱
发电机
电网
变 压 器
Pr 变频器
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1.2 交流励磁变速恒频发电原理介绍
1.2.1 原理介绍：
交流励磁变速恒频双馈发电系统原理性示意图如图Ⅰ—1所示，发电机一般 为三相绕线式异步发电机，定子绕组并网，转子绕组外接三相转差频率的变频器， 实现交流励磁。
网侧变流器将输入的三相交流电整流为传动单元中间直流电路所需要的直流 电。中间直流电流向转子侧变流器供电。网侧滤波器用来抑制交流电压和电流谐 波。
转子侧变流器包含一个或两个基于 IGBT 的逆变器模块 (INU) ，还包括 NDCU-33 控制单元。该变流器装有绕线电机控制应用程序，该程序还通过光纤对 网侧变流器模块进行控制。
传动单元包括一个网侧变流器ISU 和两个并联的转子侧变流器 INU。图2-1 公共直流母线系统 网侧变流器是一个基于IGBT模块的变流器，将输入的三相交流电整流为所需的直 流电，为转子侧逆变器供电。
转子侧变流器包含一个或两个基于IGBT 的逆变器模块，将直流电逆变为产 生转子磁场所需频率和幅值的三相交流电，向转子绕组供电。
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网侧变流器是一个基于 IGBT模块的变流器 (ISU)，它带有 AC 或 DC 熔断 器及可选设备。它带有一个装有 IGBT供电控制程序的 RDCU-02 控制单元。网侧 变流器由转子侧变流器控制单元通过光纤进行控制。
综上可知，在变速恒频风力发电中，由于风能的不稳定性和追踪最大风能的 要求，电机转速在不断地变化，而且经常在同步速上、下波动，这就使得转子交 流励磁电源不仅有要良好的变频输入﹑输出特性，而且有能量双向流动的能力。
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