【风力发电机组主要系统】变流器介绍(中级)
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690V 电网
框架断路器
定子 电流测量
并网接触器
DFIG
网侧电压 测量
定子电压 测量
滤波器
预充电电阻
主控690V 400V控制电源 供电
电网电压 测量
变流器 网侧电流测量
变流器
转子电流测量
滤波器
Crowbar
当直流侧电压达到交流电网电压有效值的1.2倍时切 出预充电回路，电网侧主接触器闭合，同时投入交流滤波 单元、准备电网侧变流器调制。
风电机组变流器系统
一、变流器的介绍 二、变流器的分类
2.1双馈型变流器 2.2全功率型变流器 三、变流器典型故障处理
一、变流器的介绍
变流器是风电机组中的重要组成部分，其主要作用 为在叶轮转速变化情况下，控制风电机组输出端电压 与电网电压保持幅值和频率一致，达到变速恒频的目 的，并且配合主控完成对风电机组功率的控制，且保 证并网电能满足电能质量的要求。当电网电压发生故 障时，在主控和变桨的配合下，在一定的时间内保持 风电机组与电网连接，并根据电网故障的类型提供无 功功率，支撑电网电压恢复。
网侧入口 电流测量
690V 电网
框架断路器
定子 电流测量
并网接触器
网侧电压 测量
定子电压 测量
DFIG
滤波器
主控690V 400V控制电源 供电
预充电电阻
电网电压 测量
变流器 网侧电流测量
Байду номын сангаас
变流器 转子电流测量
滤波器
Crowbar
当电网侧变流器建立起稳定的直流母线电压后，且发
电机转速在运行范围内，电机侧变流器调试运行，为发电机
转子提供交变励磁电流，控制发电机定子并网，并网后功率 （无功）控制。
定子 DFIG
转子
S1 双馈电 机转子
转子
转子
变流器 电流测量
Crowbar
滤波器
网侧LC滤波单元与箱式变压器漏感构成LCL拓扑结构，有效 地滤除高次谐波，降低变流器对电网的高次谐波污染。
机侧通过由LCR所组成的du/dt网络，有效降低发电机终端的 电压尖峰，减少对发电机绝缘的损坏，提高发电机使用寿命。
到母线额定电压0.8倍时，闭合主回路开关，切出预充电开关， PWM变换器开始调制，建立稳定的直流母线电压。
平波电抗器
NPR 2
MPR 2
Du/dt 接触器 2
熔断器
G2
S2
断路器
MPR 1 S1
Chopper
Du/dt 接触器 1
定子
发电机
定子电压 PWM
电机侧变流器回路：由电压源型PWM变流器、电机侧du/dt
双馈型风电机组能量流向
上图中，no代表同步速。n代表当前转速。当n>no时， 双馈发电机工作在超同步状态，此时双馈发电机吸收机械 能，转换的电能Pm一部分Ps通过定子输送至电网，一部分 Pr通过转子输送至变流器，由变流器经过频率幅值变换后 输送至电网；Pm=Ps+Pr；
当n<no时，双馈发电机工作在亚同步状态，此时双馈 发电机通过轴上吸收机械能，转子侧吸收电能，二者能量 之和转换为电能，输送至电网。Pm=Ps-Pr；
二、变流器的分类
根据变速恒频风电机组类型的不同，变流器主要分 为全功率变流器和双馈变流器。
双馈变流器应用在双馈型风电机组，其控制对象为 双馈发电机。
全功率变流器可匹配直驱型风电机组、高速永磁、 高速电励磁等多种风电机组，其控制对象为同步发电机。
2.1双馈型变流器
变流器采用电压源型交直交拓扑结构。其中与网侧相连 AC/DC 的为电网侧变流器，与双馈发电机转子相连的DC/AC 部分为电机侧变流器。电网侧变流器主要控制目标为维持直 流侧电压稳定，并实现能量双向流动。电机侧变流器根据转 子转速的变化动态调节双馈发电机转子侧励磁电流的频率， 以保证定子输出的频率不变；电机侧变流器调整转子电流的 幅值和相位，则实现对风电机组有功功率和无功功率的控制
2.2全功率型变流器
同双馈型变流器一样，全功率变流器采用AC/DC/AC 的电压源型拓扑结构。与双馈变流器通过控制发电机转 子间接控制定子相比，全功率变流器直接将发电机定子 输出的电能经过变流器馈入电网，且仅有定子回路一条 功率通道（双馈型机组发电机转子及定子均可发电）。
在充电过程中，开关闭合（三极管导通）， 开关（三极管）处用导线代替。这时，输入电 压流过电感。二极管防止电容对地放电。电感 电流增加，电感里储存了一些能量。
电网电压 测量
变流器 网侧电流测量
变流器
转子电流测量
滤波器
Crowbar
双馈型变流器控制原理
由交流异步发电机的原理可得下面关系式：
f1
fr
fs
np 60
fs
其中f1为定子电流频率，n为转速，p为电机极对 数，fs为转子励磁电流频率，由该公式可知，当发 电机 转速变化时，若控制转子供电频率fs相应变化 ，可使f1保持不变，与电网电压保持一致，这就是 交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理。
双馈型变流器拓扑图
网侧入口 电流测量
690V 电网
框架断路器
定子 电流测量
并网接触器
DFIG
网侧电压 测量
定子电压 测量
滤波器
预充电电阻
主控690V 400V控制电源 供电
电网电压 测量
变流器 网侧电流测量
变流器
转子电流测量
滤波器
Crowbar
预充电：电网侧变流器启动时，先闭合预充电回路
网侧入口 电流测量
由变流器向发电机转子提供励磁电流，定子侧感应出交 流电压，当定子电压与电网电压一致时，闭合并网开关，机 组并网运行，开始功率调节和最大功率跟踪。
网侧入口 电流测量
690V 电网
框架断路器
定子 电流测量
并网接触器
DFIG
网侧电压 测量
定子电压 测量
滤波器
预充电电阻
主控690V 400V控制电源 供电
在放电过程中，开关断开（三极管截止） 时，电感开始给电容充电，电容两端电压升高， 升压完毕。
直接控制发电机转矩，动态响应好， 发电机端电流THD小。
发电机转矩不直接控制，直流侧斩波环 节可采用多重化，动态响应慢，定子电 流谐波大。
全功率变流器电气组成：1、电网侧变流器回路
2、电机侧变流器回路 3、直流侧卸荷单元
4、电励磁单元（电励磁机组）
平波电抗器
NPR 2
MPR 2
Du/dt 接触器 2
熔断器
G2
S2
断路器
MPR 1 S1
Chopper
Du/dt
接触器 1
定子
发电机
定子电压 PWM
电网侧变流回路：由预充电回路、电网侧主开关、RC滤波
单元、熔断器、平波电抗器及三相电压源型PWM变流器构成。
启动时首先闭环预充电开关，为直流侧充电，待电压达
框架断路器
定子 电流测量
并网接触器
DFIG
网侧电压 测量
定子电压 测量
滤波器
预充电电阻
主控690V 400V控制电源 供电
电网电压 测量
变流器 网侧电流测量
变流器
转子电流测量
滤波器
Crowbar
当直流侧电压达到交流电网电压有效值的1.2倍时切 出预充电回路，电网侧主接触器闭合，同时投入交流滤波 单元、准备电网侧变流器调制。
风电机组变流器系统
一、变流器的介绍 二、变流器的分类
2.1双馈型变流器 2.2全功率型变流器 三、变流器典型故障处理
一、变流器的介绍
变流器是风电机组中的重要组成部分，其主要作用 为在叶轮转速变化情况下，控制风电机组输出端电压 与电网电压保持幅值和频率一致，达到变速恒频的目 的，并且配合主控完成对风电机组功率的控制，且保 证并网电能满足电能质量的要求。当电网电压发生故 障时，在主控和变桨的配合下，在一定的时间内保持 风电机组与电网连接，并根据电网故障的类型提供无 功功率，支撑电网电压恢复。
网侧入口 电流测量
690V 电网
框架断路器
定子 电流测量
并网接触器
网侧电压 测量
定子电压 测量
DFIG
滤波器
主控690V 400V控制电源 供电
预充电电阻
电网电压 测量
变流器 网侧电流测量
Байду номын сангаас
变流器 转子电流测量
滤波器
Crowbar
当电网侧变流器建立起稳定的直流母线电压后，且发
电机转速在运行范围内，电机侧变流器调试运行，为发电机
转子提供交变励磁电流，控制发电机定子并网，并网后功率 （无功）控制。
定子 DFIG
转子
S1 双馈电 机转子
转子
转子
变流器 电流测量
Crowbar
滤波器
网侧LC滤波单元与箱式变压器漏感构成LCL拓扑结构，有效 地滤除高次谐波，降低变流器对电网的高次谐波污染。
机侧通过由LCR所组成的du/dt网络，有效降低发电机终端的 电压尖峰，减少对发电机绝缘的损坏，提高发电机使用寿命。
到母线额定电压0.8倍时，闭合主回路开关，切出预充电开关， PWM变换器开始调制，建立稳定的直流母线电压。
平波电抗器
NPR 2
MPR 2
Du/dt 接触器 2
熔断器
G2
S2
断路器
MPR 1 S1
Chopper
Du/dt 接触器 1
定子
发电机
定子电压 PWM
电机侧变流器回路：由电压源型PWM变流器、电机侧du/dt
双馈型风电机组能量流向
上图中，no代表同步速。n代表当前转速。当n>no时， 双馈发电机工作在超同步状态，此时双馈发电机吸收机械 能，转换的电能Pm一部分Ps通过定子输送至电网，一部分 Pr通过转子输送至变流器，由变流器经过频率幅值变换后 输送至电网；Pm=Ps+Pr；
当n<no时，双馈发电机工作在亚同步状态，此时双馈 发电机通过轴上吸收机械能，转子侧吸收电能，二者能量 之和转换为电能，输送至电网。Pm=Ps-Pr；
二、变流器的分类
根据变速恒频风电机组类型的不同，变流器主要分 为全功率变流器和双馈变流器。
双馈变流器应用在双馈型风电机组，其控制对象为 双馈发电机。
全功率变流器可匹配直驱型风电机组、高速永磁、 高速电励磁等多种风电机组，其控制对象为同步发电机。
2.1双馈型变流器
变流器采用电压源型交直交拓扑结构。其中与网侧相连 AC/DC 的为电网侧变流器，与双馈发电机转子相连的DC/AC 部分为电机侧变流器。电网侧变流器主要控制目标为维持直 流侧电压稳定，并实现能量双向流动。电机侧变流器根据转 子转速的变化动态调节双馈发电机转子侧励磁电流的频率， 以保证定子输出的频率不变；电机侧变流器调整转子电流的 幅值和相位，则实现对风电机组有功功率和无功功率的控制
2.2全功率型变流器
同双馈型变流器一样，全功率变流器采用AC/DC/AC 的电压源型拓扑结构。与双馈变流器通过控制发电机转 子间接控制定子相比，全功率变流器直接将发电机定子 输出的电能经过变流器馈入电网，且仅有定子回路一条 功率通道（双馈型机组发电机转子及定子均可发电）。
在充电过程中，开关闭合（三极管导通）， 开关（三极管）处用导线代替。这时，输入电 压流过电感。二极管防止电容对地放电。电感 电流增加，电感里储存了一些能量。
电网电压 测量
变流器 网侧电流测量
变流器
转子电流测量
滤波器
Crowbar
双馈型变流器控制原理
由交流异步发电机的原理可得下面关系式：
f1
fr
fs
np 60
fs
其中f1为定子电流频率，n为转速，p为电机极对 数，fs为转子励磁电流频率，由该公式可知，当发 电机 转速变化时，若控制转子供电频率fs相应变化 ，可使f1保持不变，与电网电压保持一致，这就是 交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理。
双馈型变流器拓扑图
网侧入口 电流测量
690V 电网
框架断路器
定子 电流测量
并网接触器
DFIG
网侧电压 测量
定子电压 测量
滤波器
预充电电阻
主控690V 400V控制电源 供电
电网电压 测量
变流器 网侧电流测量
变流器
转子电流测量
滤波器
Crowbar
预充电：电网侧变流器启动时，先闭合预充电回路
网侧入口 电流测量
由变流器向发电机转子提供励磁电流，定子侧感应出交 流电压，当定子电压与电网电压一致时，闭合并网开关，机 组并网运行，开始功率调节和最大功率跟踪。
网侧入口 电流测量
690V 电网
框架断路器
定子 电流测量
并网接触器
DFIG
网侧电压 测量
定子电压 测量
滤波器
预充电电阻
主控690V 400V控制电源 供电
在放电过程中，开关断开（三极管截止） 时，电感开始给电容充电，电容两端电压升高， 升压完毕。
直接控制发电机转矩，动态响应好， 发电机端电流THD小。
发电机转矩不直接控制，直流侧斩波环 节可采用多重化，动态响应慢，定子电 流谐波大。
全功率变流器电气组成：1、电网侧变流器回路
2、电机侧变流器回路 3、直流侧卸荷单元
4、电励磁单元（电励磁机组）
平波电抗器
NPR 2
MPR 2
Du/dt 接触器 2
熔断器
G2
S2
断路器
MPR 1 S1
Chopper
Du/dt
接触器 1
定子
发电机
定子电压 PWM
电网侧变流回路：由预充电回路、电网侧主开关、RC滤波
单元、熔断器、平波电抗器及三相电压源型PWM变流器构成。
启动时首先闭环预充电开关，为直流侧充电，待电压达