风机变频器控制原理

1100V
Line Contactor
i_rotor
V_dcbus
Crowbar Line-side converter_ON Pre-charge Contactor
Udc
Rotor-side converter
当前状态：网侧接触器吸合，由网侧逆变器把直流母排电压升值1100VDC 预充电接触器关断; 网侧接触器吸合; 定子断路器断开; 网侧逆变器工作状态; 转子逆变器关闭状态;
+ PI + ' u dr
+ u dr + * u qr
*
i
* qr
PI
' u qr
e j ( s r )
* u r
* u ar ,br ,cr
2/3
PWM
变流器
+
u r
*
idr
iqr
ir ,r
3/2
iar ,br ,cr
-
2
编码器
2
+ d/dt
双馈电机
s
+
1
d/dt
1
磁链角度 计算
功率模块柜
与转子的 连接电缆 的螺栓
变频器—硬件结构及功能（ALSTOM)
• 功率模块柜：
• 1 变频 • 2 功率回路滤波 • 3 功率回路保护（Crow-bar)
DFIG 系统
交直交电压型变流器 f f Grid
3 = = 3
电机侧变流器
电网侧变流器
f = f Grid
齿轮箱
双馈感应 发电机
ωK=pθ ——dq系统旋转速度
控制策略
基于定子磁场定向的矢量控制： 令同步轴线d轴与定子磁场向量重合，推导出解耦有功和无 功分量方程如下
P1 u sq irq / L1 Q1 u sq ( s Mird ) / L1
L1=Ls/Lm Ls——定子自感 Lm——定转子间互感
双PWM变流器主电路结构图
向电网发送电能
DFIG转子绕 组的漏感和 等效电阻
DFIG转子绕组 感应电动势
直流环节的 储能电容
控
检测 电路
制
控制电路
V1 L R
电 路
保护 电路
驱动 电路
在主电路 和控制电 路中附加 一些电路， 以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
V2
主电路
电气隔离
电力电子器件在实际应用中的系统组成
功率因数调节
考虑到风电系统的功率扰动以及电网本身 的供电质量问题，因此希望风力发电系统发电机 输出有功功率可调节，同时还能改变输出功率因 数。通过转子侧变频器励磁控制，可以实现风力 发电机组在稳定状态下的总有功功率和转差率不 随功率因数设定值的变化而变化。其总有功功率 由机组的风机功率特性与风况决定，同时，发电 机的转差率由风力机组的总有功功率和转速控制 特性决定，与发电机输出无功功率无关。
1100V
Line Contactor
i_rotor
V_dcbus
Crowbar Line-side converter_ON Pre-charge Contactor Rotor-side converter
当前状态：逆变器寻找角度。分为三种：1、自动找角度，2、通过控制软件 手动找角度， 3、不找角度; 预充电接触器断开状态; 网侧接触器吸合状态; 定子断路器断开状态; 网侧逆变器工作状态; 转子逆变器工作状态;
由此可见，采用定子磁场定向矢量控制时，定子侧有功功率P1可 通过转子电流的转矩分量irq控制，定子侧的无功功率Q1可通过转 子电流的励磁分量ird控制。因此，通过调节转子励磁电流的幅值 和相位，可达到调节有功功率和无功功率的目的。
控制策略
s (
* idr
Lm ds Lr idr ) Ls sLr iqr
变频器的内部控制框图
变速恒频控制原理
变速恒频：转子的转速跟踪风速的变化，定子侧恒频恒压输出。
f1 pfm f 2
f1 ——定子电流频率，与电网频率相同； p——电机极对数； fm——转子机械频率，fm=n/60（n为发电机转子转速）； f2——转子电流频率；
n小于定子旋转磁场的同步转速ns时，处于亚同步运行状态，上式取正号， 此时变流器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网； n大于ns时，处于超同步运行状态，上式取负号，此时发电机由定子和转子 发出电能给电网，变流器的能量逆向流动； n等于ns时，处于同步运行状态，f2=0，变流器向转子提供直流励磁； 因此，当发电机转速n变化时，即pfm变化，若控制f2相应变化，可使f1保 持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。
并网过程：并网
Grid Transformer Doubly-fed Generator Stator Circuit Breaker I>
Auto_align:自动找角度 CCU主控板自己查找角度，然后把角 度的参数记录在控制板的存储器中； Manual_align:手动找角度 用控制软件rw_56查看定子电压; 用控制软件rw_21查看网侧电压 在控制软件rw_100里查看网侧和定子 电压差距; 用控制软件rw_13调节定子电压； 用控制软件rw_14调节定子电压与网侧 电压的相位，当rw_100的数值接近于0 时，记录 用控制软件rw_66把角度记录到存储器; No_align: 不找角度 直接调用存储器中的角度，而不查找 角度;
控制策略
矢量控制
在基于同步电动机变频调速的矢量 控制策略中，由于转子接变频器的结 构特点，目前应用在DFIG的励磁控制 中主要有两大类，即基于气隙磁场定 向的矢量控制策略和基于定子磁场定 向的矢量控制策略
控制策略
基于双馈电机数学模型的坐标变换：
定转子三相坐标系
两相静止坐标系和两相旋转坐标系
ωr=pθr ——转子旋转角速度
电机侧du/dt滤波器： 滤除由于功率元件开关引起的高电压上 升沿和下降沿的高频信号，防止此高频 信号对电机转子绕组的影响
过压保护器： dc-link电压过高 时开启，短路转 子，保护变频器
DFIG 系统
从电网吸收电能
网侧变换器 交流侧三相 电流
网侧变换器 交流侧三相 电压
进线电抗器 的等效电阻 和电感
K2
iL1..3
iG1..3 UDC
iR1..3
K,L,M
DFIG
15μH 12uH, 550A 550A
rotor current feedback
UL12 UL32
3x40A 3x32A
grid filter
0,6mH, 1.2mH 330A 300A fibre or copper
dV/dT Filter
变频器—硬件结构及功能（ALSTOM)
控制柜
变频器—硬件结构及功能（ALSTOM)
控制柜内部
变频器—硬件结构及功能（ALSTOM)
• 控制柜：
• 1 功率模块（变频模块）触发控制 • 2 励磁回路控制 • 3 自动同期控制 • 4 功率回路保护
• 5 信号采集及转换、分配
• 6 控制板件加热
变频器—硬件结构及功能（ALSTOM)
并网过程：DClink升压
Grid Transformer Doubly-fed Generator Stator Circuit Breaker I>
V_stator
V_grid
Converter Control Unit (CCU)
i_system
Gear Box encoder
i_line-inverter
风轮
2009-5-25
DFIG 系统
• •
交流侧功率因数控制 保持直流环节电压稳 定
•
调节控制转子励磁电流 频率，以实现DFIG变速 恒频运行 调节励磁电流幅值和相 位控制DFIG电势的相位 和频率 确保DFIG输出解耦的有 功功率和无功功率
•
•
变频器系统框图
Filter bank 1
低次谐波过滤器1 (根据需求投切)
Filter bank filter bank 2
1000/0,1A
US12 US32
U
V
W +PE
PS,QS
PM
grid contactor To Step Up Transformer
690VAC / 50Hz
1500/1A
Grid Controller
1100VDC 500/0,12A
Rotor Controller
Crowbar
Enc
690V + 400V auxiliary power for nacelle load
grid current feedback
DClink voltage
fibre or copper
Quadrature encoder with marker pulse
main grid voltage feedback main grid current feedback
s , s
定子磁链 计算
is ,s u s , s
3/2
ias ,bs ,cs u as ,bs ,cs
s ds
电网
变流器系统图
Grid Transformer Doubly-fed Generator Stator Circuit Breaker I>
V_stator
i_rotor
Basic Schematic of Doubly-fed Generator Wind-turbine 当前状态：IDLE（初始状态）: 预充电接触器断开状态; 网侧接触器断开状态; 定子断路器关断状态; 网侧逆变器关闭状态; 转子逆变器关闭状态;
V_dcbus
du/dt滤波器
Crowbar
并网过程：同步化
Grid Transformer Doubly-fed Generator Stator Circuit Breaker I>
V_stator
V_grid
Converter Control Unit (CCU)
Ustator
Gear Box encoder
i_system
i_line-inverter
stator voltage interface
Converter Control
crowbar interface rotor position feedback
conv-blk-d6-1250.vsd, sf, 15.09.06
电网侧交流滤波电抗器： 抑制功率元件通断引起的 电磁干扰 变频器控制单元： 电网电压、电流测量；功率测量；电 网监测；与主控制器通讯
> 800.0V
Line Contactor
i_rotor
V_dcbus
Crowbar Line-side converter Pre-charge Contactor
Udc
Rotor-side converter
当前状态：合上预充电接触器对直流母排进行充电至800VDC 预充电接触器闭合; 网侧接触器断开状态; 定子断路器断开状态 ; 网侧逆变器关闭状态; 转子逆变器关闭状态;
变频器—系统原理（ALSTOM)
变频器—硬件结构及功能（ALSTOM)
并网柜
控制柜
功率模块柜
变频器—硬件结构及功能（ALSTOM)
变频器—硬件结构及功能（ALSTOM)
并网柜
变频器—硬件结构及功能（ALSTOM)
• 并网柜：
• 1 并网（断路器） • 2 保护（断路器的过流保护） • 3 系统电源分配 • 4 与机舱主控制器信号交换
V_grid
Converter Control Unit (CCU)
i_system
Gear Box encoder
i_line-inverter
Line Contactor
电抗器
Line-side converter Pre-charge Contactor Rotor-side converter
并网过程：预充 电
Grid Transformer Doubly-fed Generator Stator Circuit Breaker I>
V_stator
V_grid
Converter Control Unit (CCU)
i_system
Gear Box encodetactor 1 K4
stator circuit breaker
K1
低次谐波过滤器 1250A 2(固定投切)
I>
iS1..3 = iS1..3 - IG1..3
K3
PMG,QMG PG,QG
charge DC link
PR,QR
K5 K4
filter contactor Filter contactor 2
变频器系统机器原理介绍
变频器—接线 变频器—系统原理 变频器—硬件结 构及功能 • DFIG系统 • 变速恒频控制原理 • 功率因数调节 • 控制策略 • 变流器系统图 • 并网过程 • 硬件结构
变频器—接线
与发电机的接线
塔筒上部：发电机电缆 →BUS BAR
塔筒下部：BUS BAR→变频 器
变频器—系统原理