东汽FD70/FD77风电机组变流器系统原理及应用
1 变速恒频发电系统的工作原理
1.1 交流电机的旋转磁场
以单相交流电机为例，单相交流电机有2 个绕组，它们在空间上相差90˚ 正交分布，分别给2 个绕组加入时间上相差90˚ 的交流电。如图1（a）所示，发电机定子上正交分布有2 个绕组，一个是AX，另一个是BY。2 个绕组加上的电流波形如图1（b）所示。我们规定从A 流进X 流出或从B 流进Y 流出为正方向；从X 流进A 流出或从Y 流进B 流出为负方向。
图1 单项交流电机绕组
在t0 时刻，A 绕组上通过的电流为零；B 绕组上通过的电流为负的最大值。根据电磁定律，t0 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向→。
在t1 时刻，A 绕组上通过的电流为正的最大值，B 绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t0 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从上至下方向↓。
在t2 时刻，A 绕组上通过的电流为零，B 绕组上通过的电流为正的最大值，根据电磁定律，t2 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从右至左方向←。
在t3 时刻，A 绕组上通过的电流为负的最大值，B 绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t3 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从下至上方向↑。
在t4 时刻，正好回到t0 时刻的状态，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向→。电流变化一个周期，两个绕组合成的磁场旋转一周。
旋转磁场的转速为n=60f/p。
同理，如果三相绕组在空间上按120˚ 对称分布，三相绕组在时间上分别加上相位相差120˚ 的三相交流电。同样要在转子铁芯周围形成一个旋转磁场。
旋转磁场的转速n=60f/p。
其中，f 为三相交流电频率。P 为磁极对数。
1 变速恒频发电系统的工作原理
1.1 交流电机的旋转磁场
以单相交流电机为例，单相交流电机有2 个绕组，它们在空间上相差90˚ 正交分布，分别给2 个绕组加入时间上相差90˚ 的交流电。如图1（a）所示，发电机定子上正交分布有2 个绕组，一个是AX，另一个是BY。2 个绕组加上的电流波形如图1（b）所示。我们规定从A 流进X 流出或从B 流进Y 流出为正方向；从X 流进A 流出或从Y 流进B
流出为负方向。
图1 单项交流电机绕组
在t0 时刻，A 绕组上通过的电流为零；B 绕组上通过的电流为负的最大值。根据电磁定律，t0 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向→。
在t1 时刻，A 绕组上通过的电流为正的最大值，B 绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t0 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从上至下方向↓。
在t2 时刻，A 绕组上通过的电流为零，B 绕组上通过的电流为正的最大值，根据电磁定律，t2 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从右至左方向←。
在t3 时刻，A 绕组上通过的电流为负的最大值，B 绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t3 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从下至上方向↑。
在t4 时刻，正好回到t0 时刻的状态，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向→。电流变化一个周期，两个绕组合成的磁场旋转一周。
旋转磁场的转速为n=60f/p。
同理，如果三相绕组在空间上按120˚ 对称分布，三相绕组在时间上分别加上相位相差120˚ 的三相交流电。同样要在转子铁芯周围形成一个旋转磁场。
旋转磁场的转速n=60f/p。
其中，f 为三相交流电频率。P 为磁极对数。
若定子或转子绕组，在任一时刻合成的磁场只有一对磁极（磁极对数p=1），即只有两个磁极，对旋转磁场而言, 三相电流变化一周, 合成磁场也随之旋转一周，如果是50Hz 的交流电，旋转磁场的同步转速就是3000r/min。
如果定子绕组合成的磁场有两对磁极（磁极对数p=2），即有四个磁极，可以证明，电流变化一个周期，合成磁场在空间旋转180˚，由此可以推导得出：p 对磁极旋转磁场每分钟的同步转速为n=60f/p。
当磁极对数一定时，如果改变交流电的频率，则可改变旋转磁场的同步转速，这就是变频调速的基本原理。1.5MW风电机组的同步转速是1500r/min, 所以双馈发电机的定子/转子绕组磁极对数是2，即旋转磁场每分钟的转速为n=30f。也即频率f=50Hz，同步转速n0=30×50=1500r/min。
图2 转子与定子结构示意图
1.2 变速恒频发电机结构和原理
双馈发电机的定子通过开关和电网连接，转子通过碳刷引出和变频器输出连接。如图2 所示，观察方向从左至右，转子旋转方向为顺时针旋转；相对定子不动，转子转速为n。
风电机组转速小于同步转速1500r/min 时，在转子绕组上加上低频交流电，在转子线圈周围就会形成旋转磁场。这个旋转磁场的转速，相对于转子轴（相当于转子不动）来定义，转速为n1，方向与转子旋转方向n 相同。n 和n1 方向相同，两者同向相加，合成为转子旋转磁场n0。转子绕组旋转磁场，相对于转子轴而旋转；转子旋转磁场，相对于定子绕组而旋转。
风电机组转速大于同步转速1500r/min 时，改变转子电流的相序，可以改变转子绕组旋转磁场的方向，使得转子绕组旋转磁场的方向n2 与转子旋转方向n 相反。改变转子电流的频率可以改变转子绕组旋转磁场的速度，n 和n2 方向相反，两者反向相减，合成为转子旋转磁场n0=1500r/min。
例如：当风电机组转速为1200r/min 时，在转子绕组上加上一个正向旋转的三相交流电，频率为10Hz，则转子旋转磁场的转速n0=n+n1=1200+30×10=1500r/min。以1500r/min 的旋转磁场切割定子绕组，则在定子绕组上感应出50Hz 的交流电。当风电机组转速为1800r/min 时，在转子绕组上加上一个反向旋转的三相交流电，频率为-10Hz，则转子旋转磁场的转速n0=n+n2=1200+30×10=1500r/min。
变流器通过实时跟踪发电机转子的转速，从而实时调整变流器输出的转子电流频率和相序，可以保证转子旋转磁场的转速始终保持为同步转速1500r/min，从而保证发电机发出的电压频率为工频50Hz，无论发电机的转速是多少（1100r/min~1800r/min），发电
机输出电压频率都是50Hz，实现变速恒频发电。
变流器主要完成电源频率的变换，网侧NPR IGBT 负责将690V 电源电压整流成1000V 以上的直流母线电压或者将直流母线电压逆变成工频50Hz 的690V 电源电压反馈回电网；机侧MPR IGBT 负责将直流母线电压逆变成频率（0Hz~40Hz）可调、幅值和相位可调的交流电压加到转子绕组上，或者将发电机转子绕组发出的变频交流电压整流成直流母线电压，再由网侧IGBT 将直流母线电压逆变成工频50Hz 的690V 电源电压反馈回电网（图3）。
图3 电源频率变换示意图
当风速较小，发电机的转速小于同步转速时，转子绕组需要励磁。能量从电网到变流器再到转子绕组线圈，通过网侧IGBT-- 直流母线电压-- 机侧IGBT 变换成频率、幅值和相位可调的交流电压加到转子绕组上。
当风速较大，发电机的转速大于同步转速时，转子绕组要对外发电，首先经过机侧IGBT 把发电机转子绕组发出的变频交流电压整流成直流母线电压，再通过网侧IGBT 将直流母线电压逆变成工频50Hz 的690V 电源电压反馈回电网。因为发电机的定子绕组和转子绕组都在同时发电，所以称为双馈发电机。
2 FD70/FD77风电机组变流器电路分析
2.1 变流器主电路
箱变低压侧3/PE AC 690V 电源电压，通过4mm×240mm电缆（其中一根作为变压器中性点接地线）进入塔筒底部，3相电缆与变流器交流母线排联接，变压器中性点PE 线电缆与塔筒等电位板联接。
发电机定子输出电压经过并网接触器E007K2 以及并网断路器D002Q5 再联接到变流器交流母排上，反馈回电网。即在发电机定子输出端与变流器交流母排之间串联了并网接触器E007K2 以及并网断路器D002Q5。当并网接触器E007K2 以及并网断路器D002Q5 处于合闸状态时，发电机处于并网发电状态。断路器D002Q5 在主电路中起事故跳闸保护作用，接触器E007K2 在主电路中起风电机组并网/ 脱网的开关作用。
图4 变流器主电路
2.2 变流器励磁电路
变流器正常运行时，并网断路器D002Q5 处于合闸状态，给发电机转子回路提供励磁支持。来自电网的690V 电源电压，通过并网断路器D002Q5 到快速熔断器D010F2，经过滤波环节D010K2 到主励磁接触器E014K4，再经过电抗器D012R2 到网侧NPR
IGBT 变流模块。即690V--D002Q5--D010F2--D010K2--E014K4--D012R2--NPR IGBT，这条回路称为主励磁回路。
因为交直交变流系统，直流母线电压含有大容量的滤波电容。在变流器启动过程中，刚开始时直流母线上的电压为零，如果直接闭合励磁接触器E014K4，则相当于690V 直接对地短路，将对电网或网侧IGBT 整流模块造成很大冲击。所以变流器设置了一条对直流母线的预充电回路。
690V 电源电压经过开关熔断器E001Q2 到开关熔断器D010Q5，然后到继电器E010Q3，再经过加热限流电阻R 到继电器K016K3，再到开关熔断器E011Q2，之后连接到电抗器D012R2，最后到网侧IGBT。如图5 红色路径所示，
690V--E001Q2--D010Q5--E010Q3--R--K016K3--E011Q2--D012R2--NPR IGBT，这条回路与励磁接触器E014K4 是并联的。因为回路中串联了加热电阻R，当中间继电器K016K3合上时，通过网侧IGBT 给直流母线电容进行限流预充电。当直流母线电压达到额定电压的80% 左右时，K016K3 与主励磁接触器E014K4 相互切换，实现预充电和主励磁电路的切换过渡。限流电阻安装在IGBT 内部，当环境温度小于5℃时，为了保护IGBT 模块，需要加热保温。K116K3 合上时，三相限流电阻自动结成三角形连接负载，IGBT 开始加热。
图5 变流器励磁电路
2.3 变流器与风电机组主控制器的通信控制
以MITA 风电机组控制器和Alstom 变流器为例，变流器--发电机系统的启动与停止，需要主控制器的指令控制。变流器与风电机组主控制器的通信用于实现变流器-- 发电机系统的启动与停止控制过程。
变流器加热完成，控制板和IGBT 功率模块温度在5℃以上，变流器给出“运行准备好”信号X9:18 置1 ；
如果环境温度低，变流器正在加热，变流器给出“加热激活”信号X9:19 置1 ；
当机组控制器系统正常时，机组控制器给出“主控OK信号”conv wp3100 ok X9:11 置1，由风电机组控制器MITA发送给变流器；
当系统正常，风速达到启动风速时，风电机组开始启动，变流器实时在线监测发电机转速，当转速趋近1200r/min，变流器监测到发电机转速进入1200±1200×10％范围时，变流器给出“进入操作范围”信号，operation range X9:30 置1，MITA 输入端子M120=1 ；
机组控制器MITA 收到M120 信号后，向变流器发出开始励磁信号conv start excit X9:12 置1 M517=1，变流器开始直流母线充电、励磁同步操作；
当变流器完成同步操作后，变流器给出“并网准备好”信号，conv ready for connection X9:34 置1，MITA 输入端子M121=1，反馈给机组控制器；
机组控制器MITA 收到M121 信号后，向变流器发出“变流器加载要求”conv start prod X9:13 置1，MITA 输出端子M519=1，变流器并网接触器合闸，风电机组并网；
并网完成后，变流器向机组控制器MITA 报告“电网联接”信号，grid connection X9:35 置1，M123=1。机组控制器MITA 开始放开叶片，机组转速提高，力矩加大，发电机发出的功率提高，直到与叶片吸收的能量到达一个动平衡，风电机组稳定运行；
变流器出现故障时，变流器要向机组控制器MITA 发出“变流器错误信号”conv error X9:33 置1，M122=1。
机组控制器MITA 收到M122 信号后，以刹车程序75 开始停机。5 分钟后，机组控制器MITA 给变流器发出“变流器复位” 信号conv reset error X9:14 置1，M516=1。连续3次自动复位不能成功后，机组停机，报变流器错误故障。
变流器与风电机组主控制器的通信控制可以归纳总结如下表:
3 FD70/FD77 风电机组变流器典型故障案例
3.1 故障现象：直流母线充电失败
进入NPR 按F5 读取网侧变量数据，查看4F06H 直流母线电压从890V~1016V 之间来回跳动，不能稳定在1005V ；
用示波器读4F25、4F26 电压波形，发现4F26 的幅值只有4F25 的60%~70% 左右；
更换网侧电压检测板A301A60 后，4F25、4F26 波形正常，直流母线充电正常，故障消除。
3.2 故障现象：变流器报NTC故障
变流器手动加热。进入MPR 按F5 读取机侧变量数据。查看343E（H），IGBT 温度最高22℃，最低-10℃，最低温度一直不变，估计加热器回路有故障；
用手触摸IGBT 散热器，中间2 组IGBT 散热器冰冷，说明没有加热；其余旁边2 相略有温度，说明加热器已经工作；
用万用表电压档，测IGBT 加热线插头处，正常的2 相有256V 左右，中间这一相的电压为零；
断开E010Q3，设置变流器手动加热，K116K3 自动吸合。用万用表电阻档测得K116K3 的③④脚开路，其他2 相是到通的，说明K116K3 硬件故障；
更换K116K3 后，NTC 故障消除。
3.3 故障现象：4mA~20mA信号中断
更换WP3035，4m A~20mA 信号转换板后，故障不变；
更换WP3100 后，故障不变；
重新压接WP3100 接线端711 和713，MITA 接线端X1 ：214 和X1 ：215 及联接线后，故障消除。
3.4 故障现象：变流器反馈的4mA~20mA电流不正常给定变流器力矩9030，-970 时，MITA 显示正常；
给定4030 时，MITA 显示2182。
检查变流器A311A10 ：15.33，15.36 输出电压为5V，正常；
断开N112T2 输出脚⑤ ⑥， 串接ma 表， 测得结果为11.97ma，接上负载后只有10.89ma ；
在MITA 柜上，断开731、733 插头，直接串接ma 表，测出结果也是11.97ma 初步判断为电流转换板WP3034 故障；
在MITA 柜上，更换WP3034，4mA~20mA 信号转换板后，故障消除。
3.5 故障现象：一投励磁，D010Q5保险即烧断经检查，有人把D010Q5 的保险盒误插到D014Q2 保险的位置上；
D010Q5 保险是10A 的，D014Q2 保险是160A 的，将它们更换到正常位置；
更换D010Q5 保险熔断器后，故障消除，恢复正常。
3.6 故障现象：变流器励磁调试时，一投励磁就跳闸，没有励磁电流输出
MITA 柜屏蔽了变流器故障1409 ；
MITA 柜变流器超速信号intup118 要求取反，实际未取反，因为MITA 柜屏蔽了变流器故障1409，虽然intup118 未取反，也不报变流器故障，所以一投励磁即报变频器超速；
将MITA 柜变频器超速信号intup118 取反后，故障消除。
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