变频器和Crowbar

1、华锐风电科技（集团）股份有限公司变频器3:22:331目目 录录 变频器基础知识变频器基础知识 PM1000变频器变频器 PM3000变频器变频器 AMSC变频器在双馈风力发电系统中的应用变频器在双馈风力发电系统中的应用3:22:332第 一 章 变 频 器 基 础 知 识第 一 章 变 频 器 基 础 知 识3:22:333变频器的定义与应用变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置太阳能及风力发电，高压直流输电，电动机车、舰船、电动汽车等节能绿色交通工具，各类电动机(异步、同步、绕线、变频、无刷、开关磁阻等)3:22:334变频器的功率元件IGBT (Ins

2、ulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)3:22:3353:22:346 晶体管类（晶闸管）都是不能被控制关断的器件。 电力电子中的电力二极管和电力晶闸管属于半控型器件，如果用于整流用六个二极管构成一个整流桥堆，由于导通相角不可以被控制，实际上是不可关断的。 但是IGBT是全控设备，可以任意控制导通角，控制关断和开通，这样输出特性可以被任意调整。 此外IGBT与晶闸管的原理、材料和工艺也不相同,工作原理、反应时间、能耗、寿命都不完全相同3:22:347 变频器硬件电路图 二极管整流谐波较大，整流电压不可调，价格便宜。 IGBT整流谐波较小，整流电压可调，

3、价格昂贵。变频器的功率模块IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)3:22:348变频器的分类根据变流环节不同分类：交-直-交变频器交-交变频器根据直流电路的储能环节（滤波方式）分类：电压型变频器电流型变频器根据电压的调制方式分类：脉宽调制（PWM）变频器 脉幅调制（PAM）变频器按照工作原理分类：可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等按其供电电压分类：低压变频器 ( 110V 220V 380V ) 、中压变频器 ( 500V660V 1140V ) 和高压变频器 ( 3KV 3.3KV 6KV 6.6KV 1

4、0KV )。 3:22:349变频器的控制方式 U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式： 控制电路结构简单、成本较低，输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著 电压空间矢量(SVPWM)控制方式 以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，没有引入转矩的调节 矢量控制(VC)方式 三相二相变换，实现正交或解耦控制，具有划时代的意义 直接转矩控制(DTC)方式 简洁明了的系统结构、优良的动静态性能 矩阵式交-交控制方式：该技术目前虽尚未成熟，处于研究阶段3:22:3410交-直-交变频器逆变整流电源3:22:34113:22:3412第 二 章第 二 章 P M 1 0 0 0 变

5、频 器变 频 器PM1000模块化设计3:22:3413PM1000是什么？ 电源转换器架构包括印刷电路板（PCB）设计，配有一流的IGBT、控制算法和空气或液体冷却。嵌入式控制器和特定应用的接口板的集成，以及模块化且可升级的电极设计，提供了无与伦比的多功能性-使PM1000转换器成为工业和电源转换应用的理想选择。可串行和/或并行配置多个PM1000转换器，从而构成更高电压和更大额定功率的转换器和系统。 的固有架构能够为快速配置新的应用硬件和软件。用户可自设参数使之能够达到用户所需的性能并且能够实时转换3:22:3414PM1000功率模块IGBT的二极管检查：用万用表的蜂鸣档，所有的电极到直

6、流母排正极应该是有一个二极管管压降,直流母排正极到所有的电极是无穷大的.所有电极到直流母排负极正好相反 ，短路说明IGBT被击穿，断路说明IGBT被烧断3:22:3415模块组装范例（LSC)数字输入输出双数字信号处理器光纤通讯母线非电解电容门极驱动器少内部连接备用电源单独水冷回路3:22:3516内部控制板的组成、功能 变频器系统PM1000 PowerModulePower PCB Power switchingCurrent sensing shuntIGBT module temperature sensingInterface PCBGate driversGate drive &a

7、mp; current sensingpower suppliesCurrent feedback isolationOutput voltage feedbackIGBT module temp. sensor signal conditioningControl PCBDSP based control softwareCPLD signal routing & control logicOver current fault detection & latchDesaturation fault detection & latchHigh DC bus trip &

8、amp; latchGeneral purpose diff amps & filtersCurrent feedback diff amps & filtersI/O buffers to DSPHeat sink temperature monitorsInternal temperature monitorExternal Power Supply24 to 48 volt power supplyPower SupplyDC bus to 48 volt power supplyDC bus voltage sensing48 to 15 volt power supp

9、lyASIM PCB15 to 5 volt power supply (main)DFIG Interface PCBGrid or stator voltage feedbackEncoder interfaceRelay output PM1000 特性特性 控制特性-双DSP PWM控制-3kHz PWM脉宽调制-CPLD硬件保护和信号通道-多路运算开关-数字信号输入输出 硬件保护-过电流-超温-IGBT 过饱和-母线过电压-电源监视3:22:3518PM1000 技术规格3:22:3519 系统功率：1500 kW 额定电压：690 VAC， 10% 电源频率：50 Hz， 2Hz

10、连接电压：1000-1100 VDC 转子最高有效电压：700 VAC 操作频率：3 kHz 变频器系统PM1000变频器主要技术参数 功率因数：容性0.95感性0.90 滑差范围：30%(滑差就是发电机电压和系统电压频率的差（频差），发电机并网时,要求滑差应小于允许值。) 电压不对称度：2%(程序内极限差20VAC) 电流不对称度：10%变频器系统3:22:35223:22:3523 发电机侧变频器与发电机转子相连。 功率容量上，两倍于网侧变频器。 软件上，发电机侧变频器采用矢量控制，接受来自发电机的速度反馈并进行解藕。 控制两个量： 发电机的力矩 发电机的无功功率。3:22:3524 网侧

11、变频器与电网连接。 软件上，电网侧变频器控制两个量： 直流母线电压 发电机无功功率网侧变频器与电机侧变频器的功能网侧变频器 ：控制直流母排电压 预充电 网侧电压同步检测 电网电压测量 电机侧变频器： 发电机扭矩控制 功率因数控制 发电机定子电压控制 发电机速度检测触发crowbar3:22:3525PM1000 一次接线示意图3:22:3526PM1000 外部接线图3:22:3527PM1000 通讯结构图EthernetEthernetSwitchMasterCAN Spiderelectric / optical interface07WT98MASTERI/OEthernet (fib

12、re optics)Line side PowerConverterGenerator sidePower ConverterN A C E L L ECAN 1MBEthernet /CANCAN 2A (fibre optics)DisplayRS 232EthernetCAN 1MBEthernet3:22:35283:22:3629第 三 章第 三 章 P M 3 0 0 0 变 频 器变 频 器3:22:3630PM3000技术规格PM3000 控制特点：1.双DSP(80MHz)，集成PWM控制；2.3kHzPWM；3.利用CPLD作为硬件保护和信号处理；4.集成多种运行模式；5.

13、丰富的数字量I/O口；硬件保护：1.过流；2.过温；3.IGBT Desaturation；4.直流母线过压；5.电源监测；PM3000 外观图功能：1.发电机转矩控制；2.功率因数调节；3.发电机同步；4.发电机转速监测；5.Crowbar控制。特点：1.风机专用变频器；2.集成的直流母线电压动态控制；3.AC/AC双向变换；4.热和机械加强的IGBT；5.滑入式安装。3:22:3633PM3000外观PM3000 实物结构PM3000 实物结构3:22:36363:22:36373:22:36383:22:3639 IGBT: FS450R17KE4, 1700V, 450A, IGBT4

14、 technology LSC: Three IGBTs paralleled for each phase, 1350A GSC: same as LSC, 1350A for each phase DC Bus capacitor 4320uF (270uF x 16) Nominal DC bus voltage 1150V Switching frequency 3kHz DBR is available (not for retrofit unit) Control circuitry is referenced to ground变频器的功率模块3:22:3640 LSC, GSC

15、集成式的背靠背设计 内置的Dynamic Breaking Resistor (DBR)提高对电网波动的调节能力PM3000拓扑结构3:22:3641PM3000信号传输途径3:22:3642 CAN总线结构DSPBDSPALSCDSPBDSPAPLC 5 ms(1) 5 ms(2) 40 ms(3)10 ms (5) 10 ms (4) GSC333 s (7) on demand(6)15ms (11)5 ms (8)15 ms (9)on demand (10)on demand (12)PM3000 ASIM board3:22:3643Control word:0: Handshak

16、e bit plc - converter 1: Run line side converter2: Run generator side converter3: Reserve4: Reset converter5: pre-charge contactor feedback: 1: closed, 0: open6: enable test mode for converter7: start test mode8: commissioning control bit09: commissioning control bit110: commissioning control bit211

17、: Test mode bit012: Test mode bit113: Test mode bit214: Test mode bit315: Test mode bit42) demanded value of rotor Id (for active power)3) demanded value of rotor Iq (for reactive power)4) demanded value of LSC reactive currentPM3000-PLC发送给变频器的指令3:22:3644PM3000接线 第四章第四章AMSC变频器在双馈风变频器在双馈风力发电系统中的应用力发电

18、系统中的应用3:22:3645风力发电主流技术 双馈发电机 永磁直驱同步发电机3:22:3646直驱风力发电系统93.2% 转化率100% 变频器 发电机4.0%2.8% 损耗 损耗3:22:3647双馈发电系统77.8%100%19.4%0.8% 损耗变频器18.6%96.4% Netz2.8%损耗发电机3:22:3748直驱与双馈的比较双馈的优点 风机容量大 低损耗 变速 高效率 低成本 良好的电功率因数 有功和无功功率的控制3:22:3749双馈发电系统3:22:3750SL1500一次接线图3:22:3751+NCC3x0 机舱柜+NCC3x0机舱柜机舱柜+NCC300690VAC 电

19、源回路变压器 定子接触器 定子 网侧熔断器 雷电保护400VAC 电源 偏航变频器和马达 泵,风扇+NCC310控制系统 PLC , 控制面板 继电器 开关UPS 系统 电池 供电电源+NCC320变频柜 网侧变频器 电机侧变频器 电感 Crowbar 滤波 高频滤波3MW变频器柜变频器控制原理图3:22:3754变频器运行状态图3:22:37553:22:37563:22:3757双馈风机的启动预充电3:22:3758双馈风机的启动网侧变频器同步3:22:3759双馈风机的启动闭合网侧开关3:22:3760双馈风机的启动启动机侧变频器3:22:3761双馈风机的启动发电机同步3:22:376

20、2双馈风机的启动发电机并网3:22:37633:2264并网过程演示3:22:3765PM3000-网侧变频器并网波形图3:22:3766PM3000-网侧变频器并网波形图3:22:3767PM3000-机侧变频器同步波形图LSC current and DC bus voltageTime (sec)2.12.122.142.162.182.22.222.242.262.282.3-1001003005007009001100GSC currentTime (sec)2.12.122.142.162.182.22.222.242.262.282.3-200-150-100-500501001

21、50Line and stator voltageTime (sec)2.12.122.142.162.182.22.222.242.262.282.3-1000-5000500100015003:22:3968PM3000-发电机定子并网波形图3:22:3969PM3000-发电机加速GSC电流3:22:3970PM3000-1.5MW满功率运行波形双馈风机的能量流动同步转速以上3:22:3971双馈风机的能量流动同步转速以下3:22:3972crowbar 过电压保护 保护直流母线软件设置触发值PM1000为1175VPM3000为1350V3:22:3973硬件限值PM1000为1200

22、VPM3000为1400VCrowbar保护直流母线3:22:3974crowbar3:22:3975crowbar直流母线电压上升3:22:3976Crowbar触发Crowbar3:22:3977Crowbar短路电机转子绕组3:22:39783:22:3979LVRT什么是LVRT3:22:3980LVRT实际的电压跌落3:22:3981LVRT各国的LVRT要求3:22:3982PM1000 手动操作说明3:22:3983PM1000手动测试流程图demanded state = -2: crowbar testConManCrodemanded state = -1: overspe

23、ed relay openConManSafdemanded state = 0: Manual mode offConManOffdemanded state = 3: Activate precharge unitConManPredemanded state = 1: Manual mode entered ConManEntdemanded state = 2: Enable contactor supplyConMan230OnOff-+-Off-Offdemanded state = 7: Close stator contactorConManSwidemanded state

24、= 8: Production up to 25%ConMan_25demanded state = 6: Synchronize generatorConManSyndemanded state = 5: Switch Gsc onConManGSCdemanded state = 4: Switch LSC on (armed)ConManLSCdemanded state = 11: Production up to 100%ConManRatdemanded state = 10: Production up to 75%ConMan_75demanded state = 9: Pro

25、duction up to 50%ConMan_50-+-+-+-OffOffOffOffOffOffOffOffOffOff- +-2: crowbar test-1: overspeed relay open0 - automatic mode active1 - enter manual control2 - switch 230V relay on3 - switch precharge unit on4 - switch LSC on5 - switch GSC on, with small load6 - synchronize GSC to the grid7 - close s

26、tator contactor, production mode with no power8 - production with max. 25% of rated power9 - production with max. 50% of rated power10 - production with max. 75% of rated power11 - production with max. rated power3:22:3984PM3000手动测试流程图3:22:3985-2: crowbar test-1: overspeed relay open0 - automatic mo

27、de active1 - enter manual control2 - switch 230V relay on3 - switch precharge unit on4 - switch LSC on5 - LSC low load6 - LSC synchronize7 - Close line side contacter8 - switch GSC on, with small load9 - synchronize GSC to the grid10 - close stator contactor, production mode with no power11 - production with max. 25% of rated power12 - production with max. 50% of rated power13 -