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金风1.5MW风机Switch变流系统


金风 1.5MW 风机 Switch 变流系统
一、Switch 变流系统主拓扑结构 该变流器采用可控整流的方式把发电机发出的交流电整流为直流电, 通过网 侧逆变单元把直流电逆变为工频交流电馈入电网。其控制方式为分布式控制,即 每个功率单元都能够独立的执行控制、保护、监测等功能,功率单元之间则通过 现场总线连接。 这种方式和它的主电路拓扑结构相对应。

/>Switch 变流器系统原理图:

如图所示: 1U1 为网侧逆变功率模块,2U1 和 3U1 为发电机侧整流功率模块,4U1 为 制动功率模块,3H1 为预充电模块。 网侧逆变功率模块 1U1 的作用是将直流母线上的电能转换成为电网能够接 受的形式并传送到电网上。而发电机侧整流功率模块 2U1 和 3U1 则是将发电机 发出的电能转换成为直流电能传送到直流母线上。 制动功率模块 4U1 则是在某种原因使得直流母线上的电能无法正常向电网 传递或直流母线电压过高时,将多余的电能在电阻 4R1 和 5R1 上通过发热消耗 掉,以避免直流母线电压过高造成器件的损坏。 3H1 模块的作用是在变流器工作之前,给直流母排进行预充电,因为直流母 排上带有容量很大的电容器, 若不预充电,则在闭合主断路器时会对系统造成很 大的电流冲击。

二、Switch 变流系统控制框图
1U1

1U1

2U1

3U1

4U1

2U1

3U1

4U1

变流控制柜机柜:

网侧滤波电容器组 1C1、1C2

过压保护单元 4U1控制器

过压保护单元4U1

电控系统供电 总开关

网侧断路器1Q1 网侧保护熔 断器组1F1

1#变流控制柜机柜: 网侧断路器 1Q1 机械锁定钥匙的钥匙把的位置处于水平方向时断路器处于 机械锁定状态, 在需要进行机械锁定时最好将钥匙拨到水平位置后将钥匙拔离以 确保安全。 钥匙位于与地面垂直位置时表明断路器处于正常工作状态,此位置无 法移除钥匙。

2#变流控制柜机柜:

接线端子排 预充电变压器3T1 预充电整流模块3H1 直流24V电源2G1 控制用中间 继电器 温度调节器3S1 直流母排

网侧变流器 1U1功率单元

水冷管路

网侧滤波电 抗器1L1

3#变流控制柜:

断路器2F1---2F3

网侧功率单元1U1控制器

1F10

断路器1F11---1F17

变流器维护插座

变流器维护开关 湿度调节器3S2和温度调节器 3S2,在此设置温度和湿度值

变流器主水冷管路

变流控制柜机柜 4、5:

电机侧功率单 元2U1控制器 功率单元2U1 接线铜排 电机侧直流 母线排 电机侧变流器 2U1的控制盒

电机侧功率 单元2U1

电机侧功率 单元2U1

电机侧防雷 保护2F11

水冷管路

变流控制盒:

变流柜中采用的功率模块都是 VACON 公司生产的通用变频器。 这里所说的 控制器也是 VACON 公司为变频器所配的控制器。 这些控制器和功率模块一一对 应,相互之间通过光纤/CAN 总线互连。 从硬件上看,这些控制器的基本配置一致,从控制角度看,1U1 控制器是变 流器的控制核心,通过它变流器完成和 WTC(机组主控制器)之间的信息和命 令交互,同时完成对其他控制器的操作。 1U1 和 2U1 及 3U1 之间通过光纤和 CAN 总线连接, 而 4U1 通过 CAN 总线 与其它控制器连接,这是因为 1U1/2U1/3U1 之间需要高速通讯以满足系统正常 运行所需,而制动功率模块的相应时间可以慢一些。 三、网侧控制原理 在全功率变流系统中,为便于分析,通常将电网侧逆变功率单元 1U1 称为 网侧变流器,将发电机侧整流功率单元 2U1、3U1 称为电机侧变流器。网侧变流 器 1U1 的作用是将直流母线上的有功功率转换为恒幅恒频的三相交流电馈入电 网,保证功率因数,并减小对电网的谐波污染。网侧功率模块控制原理框图为:

从图中可以看到, 其控制对象为网侧电压和直流母线电压,这两个控制对象 本质上分别代表网侧无功功率和有功功率。 一般来说,当网侧电压上升时,需要网侧模块提供感性无功;而当网侧电压 下降时则需要提供容性无功。 其中电网电压为可选项,实际系统中并没有这个功能,而以 WTC(机组主 控制器)给出的无功功率指令代替。根据这个无功指令,考虑到电网电压波动有 限,则可以直接得到这个无功对应的无功电流,如下式所示:

I dref

Q ? Us

式中 Idref 为无功电流,Q 为无功给定,Us 为电网电压。 根据电网电压也可以产生无功输出给定, 但在目前的系统中并没有实现这一 功能。 有功功率是由发电机提供的,发电机发出的有功功率通过发电机侧功率模 块转化为直流有功输送到直流母线上。 而网侧功率模块则将直流母线上的有功转 换为交流有功输送到电网上。 当直流母线上输入有功功率增加到大于通过网侧模块输送到电网上的有功 时, 将导致直流母线电压上升; 而当直流输入有功功率下降到小于输送到电网的 有功时,直流母线电压会下降。 也就是说, 直流母线电压的变化直接反应了发电机发出的功率的变化。网侧 功率模块通过监测直流母线电压的波动,就可以得到输出有功电流的大小。

四、电机侧控制原理 从图中可以看到这里只给出了一套绕组对应的功率模块的控制框图。 这是由 于两套绕组在控制原理上是一致的,只是在控制的相位上有一定偏差,所以这里 只需要给出一套绕组对应的功率模块控制框图。 另外, 图中光电码盘在实际系统中是不存在的,实际上采用的是无速度矢量 控制原理。通过这一控制方式,可以得到转子转速,从而得到转子磁场位置角θ r。通过 VACON 公司的核心算法,可以从电机电枢电流及电机参数推导得到转 子磁场的旋转速度。

发电机侧功率模块控制原理框图 :

从框图上可以看到这里采用的是直接转子磁场定向控制。 首先根据检测得到 的转子磁场的旋转速度,积分得到转子磁场位置角θ r。根据这个位置角θ r,对 检测得到的发电机定子电流进行三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换, 得到转矩电流分量 iq 和励磁电流分量 id。这两个量作为电流闭环控制的反馈量。 转矩电流的参考给定有两个来源: (1)由转速参考给定与检测得到的转子速度进行比较,然后经过 PI 调节器 得到转矩电流给定。 (2)根据转矩给定直接得到转矩电流给定。 励磁电流的参考给定则比较复杂: 首先根据直流母线电压推算出对应的定子最大端电压, 将这个电压和前馈电 压值比较, 将其中较小者作为机端电压最大值。再将这个结果和电压给定进行比 较,再经过磁场控制器得到励磁电流给定。注意,这里虽然用 PI 调节器的符号 表示磁场控制器,但实际上与一般的 PI 调节器是有一定区别的。

在得到励磁电流/转矩电流的给定和反馈之后,通过电流调节器可以得到转 矩电压/励磁电压的参考给定值 Udref/Uqref。 再根据转子磁场位置角θ r,对这两个给定进行两相同步旋转坐标系到三相 静止坐标系的变换,得到发电机机端三相电压的给定。根据这三相给定, PWM 模块给出功率器件的驱动脉冲。 制动功率模块使用原理(典型应用) :

五、Switch 变流系统和主控的联系 1、主电缆 (1)变流系统电源电缆 400VAC,5х 4mm2 (2)变流系统 UPS 电源电缆 230VAC,3х 1.5mm2 (3)电流互感器电缆 400VAC,4х 1.5mm2 (4) 电控系统总电源电缆 690VAC,3х 10mm2

2、控制和通信电缆 (1)Profibus DP 通信电缆; (2)控制线,24VDC,10x1mm2。 2.1 控制和通讯信号 (a)主控到变流的 DP 信号 (b)变流到主控的 DP 信号 (c)硬件控制线的控制信号 2.2 变流和主控连接的 10 芯控制线的控制信号 ① 变流系统准备启动; ② 变流系统故障; ③ 变流系统急停; ④ 变流系统急停复位; ⑤ 变流系统启动使能; 六、 Switch 变流系统的柜体内部冷却 Switch 变流控制柜内有一套风冷却系统, 可以在变流柜内形成风冷却循环以防止 出现局部过热现象, 并且柜体内还装有湿度监测传感器,以保障变流系统在适宜 的湿度下工作。


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