——by郭锐
FREQCON变流器总体结构图
各部分简介 变压器支架
620/400V自耦变压器——提供机组动力用电和控制用电。总容量40KVA，副边22.4KVA 提供主控柜，变流柜用电。17.5KVA提供机舱用电。 IGBT2冷却风扇——风冷系统循环动力
制动电阻
制动电阻箱——消耗直流母线上过高的能量。网侧故障后的能量消耗，低电压穿越。
电抗器支架
网侧空开——风机的并网与脱网控制。过流、短路等保护功能。注意保护后复位按钮弹出需回复。
电流互感器——完成电流变送。变比：1/2000。原理：二次侧短路的特殊变压器，二次侧相当于一个电压源。 3组（六个）交流电抗器——与网侧电容、变压器构成LCL滤波。 3个直流电抗器——直流斩波升压电抗器。
变流柜
变流柜由低压配电柜、主控柜、IGBT柜1、IGBT柜2、电容柜5部分组成。
变流柜背后风道
变流柜模块图
每只IGBT模块包含一个智能半桥模块（半桥由串联的两个IGBT和与之反并联的二极管组成，分别称为上桥臂和下桥臂）、16只支撑电容、4只吸收电容、4只均压电阻、1块过压保护板、直流端2只快熔组成。
构成三相全桥不可控整流。
变流器在整个风机的作用
叶轮系统在风作用下受到气动扭矩Ta，叶轮——发电机系统转动会因轴承滚动摩擦、风阻等受到与选中方向相反的摩擦力矩Tf，叶轮带动发电机转动，转子上的永磁体旋转切割定子绕组产生感应电势，如果如果定子绕组中有电流流过将产生电枢反应，通过磁场的作用产生阻碍转子转动的电磁力矩Te。在这几个扭矩作用下，叶轮——发电机系统刚体动力学方程如如上所示。由方程可知当Ta>Tf+Te时，叶轮——发电机系统将在启动力矩作用下转速上升。反之转速将下降。Tf基本为恒量。因此想要调节叶轮转速可以通过调节Ta、Te。由此产生了两种调节方法：一个是变桨调节起动扭矩；另一个是调节发电机电磁扭矩。因此从控制角度来看，变流器需要具有调节发电机电磁扭矩的作用。从能量角度来看风能转化成叶轮系统旋转机械能再通过发电机转换成电能，变流系统需要将发电机发出电能转换成与电网频率、相位、幅值相对应的交流电。完整能量转换作用。
Freqcon变流器主电路
Freqcon变流器原理图
Freqcon变流器主要元器件与电路拓扑对照图
整流+BOOST斩波升压原理
整流+BOOST斩波升压控制原理
逆变侧原理
网侧对冲
制动回路控制图
变流器信号走线图
Freqcon变流器采用二极管整流+BOOST DC/DC变换+逆变的AC-DC-AC电力变换形式。整个电路可分为两个部分：整流和逆变。通过二极管整流将发电机发出的不稳定的交流电（1.5MW电机转速0～17.3rpm，电机电压0～690Vac,电压频率0～12.7Hz）变换成直流电；再通过逆变单元，把直流电逆变成与电网电压、频率、相位相匹配的交流电送入电网逆。下面分别简单介绍主电路各部分的功能： 1. 电机侧功率补偿电容
由于Freqcon变流器采用被动整流模块，对于发电机而言变流器系统可以近似为一个RCD非线性负载。电机侧补偿电容的功能是为了提高对非线性负载虚功的补偿，从而使发电机端功率因数近似为1（即发电机电压与电流同相位），从而提高系统利用率。 2. 二极管整流
Freqcon采用两套三相全桥不可控整流方式，将发电机发出的电压和频率不稳定的交流电变换成直流电，与全桥并联的电容起到平波的作用。由于采用的是二极管整流，能量无法双向流动，因此Freqcon变流器不能实现电机的反向拖动。二极管整流后电压与发电机转速及功率有关。 3. 斩波升压
风电系统中，变流器发电机侧电路的主要功能是从发电机最大可能的拉取功率，注入直流母线。这里涉及的控制问题主要有两个：控制升压电流为给定直流量，以保证发电机运行的稳定性；设定Boost电流参考，保证风力发电机工作在最大功率点附近（或按照设定功率曲线运行）。
在我们的系统中，设定Boost电流参考，保证系统工作按照设定功率曲线运行的功能由主控GH策略完成。主控根据GH策略计算得到的发电机所需扭矩×发电机转速/二极管整流后电压，即得到Boost电流设定，并通过通讯电缆将设定指令传递给变流器。
控制升压电流为给定直流量，保证发电机运行的稳定性则由这里的斩波升压电路实现。Freqcon变流器采用了boost直流升压斩波电路，斩波升压输出侧直接与网侧逆变直流侧相连，并联三重斩波(载波相位相差120°)方式减小了发电机侧和逆变侧的电流波动。
斩波升压三支IGBT模块1（IGBT1～IGBT3），只有下桥臂和上桥臂反并联的二极管起作用。
并联的支撑电容（实际中分散在各个模块内部）中点与“地”相连，将直流母线电压分成+/-600Vdc，构成了三相四线制逆变器拓扑电路的中性点。 4. 制动单元
当变流器检测到直流母线电压过高（超过+/-610Vdc），制动单元工作，通过制动电阻（与IGBT4模块上桥臂并联，上桥臂不作用）、IGBT4模块下桥臂，释放直流母线上过多的能量，维持母线电压。 5. 放电回路
放电回路是在变流器停机后将母线上残留的能量通过放电电阻消耗掉，保护机械设备和人身安全。其本质是给母线上的电容放电，放电回路在变流器运行期间不起作用。 6. 网侧逆变
变流器网侧电路的主要功能是稳定直流母线电压在设定工作点，同时向电网输送电能。逆变单元是三相全桥有源逆变，将直流电转变成频率为50Hz电压为620V，相位与电网同相位的稳定的交流电，再经过变压器与电网相连。
网侧六支IGBT模块构成三相，每相两支通过网侧电抗器相连。同相两支IGBT模块
1
每只IGBT模块包含一个智能半桥模块（半桥由串联的两个IGBT和与之反并联的二极管组成，分别称为上桥臂和下桥臂）、16只支撑电容、4只吸收电容、4只均压电阻、1块过压保护板、直流端2只快熔组成。
载波信号有180°的相差，用以减少汇入电网的谐波电流。 7. 预充电回路
在闭合网侧空开之前，需要给直流母排进行预充电，因为直流母排上带有大容量电容器，若不预充电，则在闭合网侧空开时会对变流系统及电网造成很大的电流冲击。
预充电时，预充电继电器动作预充电回路闭合。网侧620Vac通过限流电阻、网侧电抗、网侧逆变单元来给直流母线充电。在此过程中，与网侧IGBT反并联的二极管起到整流二极管的作用。在母线电压达到+/-420Vac,网侧主空开闭合预充电完成。
变流控制板
变流控制板是变流器控制核心，Freqcon变流控制器使用模拟电路搭建而成，主要功能是实现变流器各功能的控制与监测。
1. 控制方面：
1) 启动、停机控制
2) Boost斩波升压回路控制 3) 母线过压制动回路控制 4) 电网电压锁相控制
5) 双重三相网侧有源逆变控制 6) 无功调节控制 2. 监控方面：
1) 网侧电压测量 2) 网侧电流测量 3) 网侧频率测量 4) 有功测量 5) 无功测量 6) 故障逻辑 7) 显示
变流控制板前、后面板介绍
变流前面板指示灯说明
前面板拨码开关说明
后面板24V供电harting头接口定义
针脚号 1 2 3 4 信号描述 24V+ 24VGND NC NC 备注 最大电流6A 后面板37针模拟I/O接口定义
针脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
信号描述 模拟GND 变流器网侧电压UL2 1Vdc=50Vrms 变流器网侧电流I1 1Vdc=270Arms 变流器网侧电流I3 1Vdc=270Arms 变流无功功率 1Vdc=175KVA 变流器整流电压U 1Vdc=70Vdc[-650V,650V] 变流器母线U_DC- 1Vdc=70Vdc NC 变流器单支DC斩波升压电流反馈 1V=225Adc NC 变流器斩波升压IGBT1温度 [0,10]V=[20,120]℃ 变流器斩波升压IGBT3温度 [0,10]V=[20,120]℃ 变流器网侧L1a IGBT温度 [0,10]V=[20,120]℃ 变流器网侧L2a IGBT温度 [0,10]V=[20,120]℃ 变流器网侧L2b IGBT温度 [0,10]V=[20,120]℃ 变流器网侧L3b IGBT温度 [0,10]V=[20,120]℃ 变流器无功设置值 1V=59Aac 变流器测试直流电流设定值 1V=75A NC 变流器网侧电压UL1 1Vdc=50Vrms 变流器网侧电压UL3 1Vdc=50Vrms 变流器网侧电流I2 1Vdc=270Arms 变流有功功率 1Vdc=175Kw 模拟GND 变流器母线U_DC+ 1Vdc=70Vdc 变流器网侧频率 1Vdc=10Hz 制动电流 1Vdc=166.6Aac NC NC 变流器斩波升压IGBT2温度 [0,10]V=[20,120]℃ 制动IGBT温度 [0,10]V=[20,120]° 变流器网侧L1b IGBT温度 [0,10]V=[20,120]℃ 模拟GND 变流器网侧L3a IGBT温度 [0,10]V=[20,120]℃ 变流器运行直流电流设定值 1V=180Adc 变流器测试交流电流设定值 1V=176Aac NC 连接到„„ 变流子站模块30AI5.2 变流子站模块30AI5.5 变流子站模块30AI5.7 变流子站模块30AI6.5 变流子站模块30AI7.5 变流子站模块30AI6.3 变流子站模块30AI7.7 变流子站模块30AI8.1 变流子站模块30AI8.3 变流子站模块31AI2.1 变流子站模块31AI2.3 变流子站模块31AI3.1 变流子站模块31AI3.5 变流子站模块31AI3.7 变流子站模块31AO4.5 变流子站模块31AO5.5 变流子站模块30AI5.1 变流子站模块30AI5.3 变流子站模块30AI6.1 变流子站模块30AI7.1 变流子站模块30AI6.4 变流子站模块30AI7.3 变流子站模块30AI6.7 变流子站模块30AI8.5 变流子站模块30AI8.7 变流子站模块31AI2.5 变流子站模块31AI2.7 变流子站模块31AI3.6 变流子站模块31AI3.3 变流子站模块31AO4.1 变流子站模块31AO5.1 I/O（相对变流板） O O O O O O O O O O O O O O I I O O O O O O O O O O O O O I I 后面板37针数字I/O接口定义 针脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
连接到„„ 24V+ 端子排25X8.1 NC 变流器测试电流AC 低电平=非测试 变流子站模块30DO3.8 变流器运行 低电平=变流器停止 变流子站模块30DO3.1 制动电阻测试 低电平=非测试 变流子站模块30DO3.4 NC NC NC 电机侧空开吸合 低电平=空开不吸合 端子排25X8.4 NC NC 制动单元IGBT故障 低电平=无故障 变流子站模块29DI8.5 变流器直流母线电压过高 变流子站模块29DI7.9 变流器网侧过压 变流子站模块29DI7.5 变流器网侧逆变IGBT过流 变流子站模块29DI7.1 变流器斩波升压IGBT过流 变流子站模块29DI6.4 变流器准备状态 低电平=未准备好 变流子站模块29DI6.1 备用 变流子站模块29DI5.4 变流器预充电接触器反馈 低电平=未吸合 变流子站模块29DI5.1 24VGND 端子排25X8.2 NC 变流器测试电流DC 低电平=非测试 变流子站模块30DO4.4 变流器使能 低电平=变流器不使能 变流子站模块30DO3.5 机组安全链 24V+国产配置接24V+屏蔽 端子排25X8.3 NC NC NC NC NC 变流器网侧IGBT故障 低电平=无故障 变流子站模块29DI8.4 斩波升压IGBT故障 低电平=无故障 变流子站模块29DI8.1 变流器直流母线电压过低 变流子站模块29DI7.4 NC 变流器斩波制动IGBT过流 变流子站模块29DI6.8 变流器触发脉冲状态 低电平=无脉冲 变流子站模块29DI6.5 变流器IGBT_OK 低电平=IGBT故障 变流子站模块29DI5.8 变流器主空开反馈 低电平=空开未吸合 变流子站模块29DI5.5 信号描述 I/O（相对变流板） I I I I O O O O O O O O O O I I I O O O O O O O 后面板25针高压I/O接口定义 针脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
信号描述 模拟GND 模拟GND 模拟GND 模拟GND NC NC 相电流L3 1V=1000Aac 相电流L2 1V=1000Aac NC NC 预充电接触器吸合 网侧空开吸合反馈 24VGND 相电流L1 1V=1000Aac 相电压L3 1V=70Vac 相电压L2 1V=70Vac 相电压L1 1V=70Vac 直流母线正电压 1V=70Vac 直流母线负电压 1V=70Vac 整流电压 1V=70Vac NC NC 网侧空开吸合 预充电接触器吸合反馈 24V+ I/O（相对变流板） I I O I I I I I I I I O I 备注 高压I/O板，D8 LED点亮送出吸合信号 高压I/O板，D6 LED点亮收到反馈信号 高压I/O板，D9 LED点亮送出吸合信号 高压I/O板，D7 LED点亮收到反馈信号 后面板10×15针IGBT模块接口定义
针脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 I/O(相对变流板) NC ANAGND(数字量GND) I GND O NC 24V+ O NC ERROR(IGBT故障信号) I NC IIST(电流信号) I TEMPANA（温度信号） I GND O NC 24V+ O TOP(上桥臂IGBT驱动信号) O BOT(下桥臂IGBT驱动信号) O 信号描述 备注 变流器启动运行流程图
主控变流器启动profi_out_converter_on变流器复位变流器故障信号预充电接触器吸合（放电接触器断开）延时25s正负母线电压绝对值>420V?Y网侧空开吸合变流器启动信号?预充电接触器吸合反馈?网侧空开吸合反馈?机组安全OK?无直流母线高电压故障?无直流母线低电压故障?无网侧相电压过压故障?无斩波升压IGBT过流故障?无斩波制动IGBT过流故障?无网侧逆变IGBT过流故障?IGBT OK信号?Yprofi_in_converter_readyN故障停机等待机组发电条件满足变流器准备完成电机侧空开吸合ANDprofi_out_contactor_filter_capacitor_on网侧滤波电容接触器吸合延时500msprofi_out_converter_enable变流器调制运行
注意：变流器启动运行过程中注意观察变流板前面板上相应信号指示灯是否正常。藉此可判断变流器状
态。
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