金风1.5MW Freqcon 变流器

金风 1.5MW Freqcon 变流器

卞余兵

江苏龙源风力发电有限公司 江苏省南通市 226000

1. 引言

变流器系统是金风直驱风电机组重要部件，也是永磁直驱机组故障率较高的部分，它的运行工况很大程度上决定机组可利用率，日常维保工作中变流器系统是重中之重，本人从事永磁直驱风电机组运维工作多年，针对变流器系统总结了一些现场维保经验，分享给大家，希望对现场全功率机组变流器运维工作有一些帮助。

关键词：IGBT功率模块、变流板、ACS510变频器

2、1.5MW Freqcon 变流器组成及作用

2.1 Freqcon变流器组成

变流器主柜由五部分组成，即低压柜、主控柜、IGBT1柜、IBGT2柜、制动柜。Freqcon变流器冷却方式为强迫风冷。柜体内设计自动控制加热除湿装置，保证机组在-30℃环境下功能模块安全启动运行。

2.2 Freqcon变流器作用

金风1.5MW Freqcon变流器I型采用风冷形式散热，适用于1.5MW直驱永磁风力发电机组。Freqcon变流器采用IGBT功率控制单元，结合PWM控制技术实现风力发电机与电网之间功率传递和能量转换。机侧采用全控形式IGBT功率模块，利用SPWM技术实现机组输出功率控制，保证机组结合实时风速获取最大风能，实现机组高效率运行。网侧变流器采用三相四线制拓扑结构，利用控制脉冲交错并联技术，结合LCL滤波电路，实现高质量电能输出。

3、Freqcon变流器系统部件介绍

3.1 变流器功率模块

Freqcon变流器网侧和机侧共有13个IGBT功率模块，一组直流母线系统、一套Chopper制动斩波装置。其中IGBT编号1~6#为网侧逆变电路功率模块，位于IBGT1柜内；IGBT7#为Chopper制动斩波电路使用，位于制动柜内；IGBT编号8~13#为机侧整流电路功率模块，位于IGBT2柜内。

3.2 变流控制器

Freqcon变流器核心控制部分位于控制柜体内，主要由变流控制器和PLC模块共同组成。

变流控制器又称变流板（后文中均称变流板），是整个变流器控制核心部件。变流板通过高压I/O板实时检测主回路电压和电流及直流母线电压；变流板37针Dsub电缆连接PLC子站进行数字信号交互（其中只有11针真正使用）；通过DP总线与PLC建立交互，取得控制指令，回传变流器状态值；通过13组15针Dsub电缆连接IGBT驱动板，实现对IGBT功率模块的控制及检测。

3.3 冷却风扇变频控制器

ACS510变频器主要用于驱动变流器四个冷却风扇电机，分别是IGBT1柜冷却风扇电机、IGBT2柜冷却风扇电机、电容柜冷却风扇电机和塔底轴流风扇电机。ACS510变频器本身是一款智能控制器，其三相供电电压380V~400V，具有满足机组低电压穿越自复位功能，在机组高低穿时，通过PLC输出一个24V信号给ACS510的DI2口；每一个电机内部温度安装PTC非线性温感装置，正常情况下阻值为550Ω左右，当阻值大于2.8MΩ时其辅助触点断开ACS510使能信号，立即停止工作。由于变流器实时工况不同，发热量不一样，需要根据具体情况调整进风风量，由PLC从站KL4032模块输出0V~10V电压至ACS510变频器2、3端口，此时ACS510变频器输出对应0HZ~50HZ电机转速指令，保证电机转速符合主控要求频率。实现变流器空冷系统变速调节、智能控制、高效运行。

4、Freqcon变流器工作原理

4.1 变流器功能结构

直驱永磁双三相同步发电机通过全功率背靠背变流器与电网相连，变流器网侧采用中性点接地的三相四线制。

机侧整流器：变流器与发电机定子相连通过控制旋转坐标系下的定子d轴电流和定子q轴电流实现发电机无功功率和电磁转矩控制。

网侧逆变器：通过控制直流母线电压和单相电流相位实现对输出电网有功无功控制。

制动单元：通过制动电阻消耗直流侧母线积累的过多能量，防止直流侧母线电压过高损坏变流器。

预充电回路：用于在系统闭合主空开之前给直流母线进行预充电。防止由于直流侧母线电压过低，在闭合主空开瞬间由于IGBT模块的二极管效应向直流侧母线灌入大冲击电流，损坏直流侧母线系统。

放电回路：用于在停机后对直流母线稳压电容进行放电。

4.2 机侧控制原理

机侧变流器主要是实现对永磁同步发电机（PMSG）的控制。机侧变流器通过控制发电机定子电流从而达到控制发电机电磁转矩 的目的，同时也控制了发电机转速。永磁同步发电机在同步旋转坐标系dq中定子电压和磁链方程为：

(1)

式中， 、 和 、 为发电机定子输出电压、电流的 轴与 轴分量； 为定子电感； 为定子电阻； 为发电机电磁转速； 为发电机极对数； 为磁通。发电机电磁转矩

方程为：

(2)

由此，可以得到q轴电流给定值：

(3)

变流器通过控制发电机定子电流的 轴分量与 轴分量实现解耦控制。通过控制 轴电流实现弱磁控制与扭矩控制。

4.3 网侧控制原理

网侧变流器主要将直流逆变成三相交流，同时稳定变流器直流电压。变流器网侧逆变器采用瞬时电流跟踪控制，通过控制直流侧母线电压及输出电流相位,从而控制输出有功与无功。

通过控制直流侧母线电压获得有功电流幅值，将其与电网该相正弦信号相乘获得纯有功电流的交流信号。将检测的电网无功输入至主控系统，再由主控系统得出无功电流的幅值，与电网相位的余弦相乘获得无功电流的交流。同时将母排正电压减去母排负电压获得直流偏置量。将有功电流交流信号、无功电流交流信号、母排电压直流偏置量求和获得单相并网电流的交流信号参考值。与电流反馈信号做差比较后，通过PI环节得到调制信号参考电流。

4.4 制动回路控制原理

制动回路电路由一个单管IGBT及卸荷电阻组成。制动回路用于释放直流母线过多的能量，防止直流侧母线过电压损坏变流器。

当正负母排电压差超过1220V时，即启动制动回路通过制动电阻消耗直流侧多余能量，当正负母排电压差小于1220V时则退出制动回路，从而达到控制直流侧母线电压的目的。

5、常见故障分析

5.1 变流器预充电接触器故障

此故障在主控发出变流器启动信号后，变流器接收后发出预充电指令(profi_in_converter_ready)，预充电接触器反馈信号（profi_in_converter_precharge_contactor_feedback）丢失超过40ms后报出。

故障原因及解决方法：

1. 变流子站至变流板信号传输故障（解决方法：检查变流板前面板预充电继电器吸合反馈FB Pre灯是否亮，检查变流子站到变流板反馈信号回路）

2. 预充电接触器未接收到变流板给出的吸合信号（解决方法：检查变流器至预充电接触器控制信号回路）

3. 接触器故障（解决方法：检查预充电接触器本体）

4. 变流板未接收到预充电接触器反馈信号（解决方法：检查预充电接触器到变流板反馈信号回路）

5.2 变流器未调制故障

主控发出变流器使能信号(profi_out_converter_enable)，变流器调制反馈信号（profi_in_converter_pulsing）丢失超过120ms，报此故障。

故障原因及解决方法：

1. 变流板未收到使能信号（解决方法：检查变流子站到变流板控制信号回路）

2. 变流板故障（解决方法：检查变流板）

3. 主控未收到变流器调制反馈信号（解决方法：检查变流板到变流子站反馈信号回路）

5.3 变流器IGBT故障

主控发出变流启动信号(profi_out_converter_on)，变流器IGBT OK信号（profi_in_converter_IGBT_ok）丢失持续100ms，报此故障。

故障原因及解决方法：

1. 主控未收到变流板IGBT OK信号（解决方法：检查变流板IGBT OK指示灯是否熄灭，检查变流板到变流子站信号线回路）

2. 变流板故障（解决方法：检查变流板）

3. 变流器斩波升压IGBT故障（解决方法：检查变流板前面板Error IGBT1，2，3指示灯是否亮红灯，检查变流板到变流子站信号回路；检查15芯IGBT驱动电缆；检查模块的DSUB头、适配器、扁平电缆、过压保护板、SKiiP IPM模块等）

4. 变流器斩波制动IGBT故障（解决方法：同上一条）

5. 变流器网侧逆变IGBT故障（解决方法：检查变流板前面板Error IGBT 5、6、7、8、9、10指示灯是否亮红灯，检查变流板到变流子站信号回路）

参考文献：

1. 《金风1500KW机组故障解释说明》

2. 《金风1.5MW变流Ⅰ型电气原理图》

3. 《金风1500KW机组电控部分解释说明》

4. 胡家兵 迟永宁 汤海雁译《双馈感应电机在风力发电中的建模与控制》北京机械出版社