ABB 變頻器在風力發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用

目前流行的變速變槳風力發(fā)電機組的動力驅(qū)動系統(tǒng)主要有兩種方案：一種是升速齒輪箱、繞
線式異步電動機和雙饋電力電子變換器的組合；另一種是無齒輪箱的直接驅(qū)動低速永磁發(fā)電
機和全功率變頻器的組合。

能源和環(huán)境是人類所要解決的兩大問題，以清潔、可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)將成為未來發(fā)
展的必然，目前已經(jīng)受到了各國政府的極大重視，一些相應(yīng)的技術(shù)也在蓬勃發(fā)展之中。風力
發(fā)電技術(shù)是目前可再生能源利用中技術(shù)*成熟的且*具商業(yè)化發(fā)展前景的利用方式，風力發(fā)
電將成為 21 世紀*具規(guī)模開發(fā)前景的新能源之一。

目前流行的變速變槳風力發(fā)電機組的動力驅(qū)動系統(tǒng)主要有兩種方案：一種是升速齒輪箱、繞
線式異步電動機和雙饋電力電子變換器的組合；另一種是無齒輪箱的直接驅(qū)動低速永磁發(fā)電
機和全功率變頻器的組合。

除了上述兩個方案外，還引入了兩種折中方案，一個是低速集成齒輪箱的永磁同步電機加全
功率變頻器；一個是帶高速齒輪箱的永磁同步電機加全功率變頻器。根據(jù)美國國家可再生能
源實驗室報告的量化比較數(shù)據(jù)分析，這兩種折中方案也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

根據(jù)感應(yīng)電機定轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對靜止的原理，可以得出變速恒頻風力發(fā)電
機轉(zhuǎn)速與定轉(zhuǎn)子繞組電流頻率關(guān)系的數(shù)學表達式

式中，f1 為定子電流頻率，由于定子與電網(wǎng)相連，所以 f1 與電網(wǎng)頻率相同；p 為電機的極
對數(shù)；n 為風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f2 為轉(zhuǎn)子電流頻率。

當風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，通過轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速裝置調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率 f2，保證 f1
恒定不變，實現(xiàn)風力發(fā)電機的變速恒頻控制。

當風力發(fā)電機處于亞同步速運行時，即 n < n1(同步轉(zhuǎn)速)，f2 取正號，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器從電網(wǎng)
吸取功率 Pr（轉(zhuǎn)子功率），為發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供頻率為 f2 的正向勵磁電流，保證定子繞組產(chǎn)
生與電網(wǎng)同頻同幅的電壓矢量，從而將風力機捕獲的機械能 Pmec 轉(zhuǎn)化為電能，此時定子輸
出的功率為 Ps=Pmec – Pr。

當風力發(fā)電機處于超同步速運行時，即 n> n1(同步轉(zhuǎn)速)，f2 取負號，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器將吸收
的機械能反饋回電網(wǎng) Pr，為發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供頻率為 f2 的負向勵磁電流，保證定子繞組產(chǎn)生
與電網(wǎng)同頻同幅的電壓矢量，同時將風力機捕獲的機械能 Pmec 轉(zhuǎn)化為電能，此時定子輸出
的電能為 Ps=Pmec ＋ Pr。

ABB 風力發(fā)電變頻器

ABB 傳動公司目前主要有兩類產(chǎn)品應(yīng)用于風力發(fā)電系統(tǒng)，一類是應(yīng)用于雙饋發(fā)電機系統(tǒng)的
變頻產(chǎn)品 ACS800-67，一類是應(yīng)用于永磁同步電機且無齒輪箱（直驅(qū)系統(tǒng)）的變頻產(chǎn)品
ACS800-77，這里主要介紹變頻產(chǎn)品 ACS800-67。

1.控制原理

ACS800-67 風力發(fā)電變頻器主要和帶有轉(zhuǎn)子繞組和滑環(huán)的感應(yīng)式發(fā)電機一起使用，連接于雙
饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)之間。

變頻器工作原理與上節(jié)所述一致，當風速變化時，ACS800-67 通過內(nèi)部控制快速增加或降低
轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，保證發(fā)電機獲得*優(yōu)滑差，達到獲得*大發(fā)電量的目的。該傳動單元
也可以完成在將定子輸出接入電網(wǎng)之前使定子輸出電壓和電網(wǎng)電壓同步的目的。在脫離電網(wǎng)
時，傳動單元通過將轉(zhuǎn)矩給定調(diào)整為零，使定子電流減少至零，以便將發(fā)電機從電網(wǎng)脫離。
 

ABB變頻器在風力發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用

網(wǎng)側(cè)變流器是一個基于 IGBT 模塊的變流器，將輸入的三相交流電整流為所需的直流電，為
轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器供電。網(wǎng)側(cè)變流器控制對象為直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)無功功率，通過檢測網(wǎng)側(cè)兩
相電流和直流母線電壓，采用直接轉(zhuǎn)矩的控制方法，實現(xiàn)直流母線電壓泵升且恒定以及網(wǎng)側(cè)
功率因數(shù)可控的目的。同時也可以實現(xiàn)功率的雙向流動以及降低網(wǎng)側(cè)電流諧波含量的目的。

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器包含一個或兩個基于 IGBT 的逆變器模塊，將直流電逆變?yōu)楫a(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場所需
頻率和幅值的三相交流電，向轉(zhuǎn)子繞組供電。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制對象為轉(zhuǎn)矩和無功功率，通
過對轉(zhuǎn)矩的控制實現(xiàn)對發(fā)電機發(fā)電有功功率的控制，通過對無功功率的控制完成對發(fā)電機轉(zhuǎn)
子磁場的建立，實現(xiàn)對發(fā)電機無功功率的控制。

2.技術(shù)特點 ABB變頻器在風力發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用

ACS800-67 還具有以下技術(shù)特點。

（1）長壽命設(shè)計。變頻器內(nèi)部器件選型和系統(tǒng)配置均按照 20 年使用年限設(shè)計，特別是直流
母線電容采用膠片電容替代原有的電解電容，壽命更長、耐低溫特性良好。冷卻風扇具有調(diào)
速功能，可延長其使用壽命。

（2）適用于惡劣的使用環(huán)境。變頻柜內(nèi)和模塊內(nèi)部均內(nèi)置加熱器，且配置有溫度和濕度傳
感器，對抗低溫和高濕環(huán)境。所有線路板均帶有防腐涂層，柜體防護等級為 IP54，保證了
變頻器惡劣環(huán)境下的可靠工作。

（3）**配置、緊湊型設(shè)計。變頻器將輸入 LCL 濾波器、輸出濾波器 DU/DT 以及進線接
觸器和直流熔斷器作為標準配置，通訊適配器和以太網(wǎng)適配器作為選裝配置。緊湊型的設(shè)計
理念使得其在同等功率的變頻器中體積*小，適用于放在發(fā)電機艙內(nèi)。

（4）低電壓穿越能力。在電網(wǎng)發(fā)生嚴重故障期間，比如短路或瞬間掉電，可通過使用有源
或無源 Crowbar 硬件，提供對電網(wǎng)的支持，保證電機依然在網(wǎng)。

（5）優(yōu)良的可控性。由于整流單元采用 IGBT 可控整流，直流母線電壓得到泵升，因此電
機轉(zhuǎn)子的電壓可控制高達 750V，風機的速度范圍更寬，轉(zhuǎn)子的電流更低。發(fā)電機的功率因
數(shù)可達到±0.9，甚至更高，這完全取決于電機設(shè)計，變頻器對此不成為瓶頸。在轉(zhuǎn)子電壓接
近于 0V 時，變頻器也完全可控，且可以在速度范圍內(nèi)的任何一點切入切出。即使在風機靜
止時，也可以通過整流單元發(fā)出無功功率對電網(wǎng)提供支持。

（6）完善的保護功能。具有多重保護功能，例如過流、接地、風機超速和失速等保護功能，
提供對電機轉(zhuǎn)子和變頻器的完整保護。

應(yīng)用案例   ABB變頻器在風力發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用

上海南洋電機廠采用 ACS800-67 變頻器構(gòu)建雙饋風力發(fā)電機的實驗平臺，風力機采用直流
電動機模擬，即雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子靠直流電動機拖動。系統(tǒng)各部分的技術(shù)數(shù)據(jù)如下所示：

發(fā)電機：定子額定電壓 690V；定子額定電流 1500A；額定頻率 50HZ；額定功率 1345KW；
額定轉(zhuǎn)速 1513rpm；同步轉(zhuǎn)速 1500rpm；功率因數(shù) 0.9；轉(zhuǎn)子開路電壓 1990V；轉(zhuǎn)子電流 550A；

變頻器：ACS800-67-0480／0770-7；調(diào)速范圍±30％。

1.同步運行   ABB變頻器在風力發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用

雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)投入電網(wǎng)前首先要進行同步運行，即使發(fā)電機的定子電壓在幅值、頻率和
相位上與電網(wǎng)電壓達到一致。典型的同步運行步驟如下：

（1）將發(fā)電機轉(zhuǎn)子拖動到設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，即同步轉(zhuǎn)速的 70％-130％，啟動變頻器；

（2）開關(guān) S1 閉合，網(wǎng)側(cè)變流器啟動為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器建立直流電壓。開關(guān) S2 仍然斷開；

（3）轉(zhuǎn)子側(cè)變流器測量電網(wǎng)電壓 Ugrid 和定子電壓 Us；

（4）轉(zhuǎn)子側(cè)此時工作于同步模式，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器通過磁化轉(zhuǎn)子繞組，感應(yīng)出與電網(wǎng)電壓同
步的定子電壓；

（5）當定子電壓與電網(wǎng)電壓同步后，開關(guān) S2 閉合，同步運行過程完成。此后變頻器切換
到轉(zhuǎn)矩控制模式，接受給定的轉(zhuǎn)矩和無功功率指令，準備開始發(fā)電。