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    1 引言

　　能源和環境是人類面前所要解決的兩大問題，以清潔、可再生能源為主的能源結構將成為未來發展的必然。風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風能約為2.74×109mw，其中可利用的風能為2×107mw，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。隨著全球經濟的發展，風能市場也迅速發展起來。近5年來，世界風能市場每年都以40%的速度增長。1997年全世界風電裝機容量只有7000兆瓦，2007年已有9萬兆瓦。預計未來20～25年內，世界風能市場每年將遞增25%。隨著技術進步和環保事業的發展，風能發電在商業上將完全可以與燃煤發電競爭。

    中國風能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風能儲量就有約2.53億千瓦。“十五”期間，中國的并網風電得到迅速發展。截至2006年6月全國風電裝機總容量達到126萬千瓦，位居世界第10位，亞洲第3位，成為繼歐洲、美國和印度之后發展風力發電的主要市場之一。
  
    2 動力驅動系統方案

    （1） 目前流行的變速變槳風力發電機組的動力驅動系統主要兩種方案：

    一種是升速齒輪箱+繞線式異步電動機+ 雙饋電力電子變換器；

    一種是無齒輪箱的直接驅動低速永磁發電機+全功率變頻器。

    （2） 還引入了兩個具有很大的發展潛力折中方案

    一個是低速集成齒輪箱的永磁同步電機+全功率變頻器；

    一個是高速齒輪箱的永磁同步電機+全功率變頻器。

    2.1高速異步發電機雙饋系統（dfig）

    高速異步發電機雙饋系統主要由升速齒輪箱+繞線異步發電機+雙饋變頻器構成，abb發電機典型功率范圍為600～5000kw，如圖1所示。


    dfig的特點是發電機轉速可以在同步轉速上、下兩個方向變化。假設1.5mw風電機組的葉輪轉速變化范圍約為10～20r/min，通常令15r/min對應電機同步轉速，這樣轉速變化范圍為電機額定轉速的±1/3，相應變頻器的功率只有電機功率的1/3。若想簡化機構采用直接驅動，電機額定轉速也應該為15 r/min，由于異步電機定子接在50hz電網，則要求電機極對數為200，很難實現，因此該方案必須使用升速齒輪箱，配高速異步電機（通常采用6極電機）。升速齒輪箱速比大，負荷重，隨風速變化波動大且頻繁，造價高、易疲勞損壞是該方案的主要缺點，另外繞線式異步電機的電刷和滑環也會影響系統的可靠性，增加維護工作量。

    2.2 低速永磁同步發電機直驅系統（pmdd）

    低速永磁同步發電機直驅系統主要由低速永磁同步發電機+全功率變頻器構成，如圖2所示。abb發電機典型功率范圍為600～5000kw。


    pmdd的特點是沒有升速齒輪箱，葉輪直接驅動低速發電機轉子，消除了dfig的薄弱環節，大大提高可靠性，降低維護工作量。由于發電機定子繞組不直接與電網相連，而是通過變頻器連接，因此電機額定轉速可以降低，使電機極數減少至合理值。缺點是低速電機體積大，定子繞組絕緣等級要求高，變頻器要輸送發電機全功率，因此電機和變頻器的價格都比dfig高。

    2.3 集成低速齒輪箱的永磁機風力發電系統

    該風力發電系統將低速齒輪箱集成在永磁發電機內，使系統的結構更加緊湊，通常極數大于20，電機額定轉速一般為120～450 r/min，具有更可靠和更長的使用壽命。abb發電機典型功率范圍為1～5mw，結構如圖3所示。


    2.4 高速齒輪箱的永磁機風力發電系統

    該系統機械結構與雙饋型基本相同，沒有了繞線式電機滑環所帶來的弊病，且發電機重量輕，發電效率高，通常電機的極數為6或8極，發電機的轉速一般為1000～2000r/min，abb變頻器典型功率范圍為1～5mw，結構如圖4所示。


    3 abb風力發電變頻器

    abb傳動公司目前主要有兩類產品應用于風力發電系統，一類是應用于雙饋發電機系統的變頻產品acs800－67，一類是應用于永磁同步電機且無齒輪箱（直驅系統）的變頻產品acs800－77，這里主要介紹變頻產品acs800－67。

    3.1 控制原理

    acs800－67風力發電變頻器主要和帶有轉子繞組和滑環的感應式發電機一起使用，連接于雙饋發電機轉子和電網之間，電路圖及控制原理^[1]所示。圖中的crowbar可用來在電網出現異常情況時（例如電網失壓或電網短路）防止直流母線過電壓。 這里有兩種crowbar 可供選擇。

    （1） 無源crowbar

    無源crowbar測量直流母線電壓，如果直流電壓超過1210v，就會觸發crowbar，傳動單元立即可從電網切除。

    （2） 有源crowbar

    對于要求傳動單元在電網電壓瞬變時仍然在網的場合，必須使用有源crowbar，通過產生容性無功功率來支撐電網。crowbar可以根據電網電壓對轉子側變流器的影響開通或關斷，保證了傳動單元即使在電網電壓快速變化時都能正常工作。

    3.2 技術特點

    acs800－67還具有以下技術特點:

    （1） 長壽命設計

    變頻器內部器件選型和系統配置均按照20年使用年限設計，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。冷卻風扇具有調速功能，可延長其使用壽命；

    （2） 適用于惡劣的使用環境

    變頻柜內和模塊內部均內置加熱器，且配置有溫度和濕度傳感器，對抗低溫和高濕環境。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境下的可靠工作；

    （3） 高端配置、緊湊型設計

    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適配器作為選裝配置。緊湊型的設計理念使得其在同等功率的變頻器中體積最小，適用于放在發電機艙內；

    （4） 低電壓穿越能力

    在電網發生嚴重故障期間，比如短路或瞬間掉電，可通過使用有源或無源crowbar硬件，提供對電網的支持，保證電機依然在網；

    （5） 優良的可控性

    由于整流單元采用igbt可控整流，直流母線電壓得到泵升，因此電機轉子的電壓可控制高達750v，風機的速度范圍更寬，轉子的電流更低；發電機的功率因數可達到± 0.9，甚至更高，這完全取決于電機設計，變頻器對此不成為瓶頸；

    在轉子電壓接近于0v時，變頻器也完全可控，可以在速度范圍內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出無功功率對電網提供支持；

    （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，提供對電機轉子和變頻器的完整保護。

    4 應用案例

    四川樂山東風電機廠采用acs800－67變頻器構建雙饋風力發電機的實驗平臺，風力機采用直流電動機模擬，即雙饋發電機轉子靠直流電動機拖動。系統連接示意圖如圖5所示。

    技術數據如下所示：


    （1） 發電機數據： 

    定子：額定電壓690v；額定電流1095a；額定頻率50hz；發電功率0～1310kw；同步轉速1500r/min；功率因數0.87；

    轉子：開路電壓1955v；電流372a；額定轉速1513 r/min；發電功率－50～250kw；

   （2） 變頻器型號：acs800－67－0480／0770－7；額定輸入電流400a，額定輸出電流645a，調速范圍±30％。

    4.1 同步運行

    雙饋風力發電系統投入電網前首先要進行同步運行，使發電機的定子電壓在幅值、頻率和相位上與電網電壓達到一致。同步運行步驟及波形如參考文獻[1]所示。

    4.2 發電運行

    圖6為發電機工作于欠同步狀態（轉子轉速為1300r/min），給定轉矩為額定轉的70%，功率因數為1時，發電機定子u相磁通和電流以及轉子u相電流的波形圖。


    圖6中：波形1為轉子u相電流（rotor iu[%]；

    波形2為定子u相磁通（stator u flux[%]）；

    波形3為定子電流在x-y靜止坐標系下的y軸分量（stator iy[%]）。

    由電機內部電磁理論可知，定子u相磁通滯后u相電壓90°電角度。

    由電機三相繞組到兩相繞組的坐標變換（3/2）可知（變換過程中始終保持旋轉矢量幅值不變），定子電流在x軸上的電流分量超前y軸電流分量90°電角度，而x軸電流分量與定子u相電流同相，即定子u相電流超前y軸電流分量90°電角度。
由圖6可知，曲線2超前曲線3是180°電角度，即定子u向磁通與定子y軸電流分量反相。由電機內部電磁理論與3/2坐標變換的關系可以發現，定子u相電壓超前定子u相電流180°電角度，即定子u相電壓和電流完全反相，電機工作于發電狀態，且功率因數為1。

    圖7為發電機工作于欠同步狀態時（轉子轉速為1300r/min），給定轉矩為額定轉的70%，功率因數為1時，發電機定子側和轉子側發電功率波形圖。


    圖7中：波形1為轉子側發電功率（kw）；波形2為定子側發電功率（kw）。

    由圖7可知，由于轉子轉速低于定子磁場旋轉的同步轉速（1500r/min），對于轉子側而言，從電網吸收電功率為發電機提供勵磁磁場，此時轉子側所消耗的功率為119.607kw。對定子側而言，處于發電工作狀態，將轉子的動能轉化為電能輸出給電網，此時的發電功率為-914.044kw，因此，此時總的發電量為-914.044+119.607=794.437kw。

    圖8為發電機工作于超同步狀態（轉子轉速為1800r/min），給定轉矩為額定轉的100%，功率因數為1時，發電機定子u相磁通和電流以及轉子u相電流的波形圖。


    圖8中：波形1為轉子u相電流（rotor iu[%]；

    波形2為定子u相磁通（stator u flux[%]）；

    波形3為定子電流在x-y靜止坐標系下的y軸分量（stator iy[%]）。

    由圖8可知，曲線2超前曲線3是180o電角度，即定子u向磁通與定子y軸電流分量反相。由電機內部電磁理論與3/2坐標變換的關系可以發現，定子u相電壓超前定子u相電流180°電角度，即定子u相電壓和電流完全反相，電機工作于發電狀態，且功率因數為1。

    圖9為發電機工作于超同步狀態（轉子轉速為1800r/m），給定轉矩為額定轉的100%，功率因數為1時，發電機定子側和轉子側發電功率波形圖。


    圖9中：波形1為轉子側發電功率（kw）；波形2為定子側發電功率（kw）。

    由圖9可知，由于轉子轉速高于定子磁場旋轉的同步轉速（1500r/min），對于轉子側而言，向電網發送電功率，此時轉子側所提供的功率為-261.454kw。對定子側而言，處于發電工作狀態，將轉子的動能轉化為電能輸出給電網，此時的發電功率為-1298.24kw，因此，此時總的發電量為-1298.24-261.454=-1559.694kw，達到發電機的額定發電功率。

    圖10為發電機工作于超同步狀態（轉子轉速為1800r/min），給定轉矩為額定轉的100%，功率因數為0.91時（無功功率給定[即參數組24.01local react p ref]為52%），發電機定子u相磁通和電流以及轉子u相電流的波形圖。圖10中：波形1為轉子u相電流（rotor iu[%]；波形2為定子u相磁通（stator u flux[%]）；


    波形3為定子電流在x-y靜止坐標系下的y軸分量（stator iy[%]）。

    由圖10可知，定子u相電壓與電流不再是完全的反相關系，而是超前電流155°電角度，功率因數為0.91。因此，通過無功功率的調節，可以實現網側功率因數的調節。

    5 結束語

    綜上所述，風力發電作為21世紀全球最有發展潛力的新能源之一，必將受到越來越多的重視。由abb研制和生產的風力發電變頻產品acs800－67已經成功應用于世界各地，在國內得到了廣大客戶的普遍認可，并運行于國內的各個風場，這對于我國充分利用風能，發展清潔能源，起到了積極的促進作用。

    作者簡介 

    李時杰 男 博士，電力電子與電力傳動專業，從事變頻器的研究、普及及推廣工作。

    參考文獻

    [1] 李時杰. abb變頻器在風力發電行業的應用. 變頻器世界, 2008（3）