0 引言

能源和環(huán)境是人類所面臨的兩大問題，以清潔、可再生能源為主的能源結構將成為未來發(fā)展的方向，目前已經受到了各國政府的極大重視，一些相應的技術也在蓬勃發(fā)展之中。風力發(fā)電是目前可再生能源利用中技術最成熟的、最具商業(yè)化發(fā)展前景的能源利用方式，風力發(fā)電將成為21 世紀最具開發(fā)前景的新能源之一。

現(xiàn)在，世界上大中型風力發(fā)電機組主要有兩種型式。一類是定槳距失速調節(jié)型，屬于恒速機型，一般使用同步電機或者鼠籠式異步電機作為發(fā)電機，通過定槳距失速控制的風輪機使發(fā)電機的轉速保持在恒定的數(shù)值，繼而使風電機組并網后定子磁場旋轉頻率等于電網頻率，轉子、葉輪的變化范圍小，捕獲風能的效率低。另一類是變速變距型，一般采用雙饋電機或者永磁同步電機，通過調速器和變槳距控制相結合的方法使葉輪轉速可以跟隨風速的改變在很寬的范圍內變化，保持最佳葉尖速比運行，從而使Cp(風能利用系數(shù))在很大的風速變化范圍內均能保持最大值，能量捕獲效率最大。發(fā)電機發(fā)出的電能通過變流器調節(jié)，變成與電網同頻、同相、同幅的電能輸送到電網。相比之下，變速型風力發(fā)電機具有不可比擬的優(yōu)勢。

目前流行的變速變槳風力發(fā)電機組的動力驅動系統(tǒng)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;另一種是無齒輪箱的直接驅動低速永磁發(fā)電機+全功率變頻器。兩種方案各有優(yōu)缺點：前者采用高速電機，體積小重量輕，雙饋變流器的容量僅與電機的轉差容量相關，效率高、價格低廉，缺點是升速齒輪箱價格貴，噪音大、易疲勞損壞;后者無齒輪箱，可靠性高，但采用低速永磁電機，體積大，造價高，變頻器需要全功率，成本提高。

除了上述兩個方案外，還引入了兩個折中方案，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。根據(jù)美國國家可再生能源實驗室NREL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>

1 四種風力發(fā)電系統(tǒng)簡介

1.1 高速異步發(fā)電機雙饋系統(tǒng)(DFIG)

高速異步發(fā)電機雙饋系統(tǒng)主要由升速齒輪箱+繞線異步發(fā)電機+雙饋變頻器構成，ABB 發(fā)電機典型功率范圍為600~5 000 kW，如圖1所示。

DFIG的特點是發(fā)電機轉速可以在同步轉速上、下兩個方向變化。假設1.5 MW風電機組的葉輪轉速變化范圍為10~20 r/min，通常令15 r/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50 Hz 電網，則要求電機極對數(shù)為200，很難實現(xiàn)，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(huán)也會影響系統(tǒng)的可靠性，增加維護工作量。

對數(shù)為200，很難實現(xiàn)，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(huán)也會影響系統(tǒng)的可靠性，增加維護工作量。

1.2 低速永磁同步發(fā)電機直驅系統(tǒng)(PMDD)

低速永磁同步發(fā)電機直驅系統(tǒng)主要由低速永磁同步發(fā)電機+全功率變頻器構成，如圖2所示。ABB發(fā)電機典型功率范圍為600~5 000 kW。

PMDD的特點是沒有升速齒輪箱，葉輪直接驅動低速發(fā)電機轉子，消除了DFIG 的薄弱環(huán)節(jié)，大大提高可靠性，降低維護工作量。由于發(fā)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(shù)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(fā)電機全功率，因此電機和變頻器的價格都比DFIG高。

1.3 集成低速齒輪箱的永磁機風力發(fā)電系統(tǒng)

該風力發(fā)電系統(tǒng)將低速齒輪箱集成在永磁發(fā)電機內，使系統(tǒng)的結構更加緊湊，通常極數(shù)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(fā)電機典型功率范圍為1~5 MW，結構如圖3所示。

1.4 高速齒輪箱的永磁機風力發(fā)電系統(tǒng)

該系統(tǒng)機械結構與雙饋型基本相同，沒有了繞線式電機滑環(huán)所帶來的弊病，且發(fā)電機重量輕，發(fā)電效率高，。通常電機的極數(shù)為6 或8 極，發(fā)電機的轉速一般為1 000~2 000 r/min，ABB變頻器典型功率范圍為1~5 MW，結構如圖4所示。

2 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)工作原理

2.1 葉輪能量最大捕獲原理

風力機通過葉輪來捕獲流動的風能，風的能量轉化為葉輪旋轉的動能，齒輪箱再把這種機械能傳輸?shù)桨l(fā)電機，由發(fā)電機通過內部的電磁關系將機械能變?yōu)殡娔茌敵?。圖5為在不同風速下，葉輪轉速與風力機輸出功率的關系圖。由圖可知，對應于每個風速的曲線，都有一個最大輸出功率點，風速越高，輸出功率越高，相應的葉輪轉速也越高。因此，如果能隨風速變化改變葉輪轉速，使得風力機在所有風速下都工作于最大功率輸出點，則發(fā)出電能最多，否則發(fā)電效能將降低。

雙饋發(fā)電機的最大風能捕獲控制就是通過預先制定的風速對應的最大功率曲線，控制風力機轉速，使其跟隨風速的變化而相應變化，保證風力機的葉尖速比恒定，達到最大功率輸出。假設在風速v2下，系統(tǒng)最初工作P1點，如果風速階躍變化到v3，風力機轉速由于慣性保持不變，此時風力機輸出機械功率達到P2點，大于雙饋發(fā)電機的發(fā)電功率，此時，風力機輸入力矩大于雙饋發(fā)電機的輸出力矩，風力機轉速增加，沿對應于風速v3的曲線向P3移動，當達到該點后，雙饋發(fā)電機根據(jù)最大功率曲線給出相應的轉矩給定值，并與風力機輸入力矩相平衡，此時系統(tǒng)便穩(wěn)定工作于P3點，輸出對應于v3風速下的最大功率P3。

2.2 雙饋發(fā)電機的變速恒頻控制原理

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

p 為電機的極對數(shù);

n為風力發(fā)電機的轉子轉速;

f2為轉子電流頻率。

當風力發(fā)電機轉速發(fā)生變化時，通過轉子側變頻調速裝置調節(jié)轉子電流頻率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(同步轉速)，f2取正號，轉子側變頻器從電網吸取功率Pr(轉子功率)，為發(fā)電機轉子提供頻率為f2的正向勵磁電流，保證定子繞組產生與電網同頻同幅的電壓矢量，從而將風力機捕獲的機械能Pmec轉化為電能，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(同步轉速)，f2取負號，轉子側變頻器將吸收的機械能反饋回電網Pr，為發(fā)電機轉子提供頻率為f2的負向勵磁電流，保證定子繞組產生與電網同頻同幅的電壓矢量，同時將風力機捕獲的機械能Pmec轉化為電能，此時定子輸出的電能為Ps=Pmec+Pr。因此，轉子側變頻器應具有以下特點：

1)具有四象限工作能力，實現(xiàn)能量的雙向流動，而且變頻器功率僅為發(fā)電機的轉差功率，這有利于減少變頻器體積，降低系統(tǒng)成本和投資;

2)利用轉子側勵磁電流控制定子側的無功功率，利用轉子側電磁轉矩電流控制定子側的有功功率，實現(xiàn)定子側有功功率和無功功率的獨立調節(jié);

3)網側變流器能夠實現(xiàn)單位功率因數(shù)的正弦波控制。

根據(jù)以上特點，交- 直- 交雙PWM電壓型變頻器成為變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)首選的方案之一。

3 ABB風力發(fā)電變頻器

ABB傳動公司目前主要有兩類產品應用于風力發(fā)電系統(tǒng)，一類是應用于雙饋發(fā)電機系統(tǒng)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(tǒng))的變頻產品ACS800-77，這里主要介紹ACS800-67。

3.1 控制原理

ACS800-67 風力發(fā)電變頻器主要和帶有轉子繞組和滑環(huán)的感應式發(fā)電機一起使用，連接于雙饋發(fā)電機轉子和電網之間，電路圖如圖6所示。該變頻器既可以安裝在塔基處也可以安裝于發(fā)電機艙內。[!--empirenews.page--]

變頻器工作原理與上節(jié)所述一致，當風速變化時，ACS800-67 通過內部控制快速增加或降低轉子磁場的旋轉速度，保證發(fā)電機獲得最優(yōu)滑差，達到獲得最大發(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之前使定子輸出電壓和電網電壓同步的目的。在脫離電網時，傳動單元通過將轉矩給定調整為零，使定子電流減少至零，以便將發(fā)電機從電網脫離。

網側變流器是一個基于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，為轉子側逆變器供電。網側變流器控制對象為直流母線電壓和網側無功功率，通過檢測網側兩相電流和直流母線電壓，采用直接轉矩的控制方法，實現(xiàn)直流母線電壓泵升且恒定以及網側功率因數(shù)可控(一般設置為1)的目的。同時也可以實現(xiàn)功率的雙向流動以及降低網側電流諧波含量的目的。

轉子側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生轉子磁場所需頻率和幅值的三相交流電，向轉子繞組供電。轉子側變流器控制對象為轉矩和無功功率，通過對轉矩的控制實現(xiàn)對發(fā)電機有功功率的控制，通過對無功功率的控制完成對發(fā)電機轉子磁場的建立，實現(xiàn)對發(fā)電機無功功率的控制。

3.2 變頻器選型

如前所述，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的變頻器由于接在發(fā)電機的轉子側，所以變頻器容量可小于發(fā)電機的容量，僅為發(fā)電機的轉差功率，因此，變頻器容量的選擇與風力發(fā)電機的調速范圍密切相關。一般風力發(fā)電機的調速范圍為額定轉速的70%~130%，轉差率為±30%，所以變頻器的額定容量可選為發(fā)電機額定容量的1/3。表1為ACS800-67的選型表。

假設發(fā)電機額定電壓為690 V，額定功率為2 MW，額定轉速為1 500 r/min，調速范圍為±30%，即發(fā)電機轉速工作范圍為1 000 ~2 000 r/min，因此，變頻器的功率可選為2 MW ×30%=0.6 MW，根據(jù)選型表可得轉子側變流器型號為ACS800-104-0770-7;而整流側變流器由于控制的網側功率因數(shù)為1，只流過有功電流，故容量相對較小，型號為ACS800-104-0580-7。

3.3 技術特點

ACS800-67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(tǒng)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(huán)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(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)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(fā)電機艙內。

4)低電壓穿越能力在電網發(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，提供對電網的支持，保證電機依然在網。

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，因此電機轉子的電壓可控制高達750 V，風機的速度范圍更寬，轉子的電流更低。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計，變頻器對此不成為瓶頸。在轉子電壓接近于0 V 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(fā)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

上海南洋電機廠采用ACS800-67 變頻器構建雙饋風力發(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)電機轉子靠直流電動機拖動。系統(tǒng)連接示意圖如圖7所示。技術數(shù)據(jù)如下。

1)發(fā)電機定子額定電壓690 V，定子額定電流1500A，額定頻率50 Hz，額定功率1 345kW，額定轉速1 513 r/min，同步轉速1 500 r/min，功率因數(shù)0.9，轉子開路電壓1990V，轉子電流550A。

2)變頻器型號ACS800-67-0480/0770-7，調速范圍±30%。

4.1 同步運行

雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)投入電網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電壓達到一致。典型的同步運行步驟如下：

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

2)開關S1閉合，網側變流器啟動為轉子側變流器建立直流電壓，開關S2仍然斷開;

3)轉子側變流器測量電網電壓Ugrid(開關S2的輸入側)和定子電壓Us;

4)轉子側此時工作于同步模式，轉子側變流器通過磁化轉子繞組，感應出與電網電壓同步的定子電壓;

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

圖8為同步運行時記錄的曲線圖。圖8(a)為發(fā)電機轉子轉速被直流電動機拖動到1 300 r/min(如曲線1所示)后，變頻器投入運行。開關S1閉合后，網側變流器啟動建立直流母線電壓(如曲線2 所示)，當直流母線電壓建立完成并穩(wěn)定后，轉子側逆變器投入運行，為轉子繞組提供三相勵磁電流，產生旋轉的磁場，并在定子繞組上感生電壓(如曲線4 所示)，當定子繞組上的感應電壓與電網電壓(如曲線3 所示)在幅值、頻率和相位完全一致后，同步過程完成，可以隨時閉合開關S2，將發(fā)電機并入電網。曲線5和6分別為同步過程中的定轉子電流。

圖8(b)所示為電網U 相電壓與定子U 相電壓在同步過程中的變化曲線。由圖可知，當變頻器投入運行后，定子U 相電壓迅速建立，并與電網U 相電壓在相位、幅值上完全一致，達到同步的要求。

4.2 發(fā)電運行

圖9 為發(fā)電機處于超同步運行(轉子轉速為1 513 r/min)，給定轉矩為額定轉矩的85%，無功功率給定為零時，電網線電壓、相電流的波形圖。理論分析可知，當發(fā)電機處于超同步運行狀態(tài)，發(fā)電機的定子側和轉子側應同時向電網輸出電能，網側相電流為定子與轉子的電流之和。通常網側變流器的無功功率給定設置為零，所以定子與轉子電流的相位相同，都與電網電壓反相。實際上，由圖可知，電網相電壓與定子電流相位相差180°，完全反相，發(fā)電機處于發(fā)電狀態(tài)，向電網輸出電能，功率因數(shù)為-1。

5 結語

風力發(fā)電作為21 世紀全球最有發(fā)展?jié)摿Φ男履茉粗?，必將受到越來越多的重視。由ABB 研制和生產的風力發(fā)電變頻產品ACS800-67/77 代表了當今風電的兩大主流方向，已經成功應用于世界各地，對風電技術的全球發(fā)展起到了積極的推動作用。