1 引言

　　能源和環(huán)境是人類(lèi)面前所要解決的兩大問(wèn)題，以清潔、可再生能源為主的能源結構將成為未來(lái)發(fā)展的必然。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風(fēng)能約為2.74×109mw，其中可利用的風(fēng)能為2×107mw，比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大10倍。隨著(zhù)全球經(jīng)濟的發(fā)展，風(fēng)能市場(chǎng)也迅速發(fā)展起來(lái)。近5年來(lái)，世界風(fēng)能市場(chǎng)每年都以40%的速度增長(cháng)。1997年全世界風(fēng)電裝機容量只有7000兆瓦，2007年已有9萬(wàn)兆瓦。預計未來(lái)20～25年內，世界風(fēng)能市場(chǎng)每年將遞增25%。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步和環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，風(fēng)能發(fā)電在商業(yè)上將完全可以與燃煤發(fā)電競爭。

    中國風(fēng)能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風(fēng)能儲量就有約2.53億千瓦?！笆濉逼陂g，中國的并網(wǎng)風(fēng)電得到迅速發(fā)展。截至2006年6月全國風(fēng)電裝機總容量達到126萬(wàn)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(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要市場(chǎng)之一。
  
    2 動(dòng)力驅動(dòng)系統方案

    （1） 目前流行的變速變槳風(fēng)力發(fā)電機組的動(dòng)力驅動(dòng)系統主要兩種方案：

    一種是升速齒輪箱+繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機+ 雙饋電力電子變換器；

    一種是無(wú)齒輪箱的直接驅動(dòng)低速永磁發(fā)電機+全功率變頻器。

    （2） 還引入了兩個(gè)具有很大的發(fā)展潛力折中方案

    一個(gè)是低速集成齒輪箱的永磁同步電機+全功率變頻器；

    一個(gè)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(fā)電機雙饋系統（dfig）

    高速異步發(fā)電機雙饋系統主要由升速齒輪箱+繞線(xiàn)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600～5000kw，如圖1所示。


    dfig的特點(diǎn)是發(fā)電機轉速可以在同步轉速上、下兩個(gè)方向變化。假設1.5mw風(fēng)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(jiǎn)化機構采用直接驅動(dòng)，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(wǎng)，則要求電機極對數為200，很難實(shí)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(fēng)速變化波動(dòng)大且頻繁，造價(jià)高、易疲勞損壞是該方案的主要缺點(diǎn)，另外繞線(xiàn)式異步電機的電刷和滑環(huán)也會(huì )影響系統的可靠性，增加維護工作量。

    2.2 低速永磁同步發(fā)電機直驅系統（pmdd）

    低速永磁同步發(fā)電機直驅系統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600～5000kw。


    pmdd的特點(diǎn)是沒(méi)有升速齒輪箱，葉輪直接驅動(dòng)低速發(fā)電機轉子，消除了dfig的薄弱環(huán)節，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(wǎng)相連，而是通過(guò)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(diǎn)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(jià)格都比dfig高。

    2.3 集成低速齒輪箱的永磁機風(fēng)力發(fā)電系統

    該風(fēng)力發(fā)電系統將低速齒輪箱集成在永磁發(fā)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(cháng)的使用壽命。abb發(fā)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(fēng)力發(fā)電系統

    該系統機械結構與雙饋型基本相同，沒(méi)有了繞線(xiàn)式電機滑環(huán)所帶來(lái)的弊病，且發(fā)電機重量輕，發(fā)電效率高，通常電機的極數為6或8極，發(fā)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(fēng)力發(fā)電變頻器

    abb傳動(dòng)公司目前主要有兩類(lèi)產(chǎn)品應用于風(fēng)力發(fā)電系統，一類(lèi)是應用于雙饋發(fā)電機系統的變頻產(chǎn)品acs800－67，一類(lèi)是應用于永磁同步電機且無(wú)齒輪箱（直驅系統）的變頻產(chǎn)品acs800－77，這里主要介紹變頻產(chǎn)品acs800－67。

    3.1 控制原理

    acs800－67風(fēng)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(wǎng)之間，電路圖及控制原理^[1]所示。圖中的crowbar可用來(lái)在電網(wǎng)出現異常情況時(shí)（例如電網(wǎng)失壓或電網(wǎng)短路）防止直流母線(xiàn)過(guò)電壓。 這里有兩種crowbar 可供選擇。

    （1） 無(wú)源crowbar

    無(wú)源crowbar測量直流母線(xiàn)電壓，如果直流電壓超過(guò)1210v，就會(huì )觸發(fā)crowbar，傳動(dòng)單元立即可從電網(wǎng)切除。

    （2） 有源crowbar

    對于要求傳動(dòng)單元在電網(wǎng)電壓瞬變時(shí)仍然在網(wǎng)的場(chǎng)合，必須使用有源crowbar，通過(guò)產(chǎn)生容性無(wú)功功率來(lái)支撐電網(wǎng)。crowbar可以根據電網(wǎng)電壓對轉子側變流器的影響開(kāi)通或關(guān)斷，保證了傳動(dòng)單元即使在電網(wǎng)電壓快速變化時(shí)都能正常工作。

    3.2 技術(shù)特點(diǎn)

    acs800－67還具有以下技術(shù)特點(diǎn):

    （1） 長(cháng)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(xiàn)電容采用膠片電容替代原有的電解電容，壽命更長(cháng)、耐低溫特性良好。冷卻風(fēng)扇具有調速功能，可延長(cháng)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(xiàn)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(jìn)線(xiàn)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(wǎng)發(fā)生嚴重故障期間，比如短路或瞬間掉電，可通過(guò)使用有源或無(wú)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(xiàn)電壓得到泵升，因此電機轉子的電壓可控制高達750v，風(fēng)機的速度范圍更寬，轉子的電流更低；發(fā)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(shí)，變頻器也完全可控，可以在速度范圍內的任何一點(diǎn)切入切出。

    即使在風(fēng)機靜止時(shí)，也可以通過(guò)整流單元發(fā)出無(wú)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(guò)流、接地、風(fēng)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(lè )山東風(fēng)電機廠(chǎng)采用acs800－67變頻器構建雙饋風(fēng)力發(fā)電機的實(shí)驗平臺，風(fēng)力機采用直流電動(dòng)機模擬，即雙饋發(fā)電機轉子靠直流電動(dòng)機拖動(dòng)。系統連接示意圖如圖5所示。

    技術(shù)數據如下所示：


    （1） 發(fā)電機數據： 

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

    轉子：開(kāi)路電壓1955v；電流372a；額定轉速1513 r/min；發(fā)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(fēng)力發(fā)電系統投入電網(wǎng)前首先要進(jìn)行同步運行，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。同步運行步驟及波形如參考文獻[1]所示。

    4.2 發(fā)電運行

    圖6為發(fā)電機工作于欠同步狀態(tài)（轉子轉速為1300r/min），給定轉矩為額定轉的70%，功率因數為1時(shí)，發(fā)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(guò)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(xiàn)2超前曲線(xiàn)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(guān)系可以發(fā)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(fā)電狀態(tài)，且功率因數為1。

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


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

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

    圖8為發(fā)電機工作于超同步狀態(tài)（轉子轉速為1800r/min），給定轉矩為額定轉的100%，功率因數為1時(shí)，發(fā)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(xiàn)2超前曲線(xiàn)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(guān)系可以發(fā)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(fā)電狀態(tài)，且功率因數為1。

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


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

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

    圖10為發(fā)電機工作于超同步狀態(tài)（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(shí)（無(wú)功功率給定[即參數組24.01local react p ref]為52%），發(fā)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(guān)系，而是超前電流155°電角度，功率因數為0.91。因此，通過(guò)無(wú)功功率的調節，可以實(shí)現網(wǎng)側功率因數的調節。

    5 結束語(yǔ)

    綜上所述，風(fēng)力發(fā)電作為21世紀全球最有發(fā)展潛力的新能源之一，必將受到越來(lái)越多的重視。由abb研制和生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電變頻產(chǎn)品acs800－67已經(jīng)成功應用于世界各地，在國內得到了廣大客戶(hù)的普遍認可，并運行于國內的各個(gè)風(fēng)場(chǎng)，這對于我國充分利用風(fēng)能，發(fā)展清潔能源，起到了積極的促進(jìn)作用。

    作者簡(jiǎn)介 

    李時(shí)杰 男 博士，電力電子與電力傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)，從事變頻器的研究、普及及推廣工作。

    參考文獻

    [1] 李時(shí)杰. abb變頻器在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的應用. 變頻器世界, 2008（3）