1.4高速齿轮箱的永磁机风力发电系统

该系统机械结构与双馈型基本相同，没有了绕线式电机滑环所带来的弊病，且发电机重量轻，发电效率高，。通常电机的极数为6或8极，发电机的转速一般为1000~2000r/min，ABB变频器典型功率范围为1~5MW。

2变速恒频双馈风力发电系统工作原理

2.1叶轮能量最大捕获原理

风力机通过叶轮来捕获流动的风能，风的能量转化为叶轮旋转的动能，齿轮箱再把这种机械能传输到发电机，由发电机通过内部的电磁关系将机械能变为电能输出。图5为在不同风速下，叶轮转速与风力机输出功率的关系图。由图可知，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，输出功率越高，相应的叶轮转速也越高。因此，如果能随风速变化改变叶轮转速，使得风力机在所有风速下都工作于最大功率输出点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。

双馈发电机的最大风能捕获控制就是通过预先制定的风速对应的最大功率曲线，控制风力机转速，使其跟随风速的变化而相应变化，保证风力机的叶尖速比恒定，达到最大功率输出。假设在风速v2下，系统最初工作P1点，如果风速阶跃变化到v3，风力机转速由于惯性保持不变，此时风力机输出机械功率达到P2点，大于双馈发电机的发电功率，此时，风力机输入力矩大于双馈发电机的输出力矩，风力机转速增加，沿对应于风速v3的曲线向P3移动，当达到该点后，双馈发电机根据最大功率曲线给出相应的转矩给定值，并与风力机输入力矩相平衡，此时系统便稳定工作于P3点，输出对应于v3风速下的最大功率P3。

2.2双馈发电机的变速恒频控制原理

根据感应电机定转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可以得出变速恒频风力发电机转速与定转子绕组电流频率关系的数学表达式

p为电机的极对数；

n为风力发电机的转子转速；

f2为转子电流频率。

当风力发电机转速发生变化时，通过转子侧变频调速装置调节转子电流频率f2，保证f1恒定不变，实现风力发电机的变速恒频控制。

当风力发电机处于亚同步速运行时，即nn1（同步转速），f2取负号，转子侧变频器将吸收的机械能反馈回电网Pr，为发电机转子提供频率为f2的负向励磁电流，保证定子绕组产生与电网同频同幅的电压矢量，同时将风力机捕获的机械能Pmec转化为电能，此时定子输出的电能为Ps=Pmec＋Pr。因此，转子侧变频器应具有以下特点：

1）具有四象限工作能力，实现能量的双向流动，而且变频器功率仅为发电机的转差功率，这有利于减少变频器体积，降低系统成本和投资；

2）利用转子侧励磁电流控制定子侧的无功功率，利用转子侧电磁转矩电流控制定子侧的有功功率，实现定子侧有功功率和无功功率的独立调节；

3）网侧变流器能够实现单位功率因数的正弦波控制。

根据以上特点，交-直-交双PWM电压型变频器成为变速恒频双馈风力发电系统首选的方案之一。

3ABB风力发电变频器

ABB传动公司目前主要有两类产品应用于风力发电系统，一类是应用于双馈发电机系统的变频产品ACS800－67，一类是应用于永磁同步电机且无齿轮箱（直驱系统）的变频产品ACS800－77，这里主要介绍ACS800－67。

3.1控制原理

ACS800－67风力发电变频器主要和带有转子绕组和滑环的感应式发电机一起使用，连接于双馈发电机转子和电网之间，电路图如图6所示。该变频器既可以安装在塔基处也可以安装于发电机舱内。

变频器工作原理与上节所述一致，当风速变化时，ACS800－67通过内部控制快速增加或降低转子磁场的旋转速度，保证发电机获得最优滑差，达到获得最大发电量的目的。该传动单元也可以完成在将定子输出接入电网之前使定子输出电压和电网电压同步的目的。在脱离电网时，传动单元通过将转矩给定调整为零，使定子电流减少至零，以便将发电机从电网脱离。

网侧变流器是一个基于IGBT模块的变流器，将输入的三相交流电整流为所需的直流电，为转子侧逆变器供电。网侧变流器控制对象为直流母线电压和网侧无功功率，通过检测网侧两相电流和直流母线电压，采用直接转矩的控制方法，实现直流母线电压泵升且恒定以及网侧功率因数可控（一般设置为1）的目的。同时也可以实现功率的双向流动以及降低网侧电流谐波含量的目的。

转子侧变流器包含一个或两个基于IGBT的逆变器模块，将直流电逆变为产生转子磁场所需频率和幅值的三相交流电，向转子绕组供电。转子侧变流器控制对象为转矩和无功功率，通过对转矩的控制实现对发电机有功功率的控制，通过对无功功率的控制完成对发电机转子磁场的建立，实现对发电机无功功率的控制。

3.2变频器选型

如前所述，双馈风力发电系统的变频器由于接在发电机的转子侧，所以变频器容量可小于发电机的容量，仅为发电机的转差功率，因此，变频器容量的选择与风力发电机的调速范围密切相关。一般风力发电机的调速范围为额定转速的70％~130％，转差率为±30％，所以变频器的额定容量可选为发电机额定容量的1/3。表1为ACS800－67的选型表。

假设发电机额定电压为690V，额定功率为2MW，额定转速为1500r/min，调速范围为±30％，即发电机转速工作范围为1000~2000r/min，因此，变频器的功率可选为2MW×30％＝0.6MW，根据选型表可得转子侧变流器型号为ACS800－104－0770－7；而整流侧变流器由于控制的网侧功率因数为1，只流过有功电流，故容量相对较小，型号为ACS800－104－0580－7。

3.3技术特点

ACS800－67具有以下技术特点。

1）长寿命设计变频器内部器件选型和系统配置均按照20年使用年限设计，特别是直流母线电容采用胶片电容替代原有的电解电容，寿命更长、耐低温特性良好。冷却风扇具有调速功能，可延长其使用寿命。

2）适用于恶劣的使用环境变频柜内和模块内部均内置加热器，且配置有温度和湿度传感器，对抗低温和高湿环境。所有线路板均带有防腐涂层，柜体防护等级为IP54，保证了变频器恶劣环境下的可靠工作。

3）高端配置、紧凑型设计变频器将输入LCL滤波器、输出滤波器DU/DT以及进线接触器和直流熔断器作为标准配置，通讯适配器和以太网适配器作为选装配置。紧凑型的设计理念使得其在同等功率的变频器中体积最小，适用于放在发电机舱内。

4）低电压穿越能力在电网发生严重故障期间，比如短路或瞬间掉电，可通过使用有源或无源Crowbar硬件，提供对电网的支持，保证电机依然在网。

5）优良的可控性由于整流单元采用IGBT可控整流，直流母线电压得到泵升，因此电机转子的电压可控制高达750V，风机的速度范围更宽，转子的电流更低。发电机的功率因数可达到±0.9，甚至更高，这完全取决于电机设计，变频器对此不成为瓶颈。在转子电压接近于0V时，变频器也完全可控。可以在速度范围内的任何一点切入切出。即使在风机静止时，也可以通过整流单元发出无功功率对电网提供支持。

6）完善的保护功能具有多重保护功能，例如过流、接地、风机超速和失速等保护功能，提供对电机转子和变频器的完整保护。

4应用案例

上海南洋电机厂采用ACS800－67变频器构建双馈风力发电机的实验平台，风力机采用直流电动机模拟，即双馈发电机转子靠直流电动机拖动。系统连接示意图如图7所示。技术数据如下。

1）发电机定子额定电压690V，定子额定电流1500A，额定频率50Hz，额定功率1345kW，额定转速1513r/min，同步转速1500r/min，功率因数0.9，转子开路电压1990V，转子电流550A。

2）变频器型号ACS800－67－0480／0770－7，调速范围±30％。

4.1同步运行

双馈风力发电系统投入电网前首先要进行同步运行，即使发电机的定子电压在幅值、频率和相位上与电网电压达到一致。典型的同步运行步骤如下：

1）将发电机转子拖动到设定的正常工作范围内，即同步转速的70％~130％，启动变频器；

2）开关S1闭合，网侧变流器启动为转子侧变流器建立直流电压，开关S2仍然断开；

3）转子侧变流器测量电网电压Ugrid（开关S2的输入侧）和定子电压Us；

4）转子侧此时工作于同步模式，转子侧变流器通过磁化转子绕组，感应出与电网电压同步的定子电压；

5）当定子电压与电网电压同步后，开关S2闭合，同步运行过程完成。此后变频器切换到转矩控制模式，接受给定的转矩和无功功率指令，准备开始发电。

4.2发电运行

发电机处于超同步运行（转子转速为1513r/min），给定转矩为额定转矩的85％，无功功率给定为零时，电网线电压、相电流的波形图。理论分析可知，当发电机处于超同步运行状态，发电机的定子侧和转子侧应同时向电网输出电能，网侧相电流为定子与转子的电流之和。通常网侧变流器的无功功率给定设置为零，所以定子与转子电流的相位相同，都与电网电压反相。实际上，由图可知，电网相电压与定子电流相位相差180°，完全反相，发电机处于发电状态，向电网输出电能，功率因数为－1。

5结语

风力发电作为21世纪全球最有发展潜力的新能源之一，必将受到越来越多的重视。由ABB研制和生产的风力发电变频产品ACS800－67／77代表了当今风电的两大主流方向，已经成功应用于世界各地，对风电技术的全球发展起到了积极的推动作用。

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