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    1 引言

　　能源和環(huán)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(fā)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(fā)利用的水能總量還要大10倍。隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，風能市場也迅速發(fā)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(nèi)，世界風能市場每年將遞增25%。隨著技術進步和環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，風能發(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(wǎng)風電得到迅速發(fā)展。截至2006年6月全國風電裝機總?cè)萘窟_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(fā)展風力發(fā)電的主要市場之一。
  
    2 動力驅(qū)動系統(tǒng)方案

    （1） 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(qū)動低速永磁發(fā)電機+全功率變頻器。

    （2） 還引入了兩個具有很大的發(fā)展?jié)摿φ壑蟹桨?BR>
    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(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600～5000kw，如圖1所示。


    dfig的特點是發(fā)電機轉(zhuǎn)速可以在同步轉(zhuǎn)速上、下兩個方向變化。假設1.5mw風電機組的葉輪轉(zhuǎn)速變化范圍約為10～20r/min，通常令15r/min對應電機同步轉(zhuǎn)速，這樣轉(zhuǎn)速變化范圍為電機額定轉(zhuǎn)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(qū)動，電機額定轉(zhuǎn)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(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。

    2.2 低速永磁同步發(fā)電機直驅(qū)系統(tǒng)（pmdd）

    低速永磁同步發(fā)電機直驅(qū)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600～5000kw。


    pmdd的特點是沒有升速齒輪箱，葉輪直接驅(qū)動低速發(fā)電機轉(zhuǎn)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(wǎng)相連，而是通過變頻器連接，因此電機額定轉(zhuǎn)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。

    2.3 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(nèi)，使系統(tǒng)的結構更加緊湊，通常極數(shù)大于20，電機額定轉(zhuǎn)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1～5mw，結構如圖3所示。


    2.4 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(zhuǎn)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(fā)電變頻器

    abb傳動公司目前主要有兩類產(chǎn)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(chǎn)品acs800－67，一類是應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。

    3.1 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，電路圖及控制原理^[1]所示。圖中的crowbar可用來在電網(wǎng)出現(xiàn)異常情況時（例如電網(wǎng)失壓或電網(wǎng)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(fā)crowbar，傳動單元立即可從電網(wǎng)切除。

    （2） 有源crowbar

    對于要求傳動單元在電網(wǎng)電壓瞬變時仍然在網(wǎng)的場合，必須使用有源crowbar，通過產(chǎn)生容性無功功率來支撐電網(wǎng)。crowbar可以根據(jù)電網(wǎng)電壓對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的影響開通或關斷，保證了傳動單元即使在電網(wǎng)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(nèi)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(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） 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(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(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，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。

    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(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)連接示意圖如圖5所示。

    技術數(shù)據(jù)如下所示：


    （1） 發(fā)電機數(shù)據(jù)： 

    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(zhuǎn)速1500r/min；功率因數(shù)0.87；

    轉(zhuǎn)子：開路電壓1955v；電流372a；額定轉(zhuǎn)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(diào)速范圍±30％。

    4.1 同步運行

    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，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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1300r/min），給定轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)的70%，功率因數(shù)為1時，發(fā)電機定子u相磁通和電流以及轉(zhuǎn)子u相電流的波形圖。


    圖6中：波形1為轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)部電磁理論與3/2坐標變換的關系可以發(fā)現(xiàn)，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(shù)為1。

    圖7為發(fā)電機工作于欠同步狀態(tài)時（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1300r/min），給定轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)的70%，功率因數(shù)為1時，發(fā)電機定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)電功率波形圖。


    圖7中：波形1為轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)電功率（kw）；波形2為定子側(cè)發(fā)電功率（kw）。

    由圖7可知，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于定子磁場旋轉(zhuǎn)的同步轉(zhuǎn)速（1500r/min），對于轉(zhuǎn)子側(cè)而言，從電網(wǎng)吸收電功率為發(fā)電機提供勵磁磁場，此時轉(zhuǎn)子側(cè)所消耗的功率為119.607kw。對定子側(cè)而言，處于發(fā)電工作狀態(tài)，將轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)化為電能輸出給電網(wǎng)，此時的發(fā)電功率為-914.044kw，因此，此時總的發(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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1800r/min），給定轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)的100%，功率因數(shù)為1時，發(fā)電機定子u相磁通和電流以及轉(zhuǎn)子u相電流的波形圖。


    圖8中：波形1為轉(zhuǎn)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(nèi)部電磁理論與3/2坐標變換的關系可以發(fā)現(xiàn)，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(shù)為1。

    圖9為發(fā)電機工作于超同步狀態(tài)（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1800r/m），給定轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)的100%，功率因數(shù)為1時，發(fā)電機定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)電功率波形圖。


    圖9中：波形1為轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)電功率（kw）；波形2為定子側(cè)發(fā)電功率（kw）。

    由圖9可知，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于定子磁場旋轉(zhuǎn)的同步轉(zhuǎn)速（1500r/min），對于轉(zhuǎn)子側(cè)而言，向電網(wǎng)發(fā)送電功率，此時轉(zhuǎn)子側(cè)所提供的功率為-261.454kw。對定子側(cè)而言，處于發(fā)電工作狀態(tài)，將轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)化為電能輸出給電網(wǎng)，此時的發(fā)電功率為-1298.24kw，因此，此時總的發(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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1800r/min），給定轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)的100%，功率因數(shù)為0.91時（無功功率給定[即參數(shù)組24.01local react p ref]為52%），發(fā)電機定子u相磁通和電流以及轉(zhuǎn)子u相電流的波形圖。圖10中：波形1為轉(zhuǎn)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(shù)為0.91。因此，通過無功功率的調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。

    5 結束語

    綜上所述，風力發(fā)電作為21世紀全球最有發(fā)展?jié)摿Φ男履茉粗唬貙⑹艿皆絹碓蕉嗟闹匾暋Ｓ蒩bb研制和生產(chǎn)的風力發(fā)電變頻產(chǎn)品acs800－67已經(jīng)成功應用于世界各地，在國內(nèi)得到了廣大客戶的普遍認可，并運行于國內(nèi)的各個風場，這對于我國充分利用風能，發(fā)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(yè)，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(fā)電行業(yè)的應用. 變頻器世界, 2008（3）