中心論題：

• 四種風力發電係統簡介
• 變速恒頻雙饋風力發電係統工作原理
• ABB風力發電變頻器
• 應用案例

解決方案：

• 同步運行
• 發電運行

能源和環境是人類所麵臨的兩大問題
，以清潔、可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)為(wei)主(zhu)的(de)能(neng)源(yuan)結(jie)構(gou)將(jiang)成(cheng)為(wei)未(wei)來(lai)發(fa)展(zhan)的(de)方(fang)向(xiang)，目(mu)前(qian)已(yi)經(jing)受(shou)到(dao)了(le)各(ge)國(guo)政(zheng)府(fu)的(de)極(ji)大(da)重(zhong)視(shi)
，一(yi)些(xie)相(xiang)應(ying)的(de)技(ji)術(shu)也(ye)在(zai)蓬(peng)勃(bo)發(fa)展(zhan)之(zhi)中(zhong)。風(feng)力(li)發(fa)電(dian)是(shi)目(mu)前(qian)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)利(li)用(yong)中(zhong)技(ji)術(shu)最(zui)成(cheng)熟(shu)的(de)、最具商業化發展前景的能源利用方式
，風力發電將成為21 世紀最具開發前景的新能源之一。

xianzai，shijieshangdazhongxingfenglifadianjizuzhuyaoyouliangzhongxingshi。yileishidingjiangjushisutiaojiexing，shuyuhengsujixing，yibanshiyongtongbudianjihuozheshulongshiyibudianjizuoweifadianji
，tongguodingjiangjushisukongzhidefenglunjishifadianjidezhuansubaochizaihengdingdeshuzhi，jiershifengdianjizubingwanghoudingzicichangxuanzhuanpinlvdengyudianwangpinlv，zhuanzi
、葉ye輪lun的de變bian化hua範fan圍wei小xiao，捕bu獲huo風feng能neng的de效xiao率lv低di。另ling一yi類lei是shi變bian速su變bian距ju型xing，一yi般ban采cai用yong雙shuang饋kui電dian機ji或huo者zhe永yong磁ci同tong步bu電dian機ji，通tong過guo調tiao速su器qi和he變bian槳jiang距ju控kong製zhi相xiang結jie合he的de方fang法fa使shi葉ye輪lun轉zhuan速su可ke以yi跟gen隨sui風feng速su的de改gai變bian在zai很hen寬kuan的de範fan圍wei內nei變bian化hua
，保bao持chi最zui佳jia葉ye尖jian速su比bi運yun行xing
，從cong而er使shiCp（風能利用係數）在很大的風速變化範圍內均能保持最大值，能量捕獲效率最大。發電機發出的電能通過變流器調節，變成與電網同頻
、同相
、同幅的電能輸送到電網。相比之下，變速型風力發電機具有不可比擬的優勢。

目前流行的變速變槳風力發電機組的動力驅動係統主要兩種方案：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；另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。兩種方案各有優缺點：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
；後者無齒輪箱
，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。根據美國國家可再生能源實驗室NREL報告的量化比較數據分析，這兩種折中方案也具有很大的發展潛力。

四種風力發電係統簡介
a.高速異步發電機雙饋係統（DFIG）
高速異步發電機雙饋係統主要由升速齒輪箱＋繞線異步發電機＋雙饋變頻器構成，ABB 發電機典型功率範圍為600~5 000 kW，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1.5 MW風電機組的葉輪轉速變化範圍為10~20 r/min
，通常令15 r/min對應電機同步轉速，這樣轉速變化範圍為電機額定轉速的±1/3，相應變頻器的功率隻有電機功率的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
，由於異步電機定子接在50 Hz 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係統的可靠性
，增加維護工作量。
 
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係統的可靠性，增加維護工作量。

b.低速永磁同步發電機直驅係統（PMDD）
低速永磁同步發電機直驅係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發電機典型功率範圍為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電機轉子，消除了DFIG deboruohuanjie
，dadatigaokekaoxing，jiangdiweihugongzuoliang。youyufadianjidingziraozubuzhijieyudianwangxianglian，ershitongguobianpinqilianjie，yincidianjiedingzhuansukeyijiangdi
，shidianjijishujianshaozhihelizhi。quedianshidisudianjitijida，dingziraozujueyuandengjiyaoqiugao，bianpinqiyaoshusongfadianjiquangonglv，yincidianjihebianpinqidejiagedoubiDFIG高。

c.集成低速齒輪箱的永磁機風力發電係統
該風力發電係統將低速齒輪箱集成在永磁發電機內
，使係統的結構更加緊湊
，通常極數大於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 發電機典型功率範圍為1~5 MW，結構如圖3所示。

d.高速齒輪箱的永磁機風力發電係統
該係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1 000~2 000 r/min，ABB變頻器典型功率範圍為1~5 MW
，結構如圖4所示。

變速恒頻雙饋風力發電係統工作原理
a.葉輪能量最大捕獲原理
fenglijitongguoyelunlaibuhuoliudongdefengneng，fengdenengliangzhuanhuaweiyelunxuanzhuandedongneng，chilunxiangzaibazhezhongjixienengchuanshudaofadianji，youfadianjitongguoneibudedianciguanxijiangjixienengbianweidiannengshuchu。tu5為wei在zai不bu同tong風feng速su下xia，葉ye輪lun轉zhuan速su與yu風feng力li機ji輸shu出chu功gong率lv的de關guan係xi圖tu。由you圖tu可ke知zhi，對dui應ying於yu每mei個ge風feng速su的de曲qu線xian，都dou有you一yi個ge最zui大da輸shu出chu功gong率lv點dian，風feng速su越yue高gao，輸shu出chu功gong率lv越yue高gao，相xiang應ying的de葉ye輪lun轉zhuan速su也ye越yue高gao。因yin此ci，如ru果guo能neng隨sui風feng速su變bian化hua改gai變bian葉ye輪lun轉zhuan速su，使shi得de風feng力li機ji在zai所suo有you風feng速su下xia都dou工gong作zuo於yu最zui大da功gong率lv輸shu出chu點dian，則ze發fa出chu電dian能neng最zui多duo，否fou則ze發fa電dian效xiao能neng將jiang降jiang低di。

雙shuang饋kui發fa電dian機ji的de最zui大da風feng能neng捕bu獲huo控kong製zhi就jiu是shi通tong過guo預yu先xian製zhi定ding的de風feng速su對dui應ying的de最zui大da功gong率lv曲qu線xian，控kong製zhi風feng力li機ji轉zhuan速su，使shi其qi跟gen隨sui風feng速su的de變bian化hua而er相xiang應ying變bian化hua，保bao證zheng風feng力li機ji的de葉ye尖jian速su比bi恒heng定ding，達da到dao最zui大da功gong率lv輸shu出chu。假jia設she在zai風feng速suv2下，係統最初工作P1點
，如果風速階躍變化到v3，風力機轉速由於慣性保持不變，此時風力機輸出機械功率達到P2點，大於雙饋發電機的發電功率，此時
，風力機輸入力矩大於雙饋發電機的輸出力矩，風力機轉速增加
，沿對應於風速v3的曲線向P3移動，當達到該點後
，雙饋發電機根據最大功率曲線給出相應的轉矩給定值，並與風力機輸入力矩相平衡，此時係統便穩定工作於P3點，輸出對應於v3風速下的最大功率P3。

b.雙饋發電機的變速恒頻控製原理
根gen據ju感gan應ying電dian機ji定ding轉zhuan子zi繞rao組zu電dian流liu產chan生sheng的de旋xuan轉zhuan磁ci場chang相xiang對dui靜jing止zhi的de原yuan理li，可ke以yi得de出chu變bian速su恒heng頻pin風feng力li發fa電dian機ji轉zhuan速su與yu定ding轉zhuan子zi繞rao組zu電dian流liu頻pin率lv關guan係xi的de數shu學xue表biao達da式shi

p為電機的極對數；n為風力發電機的轉子轉速；f2為轉子電流頻率。

當風力發電機轉速發生變化時，通過轉子側變頻調速裝置調節轉子電流頻率f2，保證f1恒定不變，實現風力發電機的變速恒頻控製。

當風力發電機處於亞同步速運行時，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。

當風力發電機處於超同步速運行時，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：具有四象限工作能力，實現能量的雙向流動，而且變頻器功率僅為發電機的轉差功率，這有利於減少變頻器體積，降低係統成本和投資；利li用yong轉zhuan子zi側ce勵li磁ci電dian流liu控kong製zhi定ding子zi側ce的de無wu功gong功gong率lv，利li用yong轉zhuan子zi側ce電dian磁ci轉zhuan矩ju電dian流liu控kong製zhi定ding子zi側ce的de有you功gong功gong率lv
，實shi現xian定ding子zi側ce有you功gong功gong率lv和he無wu功gong功gong率lv的de獨du立li調tiao節jie；網側變流器能夠實現單位功率因數的正弦波控製。

根據以上特點
，交- 直- 交雙PWM電壓型變頻器成為變速恒頻雙饋風力發電係統首選的方案之一。

ABB風力發電變頻器
ABB傳動公司目前主要有兩類產品應用於風力發電係統，一類是應用於雙饋發電機係統的變頻產品ACS800－67
，一類是應用於永磁同步電機且無齒輪箱（直驅係統）的變頻產品ACS800－77
，這裏主要介紹ACS800－67。

a.控製原理
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，連接於雙饋發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於發電機艙內。

 
變頻器工作原理與上節所述一致，當風速變化時
，ACS800－67 通tong過guo內nei部bu控kong製zhi快kuai速su增zeng加jia或huo降jiang低di轉zhuan子zi磁ci場chang的de旋xuan轉zhuan速su度du，保bao證zheng發fa電dian機ji獲huo得de最zui優you滑hua差cha，達da到dao獲huo得de最zui大da發fa電dian量liang的de目mu的de。該gai傳chuan動dong單dan元yuan也ye可ke以yi完wan成cheng在zai將jiang定ding子zi輸shu出chu接jie入ru電dian網wang之zhi前qian使shi定ding子zi輸shu出chu電dian壓ya和he電dian網wang電dian壓ya同tong步bu的de目mu的de。在zai脫tuo離li電dian網wang時shi，傳chuan動dong單dan元yuan通tong過guo將jiang轉zhuan矩ju給gei定ding調tiao整zheng為wei零ling
，使shi定ding子zi電dian流liu減jian少shao至zhi零ling
，以yi便bian將jiang發fa電dian機ji從cong電dian網wang脫tuo離li。

網側變流器是一個基於IGBTmokuaidebianliuqi
，jiangshurudesanxiangjiaoliudianzhengliuweisuoxudezhiliudian，weizhuanzicenibianqigongdian。wangcebianliuqikongzhiduixiangweizhiliumuxiandianyahewangcewugonggonglv，tongguojiancewangceliangxiangdianliuhezhiliumuxiandianya，caiyongzhijiezhuanjudekongzhifangfa，shixianzhiliumuxiandianyabengshengqiehengdingyijiwangcegonglvyinshukekong（一般設置為1）的目的。同時也可以實現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於IGBT 的(de)逆(ni)變(bian)器(qi)模(mo)塊(kuai)，將(jiang)直(zhi)流(liu)電(dian)逆(ni)變(bian)為(wei)產(chan)生(sheng)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)場(chang)所(suo)需(xu)頻(pin)率(lv)和(he)幅(fu)值(zhi)的(de)三(san)相(xiang)交(jiao)流(liu)電(dian)，向(xiang)轉(zhuan)子(zi)繞(rao)組(zu)供(gong)電(dian)。轉(zhuan)子(zi)側(ce)變(bian)流(liu)器(qi)控(kong)製(zhi)對(dui)象(xiang)為(wei)轉(zhuan)矩(ju)和(he)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)，通(tong)過(guo)對(dui)轉(zhuan)矩(ju)的(de)控(kong)製(zhi)實(shi)現(xian)對(dui)發(fa)電(dian)機(ji)有(you)功(gong)功(gong)率(lv)的(de)控(kong)製(zhi)，通(tong)過(guo)對(dui)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)的(de)控(kong)製(zhi)完(wan)成(cheng)對(dui)發(fa)電(dian)機(ji)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)場(chang)的(de)建(jian)立(li)，實(shi)現(xian)對(dui)發(fa)電(dian)機(ji)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)的(de)控(kong)製(zhi)。

b.變頻器選型
ruqiansuoshu
，shuangkuifenglifadianxitongdebianpinqiyouyujiezaifadianjidezhuanzice，suoyibianpinqirongliangkexiaoyufadianjiderongliang，jinweifadianjidezhuanchagonglv，yinci
，bianpinqirongliangdexuanzeyufenglifadianjidetiaosufanweimiqiexiangguan。yibanfenglifadianjidetiaosufanweiweiedingzhuansude70％~130％，轉差率為±30％，所以變頻器的額定容量可選為發電機額定容量的1/3。表1為ACS800－67的選型表。
假設發電機額定電壓為690 V，額定功率為2 MW，額定轉速為1 500 r/min，調速範圍為±30％
，即發電機轉速工作範圍為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；而整流側變流器由於控製的網側功率因數為1
，隻流過有功電流，故容量相對較小，型號為ACS800－104－0580－7。

c.技術特點
ACS800－67具有以下技術特點:長壽命設計變頻器內部器件選型和係統配置均按照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(nai)低(di)溫(wen)特(te)性(xing)良(liang)好(hao)。冷(leng)卻(que)風(feng)扇(shan)具(ju)有(you)調(tiao)速(su)功(gong)能(neng)，可(ke)延(yan)長(chang)其(qi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。適(shi)用(yong)於(yu)惡(e)劣(lie)的(de)使(shi)用(yong)環(huan)境(jing)變(bian)頻(pin)櫃(gui)內(nei)和(he)模(mo)塊(kuai)內(nei)部(bu)均(jun)內(nei)置(zhi)加(jia)熱(re)器(qi)，且(qie)配(pei)置(zhi)有(you)溫(wen)度(du)和(he)濕(shi)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，對(dui)抗(kang)低(di)溫(wen)和(he)高(gao)濕(shi)環(huan)境(jing)。所(suo)有(you)線(xian)路(lu)板(ban)均(jun)帶(dai)有(you)防(fang)腐(fu)塗(tu)層(ceng)，櫃(gui)體(ti)防(fang)護(hu)等(deng)級(ji)為(wei)IP54
，保證了變頻器惡劣環境下的可靠工作。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(yi)及(ji)進(jin)線(xian)接(jie)觸(chu)器(qi)和(he)直(zhi)流(liu)熔(rong)斷(duan)器(qi)作(zuo)為(wei)標(biao)準(zhun)配(pei)置(zhi)，通(tong)訊(xun)適(shi)配(pei)器(qi)和(he)以(yi)太(tai)網(wang)適(shi)配(pei)器(qi)作(zuo)為(wei)選(xuan)裝(zhuang)配(pei)置(zhi)。緊(jin)湊(cou)型(xing)的(de)設(she)計(ji)理(li)念(nian)使(shi)得(de)其(qi)在(zai)同(tong)等(deng)功(gong)率(lv)的(de)變(bian)頻(pin)器(qi)中(zhong)體(ti)積(ji)最(zui)小(xiao)，適(shi)用(yong)於(yu)放(fang)在(zai)發(fa)電(dian)機(ji)艙(cang)內(nei)。低(di)電(dian)壓(ya)穿(chuan)越(yue)能(neng)力(li)在(zai)電(dian)網(wang)發(fa)生(sheng)嚴(yan)重(zhong)故(gu)障(zhang)期(qi)間(jian)
，比(bi)如(ru)短(duan)路(lu)或(huo)瞬(shun)間(jian)掉(diao)電(dian)
，可(ke)通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)有(you)源(yuan)或(huo)無(wu)源(yuan)Crowbar 硬件
，提供對電網的支持

，保證電機依然在網。優良的可控性由於整流單元采用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製高達750 V

，風機的速度範圍更寬，轉子的電流更低。發電機的功率因數可達到±0.9，甚至更高，這完全取決於電機設計，變頻器對此不成為瓶頸。在轉子電壓接近於0 V 時(shi)，變(bian)頻(pin)器(qi)也(ye)完(wan)全(quan)可(ke)控(kong)。可(ke)以(yi)在(zai)速(su)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)任(ren)何(he)一(yi)點(dian)切(qie)入(ru)切(qie)出(chu)。即(ji)使(shi)在(zai)風(feng)機(ji)靜(jing)止(zhi)時(shi)
，也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)整(zheng)流(liu)單(dan)元(yuan)發(fa)出(chu)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)對(dui)電(dian)網(wang)提(ti)供(gong)支(zhi)持(chi)。完(wan)善(shan)的(de)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)具(ju)有(you)多(duo)重(zhong)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)
，例(li)如(ru)過(guo)流(liu)、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。

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電機的實驗平台，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。係統連接示意圖如圖7所示。技術數據如下:發電機定子額定電壓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0.9
，轉子開路電壓1990V，轉子電流550A;變頻器型號ACS800－67－0480／0770－7，調速範圍±30％。

a.同步運行
雙饋風力發電係統投入電網前首先要進行同步運行，即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。典型的同步運行步驟如下：將發電機轉子拖動到設定的正常工作範圍內，即同步轉速的70％~130％，啟動變頻器
；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；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；轉子側此時工作於同步模式，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；當定子電壓與電網電壓同步後


，開關S2閉合，同步運行過程完成。此後變頻器切換到轉矩控製模式，接受給定的轉矩和無功功率指令
，準備開始發電。

圖8為同步運行時記錄的曲線圖。圖8（a）為發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）後，變頻器投入運行。開關S1閉合後，網側變流器啟動建立直流母線電壓（如曲線2 所示），dangzhiliumuxiandianyajianliwanchengbingwendinghou，zhuanzicenibianqitouruyunxing
，weizhuanziraozutigongsanxianglicidianliu，chanshengxuanzhuandecichang，bingzaidingziraozushangganshengdianya（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後
，同步過程完成，可以隨時閉合開關S2

，將發電機並入電網。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，當變頻器投入運行後，定子U 相電壓迅速建立，並與電網U 相電壓在相位
、幅值上完全一致，達到同步的要求。

b.發電運行
圖9 為發電機處於超同步運行（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xiang電dian流liu的de波bo形xing圖tu。理li論lun分fen析xi可ke知zhi，當dang發fa電dian機ji處chu於yu超chao同tong步bu運yun行xing狀zhuang態tai，發fa電dian機ji的de定ding子zi側ce和he轉zhuan子zi側ce應ying同tong時shi向xiang電dian網wang輸shu出chu電dian能neng
，網wang側ce相xiang電dian流liu為wei定ding子zi與yu轉zhuan子zi的de電dian流liu之zhi和he。通tong常chang網wang側ce變bian流liu器qi的de無wu功gong功gong率lv給gei定ding設she置zhi為wei零ling，所suo以yi定ding子zi與yu轉zhuan子zi電dian流liu的de相xiang位wei相xiang同tong
，都dou與yu電dian網wang電dian壓ya反fan相xiang。實shi際ji上shang，由you圖tu可ke知zhi
，電dian網wang相xiang電dian壓ya與yu定ding子zi電dian流liu相xiang位wei相xiang差cha180°
，完全反相，發電機處於發電狀態，向電網輸出電能，功率因數為－1。

結語
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 研製和生產的風力發電變頻產品ACS800－67／77 代表了當今風電的兩大主流方向，已經成功應用於世界各地，對風電技術的全球發展起到了積極的推動作用。