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(jié)構(gòu)將成為未來發(fā)展的必然。風(fēng)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(yùn)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，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，風(fēng)能市場也迅速發(fā)展起來。近5年來，世界風(fēng)能市場每年都以40%的速度增長。1997年全世界風(fēng)電裝機(jī)容量只有7000兆瓦，2007年已有9萬兆瓦。預(yù)計(jì)未來20～25年內(nèi)，世界風(fēng)能市場每年將遞增25%。隨著技術(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(chǔ)量很大、分布面廣，僅陸地上的風(fēng)能儲(chǔ)量就有約2.53億千瓦。“十五”期間，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(jī)總?cè)萘窟_(dá)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(fēng)力發(fā)電的主要市場之一。
2 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案
（1） 目前流行的變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要兩種方案：
●一種是升速齒輪箱+繞線式異步電動(dòng)機(jī)+ 雙饋電力電子變換器；
●一種是無齒輪箱的直接驅(qū)動(dòng)低速永磁發(fā)電機(jī)+全功率變頻器。
（2） 還引入了兩個(gè)具有很大的發(fā)展?jié)摿φ壑蟹桨?br />
●一個(gè)是低速集成齒輪箱的永磁同步電機(jī)+全功率變頻器；
●一個(gè)是高速齒輪箱的永磁同步電機(jī)+全功率變頻器。
2.1高速異步發(fā)電機(jī)雙饋系統(tǒng)（dfig）
高速異步發(fā)電機(jī)雙饋系統(tǒng)主要由升速齒輪箱+繞線異步發(fā)電機(jī)+雙饋?zhàn)冾l器構(gòu)成，abb發(fā)電機(jī)典型功率范圍為600～5000kw，如圖1所示。
dfig的特點(diǎn)是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以在同步轉(zhuǎn)速上、下兩個(gè)方向變化。假設(shè)1.5mw風(fēng)電機(jī)組的葉輪轉(zhuǎn)速變化范圍約為10～20r/min，通常令15r/min對應(yīng)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，這樣轉(zhuǎn)速變化范圍為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的±1/3，相應(yīng)變頻器的功率只有電機(jī)功率的1/3。若想簡化機(jī)構(gòu)采用直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速也應(yīng)該為15 r/min，由于異步電機(jī)定子接在50hz電網(wǎng)，則要求電機(jī)極對數(shù)為200，很難實(shí)現(xiàn)，因此該方案必須使用升速齒輪箱，配高速異步電機(jī)（通常采用6極電機(jī)）。升速齒輪箱速比大，負(fù)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)，另外繞線式異步電機(jī)的電刷和滑環(huán)也會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性，增加維護(hù)工作量。
2.2 低速永磁同步發(fā)電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)（pmdd）
低速永磁同步發(fā)電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)主要由低速永磁同步發(fā)電機(jī)+全功率變頻器構(gòu)成，如圖2所示。abb發(fā)電機(jī)典型功率范圍為600～5000kw。
圖2 低速永磁同步發(fā)電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)圖
pmdd的特點(diǎn)是沒有升速齒輪箱，葉輪直接驅(qū)動(dòng)低速發(fā)電機(jī)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(hù)工作量。由于發(fā)電機(jī)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(jī)額定轉(zhuǎn)速可以降低，使電機(jī)極數(shù)減少至合理值。缺點(diǎn)是低速電機(jī)體積大，定子繞組絕緣等級要求高，變頻器要輸送發(fā)電機(jī)全功率，因此電機(jī)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(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將低速齒輪箱集成在永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，通常極數(shù)大于20，電機(jī)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(jī)典型功率范圍為1～5mw，結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 低速集成齒輪箱永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖
2.4 高速齒輪箱的永磁機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
該系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)與雙饋型基本相同，沒有了繞線式電機(jī)滑環(huán)所帶來的弊病，且發(fā)電機(jī)重量輕，發(fā)電效率高，通常電機(jī)的極數(shù)為6或8極，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般為1000～2000r/min，abb變頻器典型功率范圍為1～5mw，結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 高速永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖
3 abb風(fēng)力發(fā)電變頻器
abb傳動(dòng)公司目前主要有兩類產(chǎn)品應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，一類是應(yīng)用于雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的變頻產(chǎn)品acs800－67，一類是應(yīng)用于永磁同步電機(jī)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(fēng)力發(fā)電變頻器主要和帶有轉(zhuǎn)子繞組和滑環(huán)的感應(yīng)式發(fā)電機(jī)一起使用，連接于雙饋發(fā)電機(jī)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(shí)（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(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(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） 長壽命設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)，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(fēng)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(hù)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(shè)計(jì)
變頻器將輸入lcl濾波器、輸出濾波器du/dt以及進(jìn)線接觸器和直流熔斷器作為標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(jī)艙內(nèi)；
（4） 低電壓穿越能力
在電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子的電壓可控制高達(dá)750v，風(fēng)機(jī)的速度范圍更寬，轉(zhuǎn)子的電流更低；發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)可達(dá)到± 0.9，甚至更高，這完全取決于電機(jī)設(shè)計(jì)，變頻器對此不成為瓶頸；
在轉(zhuǎn)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(nèi)的任何一點(diǎn)切入切出。
即使在風(fēng)機(jī)靜止時(shí)，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(hù)功能
具有多重保護(hù)功能，例如過流、接地、風(fēng)機(jī)超速和失速等保護(hù)功能，提供對電機(jī)轉(zhuǎn)子和變頻器的完整保護(hù)。
4 應(yīng)用案例
四川樂山東風(fēng)電機(jī)廠采用acs800－67變頻器構(gòu)建雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺，風(fēng)力機(jī)采用直流電動(dòng)機(jī)模擬，即雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子靠直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。系統(tǒng)連接示意圖如圖5所示。
技術(shù)數(shù)據(jù)如下所示：
圖5 試驗(yàn)臺系統(tǒng)連接圖
（1） 發(fā)電機(jī)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(yùn)行
雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)投入電網(wǎng)前首先要進(jìn)行同步運(yùn)行，使發(fā)電機(jī)的定子電壓在幅值、頻率和相位上與電網(wǎng)電壓達(dá)到一致。同步運(yùn)行步驟及波形如參考文獻(xiàn)[1]所示。
4.2 發(fā)電運(yùn)行
圖6為發(fā)電機(jī)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(shí)，發(fā)電機(jī)定子u相磁通和電流以及轉(zhuǎn)子u相電流的波形圖。
圖6 發(fā)電機(jī)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(biāo)系下的y軸分量（stator iy[%]）。
由電機(jī)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(jī)三相繞組到兩相繞組的坐標(biāo)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(jī)內(nèi)部電磁理論與3/2坐標(biāo)變換的關(guān)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(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，且功率因數(shù)為1。
圖7為發(fā)電機(jī)工作于欠同步狀態(tài)時(shí)（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(shí)，發(fā)電機(jī)定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)電功率波形圖。
圖7 發(fā)電機(jī)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(jī)提供勵(lì)磁磁場，此時(shí)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(dòng)能轉(zhuǎn)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(jī)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(shí)，發(fā)電機(jī)定子u相磁通和電流以及轉(zhuǎn)子u相電流的波形圖。
圖8 發(fā)電機(jī)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(biāo)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(jī)內(nèi)部電磁理論與3/2坐標(biāo)變換的關(guān)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(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，且功率因數(shù)為1。
圖9為發(fā)電機(jī)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(shí)，發(fā)電機(jī)定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)電功率波形圖。
圖9 發(fā)電機(jī)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(shí)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(dòng)能轉(zhuǎn)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(dá)到發(fā)電機(jī)的額定發(fā)電功率。
圖10為發(fā)電機(jī)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(shí)（無功功率給定[即參數(shù)組24.01local react p ref]為52%），發(fā)電機(jī)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[%]）；
圖10 發(fā)電機(jī)定子u相磁通和電流以及轉(zhuǎn)子u相電流的波形圖
波形3為定子電流在x-y靜止坐標(biāo)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(shù)為0.91。因此，通過無功功率的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。
5 結(jié)束語
綜上所述，風(fēng)力發(fā)電作為21世紀(jì)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(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電變頻產(chǎn)品acs800－67已經(jīng)成功應(yīng)用于世界各地，在國內(nèi)得到了廣大客戶的普遍認(rèn)可，并運(yùn)行于國內(nèi)的各個(gè)風(fēng)場，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。
作者簡介
李時(shí)杰 男 博士，電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)，從事變頻器的研究、普及及推廣工作。
參考文獻(xiàn)
[1] 李時(shí)杰. abb變頻器在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用. 變頻器世界, 2008（3）