中心論題：
- 四種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)簡介
- 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理
- ABB風(fēng)力發(fā)電變頻器
- 應(yīng)用案例
解決方案：
- 同步運行
- 發(fā)電運行
能源和環(huán)境是人類所面臨的兩大問題，以清潔、可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)將成為未來發(fā)展的方向，目前已經(jīng)受到了各國政府的極大重視，一些相應(yīng)的技術(shù)也在蓬勃發(fā)展之中。風(fēng)力發(fā)電是目前可再生能源利用中技術(shù)最成熟的、最具商業(yè)化發(fā)展前景的能源利用方式，風(fēng)力發(fā)電將成為21 世紀(jì)最具開發(fā)前景的新能源之一。
現(xiàn)在，世界上大中型風(fēng)力發(fā)電機組主要有兩種型式。一類是定槳距失速調(diào)節(jié)型，屬于恒速機型，一般使用同步電機或者鼠籠式異步電機作為發(fā)電機，通過定槳距失速控制的風(fēng)輪機使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值，繼而使風(fēng)電機組并網(wǎng)后定子磁場旋轉(zhuǎn)頻率等于電網(wǎng)頻率，轉(zhuǎn)子、葉輪的變化范圍小，捕獲風(fēng)能的效率低。另一類是變速變距型，一般采用雙饋電機或者永磁同步電機，通過調(diào)速器和變槳距控制相結(jié)合的方法使葉輪轉(zhuǎn)速可以跟隨風(fēng)速的改變在很寬的范圍內(nèi)變化，保持最佳葉尖速比運行，從而使Cp（風(fēng)能利用系數(shù)）在很大的風(fēng)速變化范圍內(nèi)均能保持最大值，能量捕獲效率最大。發(fā)電機發(fā)出的電能通過變流器調(diào)節(jié)，變成與電網(wǎng)同頻、同相、同幅的電能輸送到電網(wǎng)。相比之下，變速型風(fēng)力發(fā)電機具有不可比擬的優(yōu)勢。
目前流行的變速變槳風(fēng)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；另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。兩種方案各有優(yōu)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(zhuǎn)差容量相關(guān)，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；后者無齒輪箱，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(jù)美國國家可再生能源實驗室NREL報告的量化比較數(shù)據(jù)分析，這兩種折中方案也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
四種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)簡介
a.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(gòu)成，ABB 發(fā)電機典型功率范圍為600~5 000 kW，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(shè)1.5 MW風(fēng)電機組的葉輪轉(zhuǎn)速變化范圍為10~20 r/min，通常令15 r/min對應(yīng)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(yīng)變頻器的功率只有電機功率的1/3。若想簡化機構(gòu)采用直接驅(qū)動，電機額定轉(zhuǎn)速也應(yīng)該為15 r/min，由于異步電機定子接在50 Hz 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(fù)荷重，隨風(fēng)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。
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(fù)荷重，隨風(fēng)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。
b.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(gòu)成，如圖2所示。ABB發(fā)電機典型功率范圍為600~5 000 kW。
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。
c.集成低速齒輪箱的永磁機風(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1~5 MW，結(jié)構(gòu)如圖3所示。
d.高速齒輪箱的永磁機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
該系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)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1 000~2 000 r/min，ABB變頻器典型功率范圍為1~5 MW，結(jié)構(gòu)如圖4所示。
變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理
a.葉輪能量最大捕獲原理
風(fēng)力機通過葉輪來捕獲流動的風(fēng)能，風(fēng)的能量轉(zhuǎn)化為葉輪旋轉(zhuǎn)的動能，齒輪箱再把這種機械能傳輸?shù)桨l(fā)電機，由發(fā)電機通過內(nèi)部的電磁關(guān)系將機械能變?yōu)殡娔茌敵?。圖5為在不同風(fēng)速下，葉輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)力機輸出功率的關(guān)系圖。由圖可知，對應(yīng)于每個風(fēng)速的曲線，都有一個最大輸出功率點，風(fēng)速越高，輸出功率越高，相應(yīng)的葉輪轉(zhuǎn)速也越高。因此，如果能隨風(fēng)速變化改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速，使得風(fēng)力機在所有風(fēng)速下都工作于最大功率輸出點，則發(fā)出電能最多，否則發(fā)電效能將降低。
雙饋發(fā)電機的最大風(fēng)能捕獲控制就是通過預(yù)先制定的風(fēng)速對應(yīng)的最大功率曲線，控制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，使其跟隨風(fēng)速的變化而相應(yīng)變化，保證風(fēng)力機的葉尖速比恒定，達到最大功率輸出。假設(shè)在風(fēng)速v2下，系統(tǒng)最初工作P1點，如果風(fēng)速階躍變化到v3，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速由于慣性保持不變，此時風(fēng)力機輸出機械功率達到P2點，大于雙饋發(fā)電機的發(fā)電功率，此時，風(fēng)力機輸入力矩大于雙饋發(fā)電機的輸出力矩，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速增加，沿對應(yīng)于風(fēng)速v3的曲線向P3移動，當(dāng)達到該點后，雙饋發(fā)電機根據(jù)最大功率曲線給出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩給定值，并與風(fēng)力機輸入力矩相平衡，此時系統(tǒng)便穩(wěn)定工作于P3點，輸出對應(yīng)于v3風(fēng)速下的最大功率P3。
b.雙饋發(fā)電機的變速恒頻控制原理
根據(jù)感應(yīng)電機定轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對靜止的原理，可以得出變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速與定轉(zhuǎn)子繞組電流頻率關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式
p為電機的極對數(shù)；n為風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f2為轉(zhuǎn)子電流頻率。
當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，通過轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速裝置調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率f2，保證f1恒定不變，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機的變速恒頻控制。
當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機處于亞同步速運行時，即n < n1（同步轉(zhuǎn)速），f2取正號，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器從電網(wǎng)吸取功率Pr（轉(zhuǎn)子功率），為發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供頻率為f2的正向勵磁電流，保證定子繞組產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻同幅的電壓矢量，從而將風(fēng)力機捕獲的機械能Pmec轉(zhuǎn)化為電能，此時定子輸出的功率為Ps=Pmec - Pr。
當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機處于超同步速運行時，即n > n1（同步轉(zhuǎn)速），f2取負(fù)號，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器將吸收的機械能反饋回電網(wǎng)Pr，為發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供頻率為f2的負(fù)向勵磁電流，保證定子繞組產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻同幅的電壓矢量，同時將風(fēng)力機捕獲的機械能Pmec轉(zhuǎn)化為電能，此時定子輸出的電能為Ps=Pmec＋Pr。因此，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器應(yīng)具有以下特點：具有四象限工作能力，實現(xiàn)能量的雙向流動，而且變頻器功率僅為發(fā)電機的轉(zhuǎn)差功率，這有利于減少變頻器體積，降低系統(tǒng)成本和投資；利用轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁電流控制定子側(cè)的無功功率，利用轉(zhuǎn)子側(cè)電磁轉(zhuǎn)矩電流控制定子側(cè)的有功功率，實現(xiàn)定子側(cè)有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)；網(wǎng)側(cè)變流器能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)的正弦波控制。
根據(jù)以上特點，交- 直- 交雙PWM電壓型變頻器成為變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)首選的方案之一。
ABB風(fēng)力發(fā)電變頻器
ABB傳動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)電機系統(tǒng)的變頻產(chǎn)品ACS800－67，一類是應(yīng)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ACS800－67。
a.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，電路圖如圖6所示。該變頻器既可以安裝在塔基處也可以安裝于發(fā)電機艙內(nèi)。
變頻器工作原理與上節(jié)所述一致，當(dāng)風(fēng)速變化時，ACS800－67 通過內(nèi)部控制快速增加或降低轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，保證發(fā)電機獲得最優(yōu)滑差，達到獲得最大發(fā)電量的目的。該傳動單元也可以完成在將定子輸出接入電網(wǎng)之前使定子輸出電壓和電網(wǎng)電壓同步的目的。在脫離電網(wǎng)時，傳動單元通過將轉(zhuǎn)矩給定調(diào)整為零，使定子電流減少至零，以便將發(fā)電機從電網(wǎng)脫離。
網(wǎng)側(cè)變流器是一個基于IGBT模塊的變流器，將輸入的三相交流電整流為所需的直流電，為轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器供電。網(wǎng)側(cè)變流器控制對象為直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)無功功率，通過檢測網(wǎng)側(cè)兩相電流和直流母線電壓，采用直接轉(zhuǎn)矩的控制方法，實現(xiàn)直流母線電壓泵升且恒定以及網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控（一般設(shè)置為1）的目的。同時也可以實現(xiàn)功率的雙向流動以及降低網(wǎng)側(cè)電流諧波含量的目的。
轉(zhuǎn)子側(cè)變流器包含一個或兩個基于IGBT 的逆變器模塊，將直流電逆變?yōu)楫a(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場所需頻率和幅值的三相交流電，向轉(zhuǎn)子繞組供電。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制對象為轉(zhuǎn)矩和無功功率，通過對轉(zhuǎn)矩的控制實現(xiàn)對發(fā)電機有功功率的控制，通過對無功功率的控制完成對發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場的建立，實現(xiàn)對發(fā)電機無功功率的控制。
b.變頻器選型
如前所述，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變頻器由于接在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)，所以變頻器容量可小于發(fā)電機的容量，僅為發(fā)電機的轉(zhuǎn)差功率，因此，變頻器容量的選擇與風(fēng)力發(fā)電機的調(diào)速范圍密切相關(guān)。一般風(fēng)力發(fā)電機的調(diào)速范圍為額定轉(zhuǎn)速的70％~130％，轉(zhuǎn)差率為±30％，所以變頻器的額定容量可選為發(fā)電機額定容量的1/3。表1為ACS800－67的選型表。
假設(shè)發(fā)電機額定電壓為690 V，額定功率為2 MW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，調(diào)速范圍為±30％，即發(fā)電機轉(zhuǎn)速工作范圍為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(jù)選型表可得轉(zhuǎn)子側(cè)變流器型號為ACS800－104－0770－7；而整流側(cè)變流器由于控制的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1，只流過有功電流，故容量相對較小，型號為ACS800－104－0580－7。
c.技術(shù)特點
ACS800－67具有以下技術(shù)特點:長壽命設(shè)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(shè)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(fēng)扇具有調(diào)速功能，可延長其使用壽命。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。高端配置、緊湊型設(shè)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(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)。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，保證電機依然在網(wǎng)。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750 V，風(fēng)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(shè)計，變頻器對此不成為瓶頸。在轉(zhuǎn)子電壓接近于0 V 時，變頻器也完全可控?？梢栽谒俣确秶鷥?nèi)的任何一點切入切出。即使在風(fēng)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。完善的保護功能具有多重保護功能，例如過流、接地、風(fēng)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。
應(yīng)用案例
上海南洋電機廠采用ACS800－67 變頻器構(gòu)建雙饋風(fēng)力發(fā)電機的實驗平臺，風(fēng)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7所示。技術(shù)數(shù)據(jù)如下:發(fā)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(zhuǎn)速1 513 r/min，同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min，功率因數(shù)0.9，轉(zhuǎn)子開路電壓1990V，轉(zhuǎn)子電流550A;變頻器型號ACS800－67－0480／0770－7，調(diào)速范圍±30％。
a.同步運行
雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)投入電網(wǎng)前首先要進行同步運行，即使發(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。典型的同步運行步驟如下：將發(fā)電機轉(zhuǎn)子拖動到設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，即同步轉(zhuǎn)速的70％~130％，啟動變頻器；開關(guān)S1閉合，網(wǎng)側(cè)變流器啟動為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器建立直流電壓，開關(guān)S2仍然斷開；轉(zhuǎn)子側(cè)變流器測量電網(wǎng)電壓Ugrid（開關(guān)S2的輸入側(cè)）和定子電壓Us；轉(zhuǎn)子側(cè)此時工作于同步模式，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器通過磁化轉(zhuǎn)子繞組，感應(yīng)出與電網(wǎng)電壓同步的定子電壓；當(dāng)定子電壓與電網(wǎng)電壓同步后，開關(guān)S2閉合，同步運行過程完成。此后變頻器切換到轉(zhuǎn)矩控制模式，接受給定的轉(zhuǎn)矩和無功功率指令，準(zhǔn)備開始發(fā)電。
圖8為同步運行時記錄的曲線圖。圖8（a）為發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速被直流電動機拖動到1 300 r/min（如曲線1所示）后，變頻器投入運行。開關(guān)S1閉合后，網(wǎng)側(cè)變流器啟動建立直流母線電壓（如曲線2 所示），當(dāng)直流母線電壓建立完成并穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器投入運行，為轉(zhuǎn)子繞組提供三相勵磁電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，并在定子繞組上感生電壓（如曲線4 所示），當(dāng)定子繞組上的感應(yīng)電壓與電網(wǎng)電壓（如曲線3 所示）在幅值、頻率和相位完全一致后，同步過程完成，可以隨時閉合開關(guān)S2，將發(fā)電機并入電網(wǎng)。曲線5和6分別為同步過程中的定轉(zhuǎn)子電流。
圖8（b）所示為電網(wǎng)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(dāng)變頻器投入運行后，定子U 相電壓迅速建立，并與電網(wǎng)U 相電壓在相位、幅值上完全一致，達到同步的要求。
b.發(fā)電運行
圖9 為發(fā)電機處于超同步運行（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 513 r/min），給定轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的85％，無功功率給定為零時，電網(wǎng)線電壓、相電流的波形圖。理論分析可知，當(dāng)發(fā)電機處于超同步運行狀態(tài)，發(fā)電機的定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)應(yīng)同時向電網(wǎng)輸出電能，網(wǎng)側(cè)相電流為定子與轉(zhuǎn)子的電流之和。通常網(wǎng)側(cè)變流器的無功功率給定設(shè)置為零，所以定子與轉(zhuǎn)子電流的相位相同，都與電網(wǎng)電壓反相。實際上，由圖可知，電網(wǎng)相電壓與定子電流相位相差180°，完全反相，發(fā)電機處于發(fā)電狀態(tài)，向電網(wǎng)輸出電能，功率因數(shù)為－1。
結(jié)語
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ACS800－67／77 代表了當(dāng)今風(fēng)電的兩大主流方向，已經(jīng)成功應(yīng)用于世界各地，對風(fēng)電技術(shù)的全球發(fā)展起到了積極的推動作用。
