ABB变频器在风力发电行业的应用

    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690 V，额定功率为2 MW，额定转速为1 500 r/min，调速范围为±30％，即发电机转速工作范围为1 000 ~2 000 r/min，因此，变频器的功率可选为2 MW ×30％＝0.6 MW，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750 V，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0 V 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690 V，定子额定电流1500A，额定频率50 Hz，额定功率1 345kW，额定转速1 513 r/min，同步转速1 500 r/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。
 图8为同步运行时记录的曲线图。图8（a）为发电机转子转速被直流电动机拖动到1 300 r/min（如曲线1所示）后，变频器投入运行。开关S1闭合后，网侧变流器启动建立直流母线电压（如曲线2 所示），当直流母线电压建立完成并稳定后，转子侧逆变器投入运行，为转子绕组提供三相励磁电流，产生旋转的磁场，并在定子绕组上感生电压（如曲线4 所示），当定子绕组上的感应电压与电网电压（如曲线3 所示）在幅值、频率和相位完全一致后，同步过程完成，可以随时闭合开关S2，将发电机并入电网。曲线5和6分别为同步过程中的定转子电流。
图8（b）所示为电网U 相电压与定子U 相电压在同步过程中的变化曲线。由图可知，当变频器投入运行后，定子U 相电压迅速建立，并与电网U 相电压在相位、幅值上完全一致，达到同步的要求。

4.2 发电运行
图9 为发电机处于超同步运行（转子转速为1 513 r/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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