ABB 變頻器在風力發電行業的應用

目前流行的變速變槳風力發電機組的動力驅動系統主要有兩種方案：一種是升速齒輪箱、繞
線式異步電動機和雙饋電力電子變換器的組合；另一種是無齒輪箱的直接驅動低速永磁發電
機和全功率變頻器的組合。

能源和環境是人類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
展的必然，目前已經受到了各國政府的極大重視，一些相應的技術也在蓬勃發展之中。風力
發電技術是目前可再生能源利用中技術*成熟的且*具商業化發展前景的利用方式，風力發
電將成為 21 世紀*具規模開發前景的新能源之一。

目前流行的變速變槳風力發電機組的動力驅動系統主要有兩種方案：一種是升速齒輪箱、繞
線式異步電動機和雙饋電力電子變換器的組合；另一種是無齒輪箱的直接驅動低速永磁發電
機和全功率變頻器的組合。

除了上述兩個方案外，還引入了兩種折中方案，一個是低速集成齒輪箱的永磁同步電機加全
功率變頻器；一個是帶高速齒輪箱的永磁同步電機加全功率變頻器。根據美國國家可再生能
源實驗室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。

變速恒頻雙饋風力發電系統的工作原理

根據感應電機定轉子繞組電流產生的旋轉磁場相對靜止的原理，可以得出變速恒頻風力發電
機轉速與定轉子繞組電流頻率關系的數學表達式

式中，f1 為定子電流頻率，由于定子與電網相連，所以 f1 與電網頻率相同；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。

當風力發電機的轉速發生變化時，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制。

當風力發電機處于亞同步速運行時，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。

當風力發電機處于超同步速運行時，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。

ABB 風力發電變頻器

ABB 傳動公司目前主要有兩類產品應用于風力發電系統，一類是應用于雙饋發電機系統的
變頻產品 ACS800-67，一類是應用于永磁同步電機且無齒輪箱（直驅系統）的變頻產品
ACS800-77，這里主要介紹變頻產品 ACS800-67。

1.控制原理

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，連接于雙
饋發電機轉子和電網之間。

變頻器工作原理與上節所述一致，當風速變化時，ACS800-67 通過內部控制快速增加或降低
轉子磁場的旋轉速度，保證發電機獲得*優滑差，達到獲得*大發電量的目的。該傳動單元
也可以完成在將定子輸出接入電網之前使定子輸出電壓和電網電壓同步的目的。在脫離電網
時，傳動單元通過將轉矩給定調整為零，使定子電流減少至零，以便將發電機從電網脫離。
 

ABB變頻器在風力發電行業的應用

網側變流器是一個基于 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
轉子側逆變器供電。網側變流器控制對象為直流母線電壓和網側無功功率，通過檢測網側兩
相電流和直流母線電壓，采用直接轉矩的控制方法，實現直流母線電壓泵升且恒定以及網側
功率因數可控的目的。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于 IGBT 的逆變器模塊，將直流電逆變為產生轉子磁場所需
頻率和幅值的三相交流電，向轉子繞組供電。轉子側變流器控制對象為轉矩和無功功率，通
過對轉矩的控制實現對發電機發電有功功率的控制，通過對無功功率的控制完成對發電機轉
子磁場的建立，實現對發電機無功功率的控制。

2.技術特點 ABB變頻器在風力發電行業的應用

ACS800-67 還具有以下技術特點。

（1）長壽命設計。變頻器內部器件選型和系統配置均按照 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、耐低溫特性良好。冷卻風扇具有調
速功能，可延長其使用壽命。

（2）適用于惡劣的使用環境。變頻柜內和模塊內部均內置加熱器，且配置有溫度和濕度傳
感器，對抗低溫和高濕環境。所有線路板均帶有防腐涂層，柜體防護等級為 IP54，保證了
變頻器惡劣環境下的可靠工作。

（3）**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*小，適用于放在發電機艙內。

（4）低電壓穿越能力。在電網發生嚴重故障期間，比如短路或瞬間掉電，可通過使用有源
或無源 Crowbar 硬件，提供對電網的支持，保證電機依然在網。

（5）優良的可控性。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
機轉子的電壓可控制高達 750V，風機的速度范圍更寬，轉子的電流更低。發電機的功率因
數可達到±0.9，甚至更高，這完全取決于電機設計，變頻器對此不成為瓶頸。在轉子電壓接
近于 0V 時，變頻器也完全可控，且可以在速度范圍內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出無功功率對電網提供支持。

（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，
提供對電機轉子和變頻器的完整保護。

應用案例   ABB變頻器在風力發電行業的應用

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臺，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。系統各部分的技術數據如下所示：

發電機：定子額定電壓 690V；定子額定電流 1500A；額定頻率 50HZ；額定功率 1345KW；
額定轉速 1513rpm；同步轉速 1500rpm；功率因數 0.9；轉子開路電壓 1990V；轉子電流 550A；

變頻器：ACS800-67-0480／0770-7；調速范圍±30％。

1.同步運行   ABB變頻器在風力發電行業的應用

雙饋風力發電系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：

（1）將發電機轉子拖動到設定的正常工作范圍內，即同步轉速的 70％-130％，啟動變頻器；

（2）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；

（3）轉子側變流器測量電網電壓 Ugrid 和定子電壓 Us；

（4）轉子側此時工作于同步模式，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；

（5）當定子電壓與電網電壓同步后，開關 S2 閉合，同步運行過程完成。此后變頻器切換
到轉矩控制模式，接受給定的轉矩和無功功率指令，準備開始發電。