变速恒频双馈风力发电体系作业原理1 叶轮能量较大捕获原理
   风力机经过叶轮来捕获活动的风能，风的能量转化为叶轮旋转的动能，齿轮箱再把这种机械能传输到发电机，由发电机经过内部的电磁联系将机械能变为电能输出。图5为在不一样风速下，叶轮转速与风力机输出功率的联系图。由图可知，对应于每个风速的曲线，都有一个较大输出功率点，风速越高，输出功率越高，相应的叶轮转速也越高。因而，假如能随风速改动改动叶轮转速，使得风力机在一切风速下都作业于较大功率输出点，则宣布电能较多，不然发电效能将下降。
   改动到v3，风力机转速因为惯性坚持不变，此刻风力机输出机械功率到达P2点，大于双馈发电机的发电功率，此刻，风力机输入力矩大于双馈发电机的输出力矩，风力机转速添加，沿对应于风速v3的曲线向P3移动，当到达该点后，双馈发电机依据较大功率曲线给出相应的转矩给定值，并与风力机输入力矩相平衡，此刻体系便安稳作业于P3点，输出对应于v3风速下的较大功率P3。ABB变频器服务

2 双馈发电机的变速恒频操控原理
  依据感应电机定转子绕组电流发作的旋转磁场相对停止的原理，能够得出变速恒频风力发电机转速与定转子绕组电流频率联系的数学表达式
p 为电机的极对数；
n为风力发电机的转子转速；
f2为转子电流频率。
  当风力发电机转速发作改动时，经过转子侧变频调速设备调理转子电流频率f2，确保f1安稳不变，完结风力发电机的变速恒频操控。
  当风力发电机处于亚同步速运转时，即n < n1（同步转速），f2取正号，转子侧变频器从电网汲取功率Pr（转子功率），为发电机转子供给频率为f2的正向励磁电流，确保定子绕组发作与电网同频同幅的电压矢量，从而将风力机捕获的机械能Pmec转化为电能，此刻定子输出的功率为Ps=Pmec - Pr。
  当风力发电机处于超同步速运转时，即n > n1（同步转速），f2取负号，转子侧变频器将吸收的机械能反应回电网Pr，为发电机转子供给频率为f2的负向励磁电流，确保定子绕组发作与电网同频同幅的电压矢量，一起将风力机捕获的机械能Pmec转化为电能，此刻定子输出的电能为Ps=Pmec＋Pr。因而，转子侧变频器应具有以下特色：
1）具有四象限作业才能，完结能量的双向活动，并且变频器功率仅为发电机的转差功率，这有利于削减变频器体积，下降体系本钱和投资；
2）运用转子侧励磁电流操控定子侧的无功功率，运用转子侧电磁转矩电流操控定子侧的有功功率，完结定子侧有功功率和无功功率的独立调理；
3）网侧变流器能够完结单位功率因数的正弦波操控。
依据以上特色，交- 直- 交双PWM电压型变频器变成变速恒频双馈风力发电体系首选的计划之一。
3 ABB风力发电变频器
  ABB传动公司现在主要有两类商品使用于风力发电体系，一类是使用于双馈发电机体系的变频商品ACS800－67，一类是使用于永磁同步电机且无齿轮箱（直驱体系）的变频商品ACS800－77，这里主要介绍ACS800－67。
3.1 操控原理
 ACS800－67 风力发电变频器主要和带有转子绕组和滑环的感应式发电机一起运用，衔接于双馈发电机转子和电网之间，电路图如图6所示。该变频器既能够安装在塔基处也能够安装于发电机舱内。
 变频器作业原理与上节所述共同，当风速改动时，ACS800－67 经过内部操控疾速添加或下降转子磁场的旋转速度，确保发电机取得较优滑差，到达取得较大发电量的意图。该传动单元也能够完结在将定子输出接入电网之前使定子输出电压和电网电压同步的意图。在脱离电网时，传动单元经过将转矩给定调整为零，使定子电流削减至零，以便将发电机从电网脱离。
  网侧变流器是一个依据IGBT模块的变流器，将输入的三相交流电整流为所需的直流电，为转子侧逆变器供电。网侧变流器操控目标为直流母线电压和网侧无功功率，经过检查网侧两相电流和直流母线电压，选用直接转矩的操控办法，完结直流母线电压泵升且安稳以及网侧功率因数可控（一般设置为1）的意图。一起也能够完结功率的双向活动以及下降网侧电流谐波含量的意图。
转子侧变流器包含一个或两个依据IGBT 的逆变器模块，将直流电逆变为发作转子磁场所需频率和幅值的三相交流电，向转子绕组供电。转子侧变流器操控目标为转矩和无功功率，经过对转矩的操控完结对发电机有功功率的操控，经过  对无功功率的操控完结对发电机转子磁场的树立，完结对发电机无功功率的操控。
3.2 变频器选型
  如前所述，双馈风力发电体系的变频器因为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，因而，变频器容量的挑选与风力发电机的调速规模密切相关。一般风力发电机的调速规模为额外转速的70％~130％，转差率为±30％，所以变频器的额外容量可选为发电机额外容量的1/3。表1为ACS800－67的选型表。
  假定发电机额外电压为690 V，额外功率为2 MW，额外转速为1 500 r/min，调速规模为±30％，即发电机转速作业规模为1 000 ~2 000 r/min，因而，变频器的功率可选为2 MW ×30％＝0.6 MW，依据选型表可得转子侧变流器型号为ACS800－104－0770－7；而整流侧变流器因为操控的网侧功率因数为1，只流过有功电流，故容量相对较小，型号为ACS800－104－0580－7。
3.3 技能特色
ACS800－67具有以下技能特色。
1）长寿命规划变频器内部器件选型和体系装备均按照20年运用年限规划，特别是直流母线电容选用胶片电容代替原有的电解电容，寿命更长、耐低温特性杰出。冷却电扇具有调速功用，可延长其运用寿命。
2）适用于恶劣的运用环境变频柜内和模块内部均内置加热器，且装备有温度和湿度传感器，对立低温文高湿环境。一切线路板均带有防腐涂层，柜体防护等级为IP54，确保了变频器恶劣环境下的牢靠作业。
3）高端装备、紧凑型规划变频器将输入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规范装备，通讯适配器和以太网适配器作为选装装备。紧凑型的规划理念使得其在同等功率的变频器中体积较小，适用于放在发电机舱内。
4）低电压穿越才能在电网发作严峻故障期间，比如短路或刹那间掉电，可经过运用有源或无源Crowbar 硬件，供给对电网的支撑，确保电机仍然在网。
5）优秀的可控性因为整流单元选用IGBT 可控整流，直流母线电压得到泵升，因而电机转子的电压可操控高达750 V，风机的速度规模更宽，转子的电流更低。发电机的功率因数可到达±0.9，乃至更高，这彻底取决于电机规划，变频器对此不变成瓶颈。在转子电压接近于0 V 时，变频器也彻底可控。能够在速度规模内的任何一点切入切出。即便在风机停止时，也能够经过整流单元宣布无功功率对电网供给支撑。
6）完善的维护功用具有多重维护功用，例如过流、接地、风机超速和失速等维护功用，供给对电机转子和变频器的完好维护。
4 使用事例
ACS800－67 变频器构建双馈风力发电机的实验平台，风力机选用直流电动机模仿，即双馈发电机转子靠直流电动机拖动。体系衔接示意图如图7所示。技能数据如下。
1）发电机定子额外电压690 V，定子额外电流1500A，额外频率50 Hz，额外功率1 345kW，额外转速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，调速规模±30％。
4.1 同步运转
双馈风力发电体系投入电网前首先要进行同步运转，即便发电机的定子电压在幅值、频率和相位上与电网电压到达共同。典型的同步运转步骤如下：
1）将发电机转子拖动到设定的正常作业规模内，即同步转速的70％~130％，发动变频器；
2）开关S1闭合，网侧变流器发动为转子侧变流器树立直流电压，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）转子侧此刻作业于同步形式，转子侧变流器经过磁化转子绕组，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，同步运转进程完结。此后变频器切换到转矩操控形式，承受给定的转矩和无功功率指令，预备开端发电。
图8为同步运转时记载的曲线图。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，变频器投入运转。开关S1闭合后，网侧变流器发动树立直流母线电压（如曲线2 所示），当直流母线电压树立完结并安稳后，转子侧逆变器投入运转，为转子绕组供给三相励磁电流，发作旋转的磁场，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、频率和相位彻底共同后，同步进程完结，能够随时闭合开关S2，将发电机并入电网。曲线5和6分别为同步进程中的定转子电流。
所示为电网U 相电压与定子U 相电压在同步进程中的改动曲线。由图可知，当变频器投入运转后，定子U 相电压敏捷树立，并与电网U 相电压在相位、幅值上彻底共同，到达同步的请求。
发电运转