当风力发电机处于超同步速运行时，即n > n1，f2取负号，转子侧变频器将吸收的机械能反馈回电网Pr，为发电机转子提供频率为f2的负向励磁电流，保证定子绕组产生与电网同频同幅的电压矢量，同时将风力机捕获的机械能Pmec转化为电能，此时定子输出的电能为Ps=Pmec＋Pr。因此，转子侧变频器应具有以下特点：

1）ABB变频器具有四象限工作能力，实现能量的双向流动，而且变频器功率仅为发电机的转差功率，这有利于减少变频器体积，降低系统成本和投资；

2）利用转子侧励磁电流控制定子侧的无功功率，利用转子侧电磁转矩电流控制定子侧的有功功率，实现定子侧有功功率和无功功率的独立调节；

3）网侧变流器能够实现单位功率因数的正弦波控制。

根据以上特点，交- 直- 交双PWM电压型变频器成为变速恒频双馈风力发电系统***的方案之一。

3 ABB风力发电变频器

ABB传动公司目前主要有两类产品应用于风力发电系统，一类是应用于双馈发电机系统的变频产品ACS800－67，一类是应用于永磁同步电机且无齿轮箱的变频产品ACS800－77，这里主要介绍ACS800－67。

3.1 控制原理

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使用，连接于双馈发电机转子和电网之间，电路图如图6所示。该变频器既可以安装在塔基处也可以安装于发电机舱内。

变频器工作原理与上节所述一致，当风速变化时，ACS800－67 通过内部控制快速增加或降低转子磁场的旋转速度，保证发电机获得优滑差，达到获得发电量的目的。该传动单元也可以完成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目的。在脱离电网时，传动单元通过将转矩给定调整为零，使定子电流减少至零，以便将发电机从电网脱离。

网侧变流器是一个基于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。网侧变流器控制对象为直流母线电压和网侧无功功率，通过检测网侧两相电流和直流母线电压，采用直接转矩的控制方法，实现直流母线电压泵升且恒定以及网侧功率因数可控的目的。同时也可以实现功率的双向流动以及降低网侧电流谐波含量的目的。

转子侧变流器包含一个或两个基于IGBT 的逆变器模块，将直流电逆变为产生转子磁场所需频率和幅值的三相交流电，向转子绕组供电。转子侧变流器控制对象为转矩和无功功率，通过对转矩的控制实现对发电机有功功率的控制，通过对无功功率的控制完成对发电机转子磁场的建立，实现对发电机无功功率的控制。

3.2 变频器选型

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*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％。

2019-05-07 本文摘自网络