ABB變頻器在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用

　　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(yùn)行

　　發(fā)電運(yùn)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(jī)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(jī)型，一般使用同步電機(jī)或者鼠籠式異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，通過定槳距失速控制的風(fēng)輪機(jī)使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值，繼而使風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后定子磁場(chǎng)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(jī)或者永磁同步電機(jī)，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?cè)诤軐挼姆秶鷥?nèi)變化，保持最佳葉尖速比運(yùn)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(jī)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(jī)具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　目前流行的變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要兩種方案一種是升速齒輪箱＋繞線式異步電動(dòng)機(jī)＋雙饋電力電子變換器；另一種是無齒輪箱的直接驅(qū)動(dòng)低速永磁發(fā)電機(jī)＋全功率變頻器。兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)前者采用高速電機(jī)，體積小重量輕，雙饋?zhàn)兞髌鞯娜萘績H與電機(jī)的轉(zhuǎn)差容量相關(guān)，效率高、價(jià)格低廉，缺點(diǎn)是升速齒輪箱價(jià)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(jī)，體積大，造價(jià)高，變頻器需要全功率，成本提高。

　　除了上述兩個(gè)方案外，還引入了兩個(gè)折中方案，一個(gè)是低速集成齒輪箱的永磁同步電機(jī)＋全功率變頻器；一個(gè)是高速齒輪箱的永磁同步電機(jī)+全功率變頻器。根據(jù)美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL報(bào)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(jī)雙饋系統(tǒng)（DFIG）

　　高速異步發(fā)電機(jī)雙饋系統(tǒng)主要由升速齒輪箱＋繞線異步發(fā)電機(jī)＋雙饋?zhàn)冾l器構(gòu)成，ABB 發(fā)電機(jī)典型功率范圍為600~5 000 kW，如圖1所示。

　　DFIG的特點(diǎn)是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以在同步轉(zhuǎn)速上、下兩個(gè)方向變化。假設(shè)1.5 MW風(fēng)電機(jī)組的葉輪轉(zhuǎn)速變化范圍為10~20 r/min，通常令15 r/min對(duì)應(yīng)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，這樣轉(zhuǎn)速變化范圍為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的±1/3，相應(yīng)變頻器的功率只有電機(jī)功率的1/3。若想簡化機(jī)構(gòu)采用直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速也應(yīng)該為15 r/min，由于異步電機(jī)定子接在50 Hz 電網(wǎng)，則要求電機(jī)極對(duì)數(shù)為200，很難實(shí)現(xiàn)，因此該方案必須使用升速齒輪箱，配高速異步電機(jī)（通常采用6極電機(jī)）。升速齒輪箱速比大，負(fù)荷重，隨風(fēng)速變化波動(dòng)大且頻繁，造價(jià)高、易疲勞損壞是該方案的主要缺點(diǎn)，另外繞線式異步電機(jī)的電刷和滑環(huán)也會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性，增加維護(hù)工作量。