2024年3月20日发(作者：申屠俊健)
基于Vestas-V52风机变频器的解析
摘要:近年来，风电已成为商业化的产业，有能力成为主流电源之一。风机
的研发已经成为风力发电的关键技术，而作为风力发电的核心技术之一的风机变
频技术的研究更是关键。风力发电变频器（VCS）主要有整流（交流变直流），
D-C连线、滤波、逆变（直流变交流）、驱动单元、检测单元、控制单元、过压
保护单元等组成。
关键词：变频器（VCS）整流 D-C连线 滤波 逆变
Based on Vestas-V52 fan of frequency converter
Liuyang—guang
（Datang Renewable Test and Research Institute,Beijing 100068,China）
Abstract：In recent years, wind power has become commercialized industry, have
the ability to become one of mainstream power. Fan development has become the key
technology of wind power, and as one of the core of wind power technology of
frequency conversion technology research is fan is key. Wind power converter (VCS)
mainly rectifier (ac variable dc), D - C attachment, filtering, inverter (dc variable
exchange), drive unit, testing unit, control unit, over-voltage protection unit etc.
Keywords: converter (VCS) rectifier D - C attachment filtering inverter
0引言
近些年，我国越来越重视对可再生能源的开发和利用，特别是对交流励磁变
速恒频风力发电技术的重视，而变频技术又是其中的关键技术。目前变频装置需
要整流、逆变环节获得频率、相位、幅值和相序可调的三相电源激励，由于常规
整流、逆变环节采用二极管不控整流电路或者晶闸管相控整流、逆变电路，容易
产生大量谐波，并且可对电网造成非常严重的“污染”。所以，常规的技术已经不
能满足风力发电的需求，为了抑制“污染”，可以实现单位功率因数和低谐波含量
的整流以及SPWM逆变技术就越来越受到广大的关注。本文将针对Vestas—V52
风机变频器整个系统进行分析。
1 VCS变频器
1.1 VCS系统简介
通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压和频率可变的装置称
作“变频器”。
变频器的主电路大体上可分为两类:电压型变频器和电流型变频器；电压型
变频器是将电压源的直流变换为交流，直流回路的滤波是电容；电流型变频器是
将电流源的直流变换为交流，其直流回路滤波是电感。Vestas变频器是电压型变
频器，设计电压是480V，通过安装在VMP上的空开连接在690V的电网上，自
动变压器T550将电压从690V变为480V。变频器可在四个象限工作，故其可在
电网侧（电网变频器）和转子侧（转子变频器）提供任意方向和频率的电流，所
有在VCS上安装的元件和接触器均可在Vestas变频处理器VCP CT294的帮助下
被控制。
当变频器开始工作，D—C连线首先通过接触器K537和电阻R560对其充电，
如果电压达到90%（720V）最终值，K536A和K536B连接，K537断开连接。
在K536A连接后，V520导通，DC连线的电压调整为800VDC。V520和V524-V526
是高度集成的功率模块，这些模块被称为SKiiPPACK，包含IGBT、驱动器和温
度，电流、D—C连线电压测量，SKiiPPACK将AC交流电流变为DC直流电流，
逆变时将直流变为频率、电压、电流可变的交流电，送给转子进行励磁。VCS
主要部件如图
1—1
图1—1
转子侧电流的频率和大小可自由设置，可以在发电机输出端上选择想要的
（相位角），因此不需要用电容器进行相位补偿，过度补偿时，风机转子电流增
大，欠补偿时，转子电流减小。上图中AGO2—Option模块是一个修正VCS的
模块，它可使风机提高抗电网干扰的能力，防止低压穿越，被广泛使用，它可以
减少主接触器的磨损。
2 双馈异步电机
双馈异步电机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生
的，在额定功率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，
严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制
变频器输出电压，使电机的磁通保持一定。
根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可以得出
VSCF（Variable Speed Constant Frequency，变速恒频）风力发电机运行时电机转
速与定、转子绕组电流频率关系的数学表达式：
式中：
—定子电流频率，由于定子与电网相连，所以f1 与电网频率相同；
—转子机械频率，决定于发电机转子的转速，即
= n / 60；
—风力发电机转速；
—电机的极对数；
—转子电流频率。
由上式可知，当发电机的转速变化时，若控制相应变化，可使保持恒定不变，
即与电网频率保持一致，实现风力发电机的VSCF 控制。同时，为发电机能够
正常并网运行，还应控制发电机的电压及相位与电网的一致。因此变速双馈发电
机的控制主要由三部分组成，即电压调节单元、相位调节单元和频率控制单元。
3 转子侧调速原理
图3—1
3.1双馈电机变速恒频发电运行方式可以分为三种：亚同步发电、同步发电、
超同步发电。
A、亚同步发电方式
图3—2
当风轮转速在同步速以下时，发电机不能提供额定的电力，变流器必须向转
子输入与转子旋转方向相同的转子电流，其频率为同步差速值，使转子的转速提
到稍高于同步转速。以保证定子输出电流的频率恒定在50Hz。亚同步调速恒频
发电，扩大了对低风速风能的吸收利用，提高了电力生产和风电设备利用率。
B、同步发电方式
图3—3
转子在同步转速附近时，变流器输出频率为零的直流电，此时电机按同步电
机方式工作。并且比同步电机更稳定。也可以像同步电机一样，通过欠励、过励
来调节有功和无功。（当励磁电流较大时，磁动势较高，定子电流滞后于端电压，
输出滞后的无功功率，这时称发电机运行与“过励”状态；逐步减小励磁电流，随
之减小，定子电流相应减小，cos=1时，定子电流最小，这称之为“正常励磁”；
在减小励磁电流，定子电流又开始变大，并超前电压U，发电机开始向电网输出
超前的无功功率即从电网吸收无功功率，这时称之为“欠励”状态。）
C、超同步发电方式
图3—4
双馈电机在风轮转速高于额定转速时，此种状态下其频率高出同步转速频率
差，>，改变通入转子绕组的频率为的电流相序，则其所产生的旋转磁场的转速 的
转向与转子的转向相反，变频器将输出反向的励磁电流，增大负载转矩，正转矩
使转子顺时针减速，转子要被馈入电能，致使转子速度下降至稍高于同步转速，
保证输出功率的频率恒定。
转子侧变流器此时转换成SPWM整流方式，将超同步部分功率经整流送至
电网侧变流器逆变为50Hz交流电，经滤波、隔离、升压后馈入电网。
3.2SPWM原理
Vestas变频器是利用SPWM控制，SPWM调制变频技术是PWM多脉冲可
变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制。其输出波形是与正弦波等效
的一系列矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。
图3—5
Vestas变频器是产生幅值和频率都可变的交流电，转子电流根据频率和幅度
自由设定，因此可以在输出端子上选择设定的相角（无功功率），不需要电容器
的相位补偿，转子电流可超过风机补偿或降低风机补偿。
3.3SKiiPPACK模块
SKiiPPACK模块包含转子侧 3 skiipacks, 每相一个，电网侧一个skiipack。
网侧整流模块在高频5KHZ时开断，转子侧模块在高频10KHZ时开断。
图3—6
A、网侧变频器
网侧变频为大功率六脉冲整流模块，6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，
有6个开关脉冲对六个可控硅分别控制，使六个可控硅交替打开，可使480VAC
整流成800VDC，对A —D母线充电，控制脉冲由CT294提供，电网侧三相开
关桥采用电网电压定向矢量控制
和空间电压矢量PWM控制方法。
图3—7
网侧的变频器在发电机达到1500转（额定转速）之前将网侧过来的480V
50HZ的交流电转变为直流电，并对A—D连线充电，在发电机达到1500转之后，
它将反向变换，将直流电转换为50HZ的交流电压，就是所谓转子发电。
B、转子侧变频为三相逆变电路
图3—8
转子侧的变频器在同步转速1500转以下的时候是将直流母排的电转化为补
偿电压发送到转子侧供转子励磁，当发电机转速达到1500转以上的时候，它会
将多发出来的电变成直流送到直流母排。为将发电机并入电网，转子将提前励磁；
发电机侧三相开关桥采用定子磁场定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方
法。
图3—9
双馈发电机可以在不同的风速状态下运行，其转速可以随风速的变化相应调
整，使风力机的运行始终处于最佳状态，提高了风能的利用率。
总结
本文章针对Vestas V52型风机变频系统作了基本的探讨，该变频器与市场其
它变频器原理基本相同，都是由整流、逆变环节组成，都是针对变速恒频发电机
提供功率补偿。该文章只是对变频系统进行了分析，但对整流、逆变环节对晶闸
管和可控硅的控制没有进行论述，还需要深入研究。
参考文献
1 苑国锋, 柴建云, 李永东. 变速恒频风力发电机组励磁变频器的研究. 中
国电机工程学报. 2005, 25(8): 90~94
2 叶杭冶. 风力发电机组的控制技术.第二版.机械工程出版社,2005.9.19
3 黄俊.半导体变流技术.北京.机械工业出版社,1986
4 苑国锋，伍小杰，柴建云等.双馈异步发电机矢量控制及并网研究.21世纪
太阳能新技术.上海：交通大学出版社,2003
姓名：刘洋广 1985 男 本科 主要从事风电设备检修管理工作.
2024年3月20日发(作者：申屠俊健)
基于Vestas-V52风机变频器的解析
摘要:近年来，风电已成为商业化的产业，有能力成为主流电源之一。风机
的研发已经成为风力发电的关键技术，而作为风力发电的核心技术之一的风机变
频技术的研究更是关键。风力发电变频器（VCS）主要有整流（交流变直流），
D-C连线、滤波、逆变（直流变交流）、驱动单元、检测单元、控制单元、过压
保护单元等组成。
关键词：变频器（VCS）整流 D-C连线 滤波 逆变
Based on Vestas-V52 fan of frequency converter
Liuyang—guang
（Datang Renewable Test and Research Institute,Beijing 100068,China）
Abstract：In recent years, wind power has become commercialized industry, have
the ability to become one of mainstream power. Fan development has become the key
technology of wind power, and as one of the core of wind power technology of
frequency conversion technology research is fan is key. Wind power converter (VCS)
mainly rectifier (ac variable dc), D - C attachment, filtering, inverter (dc variable
exchange), drive unit, testing unit, control unit, over-voltage protection unit etc.
Keywords: converter (VCS) rectifier D - C attachment filtering inverter
0引言
近些年，我国越来越重视对可再生能源的开发和利用，特别是对交流励磁变
速恒频风力发电技术的重视，而变频技术又是其中的关键技术。目前变频装置需
要整流、逆变环节获得频率、相位、幅值和相序可调的三相电源激励，由于常规
整流、逆变环节采用二极管不控整流电路或者晶闸管相控整流、逆变电路，容易
产生大量谐波，并且可对电网造成非常严重的“污染”。所以，常规的技术已经不
能满足风力发电的需求，为了抑制“污染”，可以实现单位功率因数和低谐波含量
的整流以及SPWM逆变技术就越来越受到广大的关注。本文将针对Vestas—V52
风机变频器整个系统进行分析。
1 VCS变频器
1.1 VCS系统简介
通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压和频率可变的装置称
作“变频器”。
变频器的主电路大体上可分为两类:电压型变频器和电流型变频器；电压型
变频器是将电压源的直流变换为交流，直流回路的滤波是电容；电流型变频器是
将电流源的直流变换为交流，其直流回路滤波是电感。Vestas变频器是电压型变
频器，设计电压是480V，通过安装在VMP上的空开连接在690V的电网上，自
动变压器T550将电压从690V变为480V。变频器可在四个象限工作，故其可在
电网侧（电网变频器）和转子侧（转子变频器）提供任意方向和频率的电流，所
有在VCS上安装的元件和接触器均可在Vestas变频处理器VCP CT294的帮助下
被控制。
当变频器开始工作，D—C连线首先通过接触器K537和电阻R560对其充电，
如果电压达到90%（720V）最终值，K536A和K536B连接，K537断开连接。
在K536A连接后，V520导通，DC连线的电压调整为800VDC。V520和V524-V526
是高度集成的功率模块，这些模块被称为SKiiPPACK，包含IGBT、驱动器和温
度，电流、D—C连线电压测量，SKiiPPACK将AC交流电流变为DC直流电流，
逆变时将直流变为频率、电压、电流可变的交流电，送给转子进行励磁。VCS
主要部件如图
1—1
图1—1
转子侧电流的频率和大小可自由设置，可以在发电机输出端上选择想要的
（相位角），因此不需要用电容器进行相位补偿，过度补偿时，风机转子电流增
大，欠补偿时，转子电流减小。上图中AGO2—Option模块是一个修正VCS的
模块，它可使风机提高抗电网干扰的能力，防止低压穿越，被广泛使用，它可以
减少主接触器的磨损。
2 双馈异步电机
双馈异步电机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生
的，在额定功率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，
严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制
变频器输出电压，使电机的磁通保持一定。
根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可以得出
VSCF（Variable Speed Constant Frequency，变速恒频）风力发电机运行时电机转
速与定、转子绕组电流频率关系的数学表达式：
式中：
—定子电流频率，由于定子与电网相连，所以f1 与电网频率相同；
—转子机械频率，决定于发电机转子的转速，即
= n / 60；
—风力发电机转速；
—电机的极对数；
—转子电流频率。
由上式可知，当发电机的转速变化时，若控制相应变化，可使保持恒定不变，
即与电网频率保持一致，实现风力发电机的VSCF 控制。同时，为发电机能够
正常并网运行，还应控制发电机的电压及相位与电网的一致。因此变速双馈发电
机的控制主要由三部分组成，即电压调节单元、相位调节单元和频率控制单元。
3 转子侧调速原理
图3—1
3.1双馈电机变速恒频发电运行方式可以分为三种：亚同步发电、同步发电、
超同步发电。
A、亚同步发电方式
图3—2
当风轮转速在同步速以下时，发电机不能提供额定的电力，变流器必须向转
子输入与转子旋转方向相同的转子电流，其频率为同步差速值，使转子的转速提
到稍高于同步转速。以保证定子输出电流的频率恒定在50Hz。亚同步调速恒频
发电，扩大了对低风速风能的吸收利用，提高了电力生产和风电设备利用率。
B、同步发电方式
图3—3
转子在同步转速附近时，变流器输出频率为零的直流电，此时电机按同步电
机方式工作。并且比同步电机更稳定。也可以像同步电机一样，通过欠励、过励
来调节有功和无功。（当励磁电流较大时，磁动势较高，定子电流滞后于端电压，
输出滞后的无功功率，这时称发电机运行与“过励”状态；逐步减小励磁电流，随
之减小，定子电流相应减小，cos=1时，定子电流最小，这称之为“正常励磁”；
在减小励磁电流，定子电流又开始变大，并超前电压U，发电机开始向电网输出
超前的无功功率即从电网吸收无功功率，这时称之为“欠励”状态。）
C、超同步发电方式
图3—4
双馈电机在风轮转速高于额定转速时，此种状态下其频率高出同步转速频率
差，>，改变通入转子绕组的频率为的电流相序，则其所产生的旋转磁场的转速 的
转向与转子的转向相反，变频器将输出反向的励磁电流，增大负载转矩，正转矩
使转子顺时针减速，转子要被馈入电能，致使转子速度下降至稍高于同步转速，
保证输出功率的频率恒定。
转子侧变流器此时转换成SPWM整流方式，将超同步部分功率经整流送至
电网侧变流器逆变为50Hz交流电，经滤波、隔离、升压后馈入电网。
3.2SPWM原理
Vestas变频器是利用SPWM控制，SPWM调制变频技术是PWM多脉冲可
变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制。其输出波形是与正弦波等效
的一系列矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。
图3—5
Vestas变频器是产生幅值和频率都可变的交流电，转子电流根据频率和幅度
自由设定，因此可以在输出端子上选择设定的相角（无功功率），不需要电容器
的相位补偿，转子电流可超过风机补偿或降低风机补偿。
3.3SKiiPPACK模块
SKiiPPACK模块包含转子侧 3 skiipacks, 每相一个，电网侧一个skiipack。
网侧整流模块在高频5KHZ时开断，转子侧模块在高频10KHZ时开断。
图3—6
A、网侧变频器
网侧变频为大功率六脉冲整流模块，6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，
有6个开关脉冲对六个可控硅分别控制，使六个可控硅交替打开，可使480VAC
整流成800VDC，对A —D母线充电，控制脉冲由CT294提供，电网侧三相开
关桥采用电网电压定向矢量控制
和空间电压矢量PWM控制方法。
图3—7
网侧的变频器在发电机达到1500转（额定转速）之前将网侧过来的480V
50HZ的交流电转变为直流电，并对A—D连线充电，在发电机达到1500转之后，
它将反向变换，将直流电转换为50HZ的交流电压，就是所谓转子发电。
B、转子侧变频为三相逆变电路
图3—8
转子侧的变频器在同步转速1500转以下的时候是将直流母排的电转化为补
偿电压发送到转子侧供转子励磁，当发电机转速达到1500转以上的时候，它会
将多发出来的电变成直流送到直流母排。为将发电机并入电网，转子将提前励磁；
发电机侧三相开关桥采用定子磁场定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方
法。
图3—9
双馈发电机可以在不同的风速状态下运行，其转速可以随风速的变化相应调
整，使风力机的运行始终处于最佳状态，提高了风能的利用率。
总结
本文章针对Vestas V52型风机变频系统作了基本的探讨，该变频器与市场其
它变频器原理基本相同，都是由整流、逆变环节组成，都是针对变速恒频发电机
提供功率补偿。该文章只是对变频系统进行了分析，但对整流、逆变环节对晶闸
管和可控硅的控制没有进行论述，还需要深入研究。
参考文献
1 苑国锋, 柴建云, 李永东. 变速恒频风力发电机组励磁变频器的研究. 中
国电机工程学报. 2005, 25(8): 90~94
2 叶杭冶. 风力发电机组的控制技术.第二版.机械工程出版社,2005.9.19
3 黄俊.半导体变流技术.北京.机械工业出版社,1986
4 苑国锋，伍小杰，柴建云等.双馈异步发电机矢量控制及并网研究.21世纪
太阳能新技术.上海：交通大学出版社,2003
姓名：刘洋广 1985 男 本科 主要从事风电设备检修管理工作.