變頻技術變速恒頻異步風力發電系統中的應用
發布時間：2019-08-02 10:20:43來源：
中國的風能資源十分豐富，目前已經探明的風能儲量約為3226GW，其中可利用風能約為253GW，主要分布在西北、華北和東北的草原和戈壁以及東部和東南沿海及島嶼上。根據統計，截至到2006年底，中國大陸地區已建成并網型風電場91座，累計運行風力發電機組3311臺，總容量達259.9萬kW（以完成整機吊裝作為統計依據）。已經建成并網發電的風場主要分布在新疆、內蒙、廣東、浙江、遼寧等16個省區。根據電監會公布的數據，截至2006年底,中國發電裝機容量達到62200萬kW，風力發電占全國總裝機容量的0.42%。截至到2006年底，全世界總風電裝機容量已經達到7390.4萬kW，其中德國總裝機容量2062.2萬kW，位居世界第一，中國2006年風電新增裝機容量僅次于美國、德國、印度和西班牙，列第五位；總裝機容量列世界第六位。因此，風力發電將成為我國比較具大規模開發前景的新能源之一。
風力發電系統主要有恒速恒頻風力發電機系統和變速恒頻風力發電機系統兩大類。恒速恒頻風力發電系統一般使用同步電機或者鼠籠式異步電機作為發電機，通過定槳距失速控制的風輪機使發電機的轉速保持在恒定的數值繼而保證發電機端輸出電壓的頻率和幅值的恒定，其運行范圍比較窄，只能在一定風速下捕獲風能，發電效率較低。變速恒頻風力發電系統一般采用永磁同步電機或者雙饋電機作為發電機，通過變槳距控制風輪使整個系統在很大的速度范圍內按照比較佳的效率運行，是目前風力發電技術的發展方向。對于風機來說，其調速范圍一般在同步速的50%～150％之間，如果采用普通鼠籠異步電機系統或者永磁同步電機系統，變頻器的容量要求與所拖動的發電機容量相當，這是非常不經濟的。雙饋異步風力發電系統定子和電網直接相連接，轉子和功率變換器相連接，通過變換器的功率僅僅是轉差功率，這是各種傳動系統中效率比較高的，該結構適合于調速范圍不寬的風力發電系統，尤其是大、中容量的風力發電系統。
本文將從變速恒頻異步風力系統的拓撲結構及其控制技術兩個方面對變頻技術在風力發電中的應用進行綜述，以反映變頻技術在風力發電中的發展情況。
二、變速恒頻異步風力發電系統拓撲
采用繞線異步電機作為發電機并對其轉子電流進行控制，是變速恒頻異步風力發電系統的主要實現形式之一。主要的拓撲結構包括交流勵磁控制，轉子斬波調阻以及由上述兩種拓撲結構結合發展而來的混合結構。
1.交流勵磁結構
交流勵磁控制通過變頻裝置向轉子提供三相滑差頻率的電流進行勵磁，這種方式的變頻裝置通常使用交交變頻器，矩陣變換器或交直交變頻器。
交交變頻器采用晶閘管自然換流方式，工作穩定，可靠，適合作為雙饋電機轉子繞組的變頻器電源，交交變頻的比較高輸出頻率是電網頻率的1/3-1/2，在大功率低頻范圍有很大的優勢。交交變頻沒有直流環節，變頻效率高，主回路簡單，不含直流電路及濾波部分，與電源之間無功功率處理以及有功功率回饋容易。雖然交交變頻雙饋系統得到了普遍的應用，但因其功率因數低，高次諧波多，輸出頻率低，變化范圍窄，使用元件數量多使之應用受到了一定的限制。
矩陣式變頻器是一種交交直接變頻器，由九個直接接于三相輸入和輸出之間的開關陣組成。矩陣變換器沒有中間直流環節，輸出由三個電平組成，諧波含量比較小；其功率電路簡單、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負載電壓；矩陣變換器的輸入功率因數可控，可在四象限工作。雖然矩陣變換器有很多優點，但是在其換流過程中不允許存在兩個開關同時導通的或者關斷的現象，實現起來比較困難。矩陣變換器比較大輸出電壓能力低，器件承受電壓高也是此類變換器一個很大缺點。應用在風力發電中，由于矩陣變換器的輸入輸出不解耦，即無論是負載還是電源側的不對稱都會影響到另一側。另外，矩陣變換器的輸入端必須接濾波電容，雖然其電容的容量比交直交的中間儲能電容小，但由于它們是交流電容，要承受開關頻率的交流電流，其體積并不小。
交直交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件設計等各種因素，電壓型逆變器應用比較廣泛。傳統的電流型交直交變頻器采用自然換流的晶閘管作為功率開關，其直流側電感比較昂貴，而且應用于雙饋調速中，在過同步速時需要換流電路，在低轉差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風力發電中應用的不多。采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結構簡單、諧波含量少、定轉子功率因數可調等優異特點，可以明顯地改善雙饋發電機的運行狀態和輸出電能質量，并且該結構通過直流母線側電容完全實現了網側和轉子側的分離。電壓型交直交變頻器的雙饋發電機定子磁場定向矢量控制系統，實現了基于風機比較大功率點跟蹤的發電機有功和無功的解耦控制，是目前變速恒頻風力發電的一個代表方向。
此外，還有一種并聯的交直交逆變器拓撲結構。這種結構的主要思想是通過一個交直交電流型和一個交直交電壓型變頻器并聯，電流型逆變器作為主逆變器負責功率傳輸，電壓型逆變器作為輔逆變器負責補償電流型逆變器諧波。這種結構主逆變器有較低的開關頻率，輔逆變器有較低的開關電流。同上面提到的交直交電壓型逆變器相比較，該拓撲結構具有低開關損耗，整個系統的效率比較高。其缺點也是顯而易見的，大量電力電子器件的使用導致成本的上升以及更加復雜的控制算法，另外該種結構電壓利用率比較低。
2.斬波調阻結構
上個世紀90年代中期丹麥的Vestas公司采用了一種轉子電流控制結構（OptiSlip），也稱為斬波調阻結構，如圖1所示。這種結構的基本思想是采用一個可控電力電子開關，以固定載波頻率的PWM方法控制繞線電機轉子回路中附加電阻接入時間的長短，從而調節轉子電流的幅值，控制滑差約在10%的范圍之內。該結構依靠外部控制器給出的電流基準值和電流的測量值計算出轉子回路的電阻值，通過電力電子器件的導通和關斷來調整轉子回路的電阻值。這種結構電力電子裝置的機構相對簡單，但是其定子側功率因數比較低，且只能在發電機的同步轉速以上運行，是一種受限制的變速恒頻系統。
圖1 OptiSlip結構繞線式異步風力發電系統框圖
3.混合結構
為了降低變流器的成本并且能夠實現風力發電系統的寬轉速范圍運行，有文獻提出一種基于雙饋電機斬波調阻與交流勵磁控制策略多功能變流器拓撲結構，將整流器、斬波器和逆變器結合在一起，該結構的巧妙之處在于斬波器和逆變器共用了一組可控的電力電子開關，但是由于引入了四個接觸器型的受控開關，導致該結構的主回路結構復雜，很難實現同步速切換過程的過渡，而且在高于同步速運行情況下難以改善發電機的功率因數。此外，還有文獻提出了新型轉子電流混合控制的電路拓撲結構及其控制策略，該控制方法兼備交流勵磁控制和轉子斬波調阻法的優點，能顯著降低轉子變流器的硬件成本以及控制技術的復雜性，并且可以實現發電機的寬轉速范圍運行，無需在同步速點過渡，在整個允許的速度范圍內都可以進行定子輸出有功、無功功率獨立調節，同時發電機輸出功率因數可控，缺點是輸入側功率因數低，風能轉換效率低。
三、基本控制算法
交流勵磁結構即雙饋變速恒頻風力發電系統得到了非常廣泛的應用，在其發展過程中出現了很多控制策略，主要包括矢量控制、標量控制以及直接功率控制等。
1.矢量控制
德國工程師F.Blashke在上世紀七十年代提出的矢量控制原理，使得交流調速技術發生了一次質的飛躍，應用在雙饋調速上，獲得了令人振奮的動靜態性能。矢量控制的理論基礎是磁場定向原理，通過引入坐標變換，將原來復雜的雙饋電機模型等效為d-q模型的基礎上，對坐標軸的交叉耦合信號進行有效的補償，可以得到類似直流調速的效果。
雙饋系統的矢量控制結構通常將轉子交流量分解成有功分量和無功分量，并對之進行閉環控制。通常為了簡化雙饋矢量控制系統的電磁轉矩和其他矢量之間的復雜關系，需要使坐標軸定向在某個矢量上。一般的，在雙饋系統可以選擇的定向矢量為定子磁鏈、氣隙磁鏈、定子電壓以及轉子電流等。其中，比較常用的是以定子磁鏈和氣隙磁鏈為定向矢量的控制方法。
2.多標量控制
基于多標量模型的雙饋電機控制方法通過多標量模型變換電機系統到兩個獨立的線性子系統中，利用PI調節器控制定子的有功和無功。在該方案中，定義轉子轉速，定子磁鏈幅值的平方，定子磁鏈和轉子電流的叉積和點積四個標量，并根據上述四個標量電機的微分方程，在忽略定子電阻的情況下，對定子磁通做歸一化處理后，電機的有功功率以及無功功率可以解耦控制。
3.直接功率控制
矢量控制的雙饋系統結構復雜，性能受電機參數影響，受到異步電機直接轉矩控制的啟發，有的學者致力于研究變速恒頻發電系統的直接功率控制。應用在變速恒頻發電系統的直接功率控制不同于傳統的直接轉矩控制，它通過檢測定子端的量來控制轉子端的開關動作，但控制方法不使用轉子PWM電壓的積分，因此可以穩定工作在零頻率附近，而且該方法不要位置傳感器以及對參數魯棒性強。不同于矢量控制技術，直接功率控制不需要復雜的坐標變換，而是通過控制轉子磁鏈的幅值和相對于定子磁鏈位置，繼而可以通過有功功率和無功功率的PI調節器跟蹤參考值來控制發電機輸出的有功功率和無功功率。
四、其他研究熱點
除了上面提到的一些雙饋異步風力發電系統基本控制策略以外，雙饋變速恒頻異步風力發電系統還有許多研究熱點包括：
1.風力發電系統的軟并網軟解列研究
軟并網和軟解列是目前風力發電系統的一個重要部分。一般的，當電網容量比發電機的容量大得多的時候，可以不考慮發電機并網的沖擊電流，鑒于目前并網運行的發電機組已經發展到兆瓦級水平，所以必須要限制發電機在并網和解列時候的沖擊電流，做到對電網無沖擊或者沖擊比較小。
2.無速度傳感器技術在雙饋異步風力發電系統應用的研究
近年，雙饋電機的無位置以及速度傳感器控制成了風力發電領域的一個重要研究方向，在雙饋異步風力發電系統中需要知道電機轉速以及位置信息，但是速度以及位置傳感器的采用提高了成本并且帶來了一些不便。理論上可以通過電機的電壓和電流實時計算出電機的轉速，從而實現無速度傳感器控制。在風力發電系統中，無傳感器控制帶來了以下優點：采用無傳感器使發電機和逆變器之間連線消除，降低了系統成本，增強了控制系統的抗干擾性和可靠性，另外可以減少了電機的軸向尺寸，降低硬件復雜性、總成本以及維護要求。
3.電網故障狀態下風力發電系統不間斷運行等方面
并網型雙饋風力發電機系統的定子繞組連接電網上，在運行過程中，各種原因引起的電網電壓波動，跌落甚至短路故障會影響發電機的不間斷運行。電網發生突然跌落時，發電機將產生較高的瞬時電磁轉矩和電磁功率，可能造成發電機系統的機械損壞或熱損壞，所以三相電網電壓突然跌落時的系統持續運行控制策略的研究是目前研究熱點。
此外，雙饋風力發電系統的頻率穩定以及無功極限方面也是目前研究的熱點。
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五、QHVERT-DFIG-1500B風力發電用變流器
圖2：主回路圖
北京清能華福風電技術有限公司生產的適配于1.5MW級變速恒頻雙饋異步風力發電系統的QHVERT-DFIG-1500B型變頻器使用三相背靠背電壓型變流器，采用“基于雙DSP的全數字化矢量控制策略”技術對雙饋風力發電機轉子繞組進行勵磁，通過引入坐標變換，將轉子交流量分解成有功分量和無功分量，并對之進行閉環控制，從而實現對發電機有功和無功的解耦控制。其主回路如圖2所示。
QHVERT-DFIG-1500B變速恒頻雙饋異步風力發電機變流器通過對雙饋風力發電機的轉子側進行勵磁。雙饋發電機的定子側輸出與電網電壓頻率和相位相同，并且可根據需要進行有功和無功的獨立解耦控制。QHVERT-DFIG-1500B型變流器控制雙饋風力發電機實現軟并網發電，減小雙饋風力發電機的并網沖擊電流對電機和電網造成的不利影響。QHVERT-DFIG-1500B型變流器提供多種通信接口，用戶可利用這些接口方便的實現變流器與風力機系統控制器及風場遠程監控系統的集成控制。
圖3至圖5為在上海某電機廠地面實驗的試驗波形，圖中從上到下，依次為CH1-CH6，CH1為電網電流A相，流向電網為正；CH2為定子電流A相，定子繞組流出為正；CH3為轉子電流A相，變流器流出為正；CH4為整流電流A相，流入變流器為正；CH5為電網電壓BC相，（CH9）CH6為定子電壓BC相。
圖3：1800RPM系統并網之前波形圖
圖4：1800RPM系統滿載運行波形圖
圖5：系統變速運行波形圖
從上面的介紹可以看出，我國的變速恒頻雙饋異步風力發電系統用變流器的產業化工作正邁著堅實的步伐大踏步的前進著，這對實現兆瓦級風力發電設備的國產化有著重要而且積極的意義。
六、結束語
隨著變頻技術的蓬勃發展，變速恒頻異步發電技術特別是雙饋異步風力發電技術得以快速實用，其單機容量已經達到兆瓦級，迅速成為風電場的主力機型。近二十年來，在風力風電的變頻技術上取得了許多非常有意義的成果，我國在變頻器的產業化上也取得了很大的進展。我們相信雙饋變速恒頻風力發電技術必將在未來相當長一段時間在風電領域扮演非常重要的角色。
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