變速恒頻異步發(fā)電系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用

一、引言

中國(guó)的風(fēng)能資源十分豐富，目前已經(jīng)探明的風(fēng)能儲(chǔ)量約為3226GW，其中可利用風(fēng)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(jù)統(tǒng)計(jì)，截至到2006年底，中國(guó)大陸地區(qū)已建成并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)91座，累計(jì)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3311臺(tái)，總?cè)萘窟_(dá)259.

9萬kW（以完成整機(jī)吊裝作為統(tǒng)計(jì)依據(jù)）。已經(jīng)建成并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)場(chǎng)主要分布在新疆、內(nèi)蒙、廣東、浙江、遼寧等16個(gè)省區(qū)。根據(jù)電監(jiān)會(huì)公布的數(shù)據(jù)，截至2006年底，中國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到62200萬kW，風(fēng)力發(fā)電占全國(guó)總裝機(jī)容量的0.42%。截至到2006年底，全世界總風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到7390.4萬kW，其中德國(guó)總裝機(jī)容量2062.2萬kW，位居世界第一，中國(guó)2006年風(fēng)電新增裝機(jī)容量?jī)H次于美國(guó)、德國(guó)、印度和西班牙，列第五位；總裝機(jī)容量列世界第六位。因此，風(fēng)力發(fā)電將成為我國(guó)最具大規(guī)模開發(fā)前景的新能源之一。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)兩大類。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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)值繼而保證發(fā)電機(jī)端輸出電壓的頻率和幅值的恒定，其運(yùn)行范圍比較窄，只能在一定風(fēng)速下捕獲風(fēng)能，發(fā)電效率較低。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用永磁同步電機(jī)或者雙饋電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，通過變槳距控制風(fēng)輪使整個(gè)系統(tǒng)在很大的速度范圍內(nèi)按照最佳的效率運(yùn)行，是目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。對(duì)于風(fēng)機(jī)來說，其調(diào)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(jī)系統(tǒng)或者永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，變頻器的容量要求與所拖動(dòng)的發(fā)電機(jī)容量相當(dāng)，這是非常不經(jīng)濟(jì)的。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定子和電網(wǎng)直接相連接，轉(zhuǎn)子和功率變換器相連接，通過變換器的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率，這是各種傳動(dòng)系統(tǒng)中效率比較高的，該結(jié)構(gòu)適合于調(diào)速范圍不寬的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是大、中容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

本文將從變速恒頻異步風(fēng)力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制技術(shù)兩個(gè)方面對(duì)變頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，以反映變頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的發(fā)展情況。

二、變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)洹?/p>

采用繞線異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)并對(duì)其轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行控制，是變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)形式之一。主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括交流勵(lì)磁控制，轉(zhuǎn)子斬波調(diào)阻以及由上述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合發(fā)展而來的混合結(jié)構(gòu)。

1.交流勵(lì)磁結(jié)構(gòu)

交流勵(lì)磁控制通過變頻裝置向轉(zhuǎn)子提供三相滑差頻率的電流進(jìn)行勵(lì)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。

變頻器采用晶閘管自然換流方式，工作穩(wěn)定，可靠，適合作為雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的變頻器電源，交交變頻的最高輸出頻率是電網(wǎng)頻率的1/3-1/2，在大功率低頻范圍有很大的優(yōu)勢(shì)。交交變頻沒有直流環(huán)節(jié)，變頻效率高，主回路簡(jiǎn)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(tǒng)得到了普遍的應(yīng)用，但因其功率因數(shù)低，高次諧波多，輸出頻率低，變化范圍窄，使用元件數(shù)量多使之應(yīng)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(gè)直接接于三相輸入和輸出之間的開關(guān)陣組成。矩陣變換器沒有中間直流環(huán)節(jié)，輸出由三個(gè)電平組成，諧波含量比較?。黄涔β孰娐泛?jiǎn)單、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負(fù)載電壓；矩陣變換器的輸入功率因數(shù)可控，可在四象限工作。雖然矩陣變換器有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在其換流過程中不允許存在兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的或者關(guān)斷的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。矩陣變換器最大輸出電壓能力低，器件承受電壓高也是此類變換器一個(gè)很大缺點(diǎn)。應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電中，由于矩陣變換器的輸入輸出不解耦，即無論是負(fù)載還是電源側(cè)的不對(duì)稱都會(huì)影響到另一側(cè)。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(chǔ)能電容小，但由于它們是交流電容，要承受開關(guān)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(shè)計(jì)等各種因素，電壓型逆變器應(yīng)用比較廣泛。傳統(tǒng)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(guān)，其直流側(cè)電感比較昂貴，而且應(yīng)用于雙饋調(diào)速中，在過同步速時(shí)需要換流電路，在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點(diǎn)，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量，并且該結(jié)構(gòu)通過直流母線側(cè)電容完全實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的分離。電壓型交直交變頻器的雙饋發(fā)電機(jī)定子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于風(fēng)機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤的發(fā)電機(jī)有功和無功的解耦控制，是目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)代表方向。

此外，還有一種并聯(lián)的交直交逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要思想是通過一個(gè)交直交電流型和一個(gè)交直交電壓型變頻器并聯(lián)，電流型逆變器作為主逆變器負(fù)責(zé)功率傳輸，電壓型逆變器作為輔逆變器負(fù)責(zé)補(bǔ)償電流型逆變器諧波。這種結(jié)構(gòu)主逆變器有較低的開關(guān)頻率，輔逆變器有較低的開關(guān)電流。同上面提到的交直交電壓型逆變器相比較，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有低開關(guān)損耗，整個(gè)系統(tǒng)的效率比較高。其缺點(diǎn)也是顯而易見的，大量電力電子器件的使用導(dǎo)致成本的上升以及更加復(fù)雜的控制算法，另外該種結(jié)構(gòu)電壓利用率比較低。

2.斬波調(diào)阻結(jié)構(gòu)

上個(gè)世紀(jì)90年代中期丹麥的Vestas公司采用了一種轉(zhuǎn)子電流控制結(jié)構(gòu)（OptiSlip），也稱為斬波調(diào)阻結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)的基本思想是采用一個(gè)可控電力電子開關(guān)，以固定載波頻率的PWM方法控制繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加電阻接入時(shí)間的長(zhǎng)短，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的幅值，控制滑差約在10%的范圍之內(nèi)。該結(jié)構(gòu)依靠外部控制器給出的電流基準(zhǔn)值和電流的測(cè)量值計(jì)算出轉(zhuǎn)子回路的電阻值，通過電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷來調(diào)整轉(zhuǎn)子回路的電阻值。這種結(jié)構(gòu)電力電子裝置的機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是其定子側(cè)功率因數(shù)比較低，且只能在發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行，是一種受限制的變速恒頻系統(tǒng)。

3.混合結(jié)構(gòu)

為了降低變流器的成本并且能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的寬轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行，有文獻(xiàn)提出一種基于雙饋電機(jī)斬波調(diào)阻與交流勵(lì)磁控制策略多功能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將整流器、斬波器和逆變器結(jié)合在一起，該結(jié)構(gòu)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(guān)，但是由于引入了四個(gè)接觸器型的受控開關(guān)，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的主回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)同步速切換過程的過渡，而且在高于同步速運(yùn)行情況下難以改善發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。此外，還有文獻(xiàn)提出了新型轉(zhuǎn)子電流混合控制的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略，該控制方法兼?zhèn)浣涣鲃?lì)磁控制和轉(zhuǎn)子斬波調(diào)阻法的優(yōu)點(diǎn)，能顯著降低轉(zhuǎn)子變流器的硬件成本以及控制技術(shù)的復(fù)雜性，并且可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的寬轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行，無需在同步速點(diǎn)過渡，在整個(gè)允許的速度范圍內(nèi)都可以進(jìn)行定子輸出有功、無功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)，同時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率因數(shù)可控，缺點(diǎn)是輸入側(cè)功率因數(shù)低，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率低。

三、基本控制算法

交流勵(lì)磁結(jié)構(gòu)即雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，在其發(fā)展過程中出現(xiàn)了很多控制策略，主要包括矢量控制、標(biāo)量控制以及直接功率控制等。

1.矢量控制

德國(guó)工程師F.Blashke在上世紀(jì)七十年代提出的矢量控制原理，使得交流調(diào)速技術(shù)發(fā)生了一次質(zhì)的飛躍，應(yīng)用在雙饋調(diào)速上，獲得了令人振奮的動(dòng)靜態(tài)性能。矢量控制的理論基礎(chǔ)是磁場(chǎng)定向原理，通過引入坐標(biāo)變換，將原來復(fù)雜的雙饋電機(jī)模型等效為d-q模型的基礎(chǔ)上，對(duì)坐標(biāo)軸的交叉耦合信號(hào)進(jìn)行有效的補(bǔ)償，可以得到類似直流調(diào)速的效果。

雙饋系統(tǒng)的矢量控制結(jié)構(gòu)通常將轉(zhuǎn)子交流量分解成有功分量和無功分量，并對(duì)之進(jìn)行閉環(huán)控制。通常為了簡(jiǎn)化雙饋矢量控制系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩和其他矢量之間的復(fù)雜關(guān)系，需要使坐標(biāo)軸定向在某個(gè)矢量上。一般的，在雙饋系統(tǒng)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(zhuǎn)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(biāo)量控制

基于多標(biāo)量模型的雙饋電機(jī)控制方法通過多標(biāo)量模型變換電機(jī)系統(tǒng)到兩個(gè)獨(dú)立的線性子系統(tǒng)中，利用PI調(diào)節(jié)器控制定子的有功和無功。在該方案中，定義轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，定子磁鏈幅值的平方，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子電流的叉積和點(diǎn)積四個(gè)標(biāo)量，并根據(jù)上述四個(gè)標(biāo)量電機(jī)的微分方程，在忽略定子電阻的情況下，對(duì)定子磁通做歸一化處理后，電機(jī)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(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能受電機(jī)參數(shù)影響，受到異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的啟發(fā)，有的學(xué)者致力于研究變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的直接功率控制。應(yīng)用在變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的直接功率控制不同于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制，它通過檢測(cè)定子端的量來控制轉(zhuǎn)子端的開關(guān)動(dòng)作，但控制方法不使用轉(zhuǎn)子PWM電壓的積分，因此可以穩(wěn)定工作在零頻率附近，而且該方法不要位置傳感器以及對(duì)參數(shù)魯棒性強(qiáng)。不同于矢量控制技術(shù)，直接功率控制不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相對(duì)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(diào)節(jié)器跟蹤參考值來控制發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和無功功率。

四、其他研究熱點(diǎn)

除了上面提到的一些雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本控制策略以外，雙饋?zhàn)兯俸泐l異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還有許多研究熱點(diǎn)包括：

1.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的軟并網(wǎng)軟解列研究

軟并網(wǎng)和軟解列是目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要部分。一般的，當(dāng)電網(wǎng)容量比發(fā)電機(jī)的容量大得多的時(shí)候，可以不考慮發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的沖擊電流，鑒于目前并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組已經(jīng)發(fā)展到兆瓦級(jí)水平，所以必須要限制發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)和解列時(shí)候的沖擊電流，做到對(duì)電網(wǎng)無沖擊或者沖擊最小。

2.無速度傳感器技術(shù)在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的研究

近年，雙饋電機(jī)的無位置以及速度傳感器控制成了風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)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?guī)砹艘恍┎槐?。理論上可以通過電機(jī)的電壓和電流實(shí)時(shí)計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)無速度傳感器控制。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，無傳感器控制帶來了以下優(yōu)點(diǎn)：采用無傳感器使發(fā)電機(jī)和逆變器之間連線消除，降低了系統(tǒng)成本，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性，另外可以減少了電機(jī)的軸向尺寸，降低硬件復(fù)雜性、總成本以及維護(hù)要求。

3.電網(wǎng)故障狀態(tài)下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不間斷運(yùn)行等方面

并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的定子繞組連接電網(wǎng)上，在運(yùn)行過程中，各種原因引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)，跌落甚至短路故障會(huì)影響發(fā)電機(jī)的不間斷運(yùn)行。電網(wǎng)發(fā)生突然跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生較高的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率，可能造成發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械損壞或熱損壞，所以三相電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)的系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行控制策略的研究是目前研究熱點(diǎn)。

此外，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定以及無功極限方面也是目前研究的熱點(diǎn)。

五、QHVERT-DFIG-1500B風(fēng)力發(fā)電用變流器

北京清能華福風(fēng)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的適配于1.5MW級(jí)變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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(shù)字化矢量控制策略”技術(shù)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵(lì)磁，通過引入坐標(biāo)變換，將轉(zhuǎn)子交流量分解成有功分量和無功分量，并對(duì)之進(jìn)行閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)有功和無功的解耦控制 從上面的介紹可以看出，我國(guó)的變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)用變流器的產(chǎn)業(yè)化工作正邁著堅(jiān)實(shí)的步伐大踏步的前進(jìn)著，這對(duì)實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化有著重要而且積極的意義。

六、結(jié)束語

隨著變頻技術(shù)的蓬勃發(fā)展，變速恒頻異步發(fā)電技術(shù)特別是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得以快速實(shí)用，其單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到兆瓦級(jí)，迅速成為風(fēng)電場(chǎng)的主力機(jī)型。近二十年來，在風(fēng)力風(fēng)電的變頻技術(shù)上取得了許多非常有意義的成果，我國(guó)在變頻器的產(chǎn)業(yè)化上也取得了很大的進(jìn)展。我們相信雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電技術(shù)必將在未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間在風(fēng)電領(lǐng)域扮演非常重要的角色。