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1、变频技术在变速恒频异步风力发电系统中的应用摘要：变速恒频异步风力发电技术十分是双馈异步发电技术在风力发电中得到了广泛的应用。本文在阐述变频技术在风力发电系统应用的根底上，对变速恒频异步风力发电系统的不同的拓扑构造和控制策略进展了分析，并介绍了变速恒频双馈异步风力发电技术的研究热门以及北京清能华福风电技术有限公司的产品QHVERT-DFIG-1500B型变流器。关键字：风力发电、变速恒频、变频技术中国的风能资源特别丰富，目前已经探明的风能储量约为3226GW，其中可利用风能约为253GW，主要分布在西北、华北和东北的草原和戈壁以及东部和东南沿海及岛屿上。根据统计，截至到2006年底，中国大陆地区
2、已建成并网型风电场91座，累计运行风力发电机组3311台，总容量达259.9万kW以完成整机吊装作为统计根据。已经建成并网发电的风场主要分布在新疆、内蒙、广东、浙江、辽宁等16个省区。根据电监会公布的数据，截至2006年底,中国发电装机容量到达62200万kW，风力发电占全国总装机容量的0.42%。截至到2006年底，全世界总风电装机容量已经到达7390.4万kW，其中德国总装机容量2062.2万kW，位居世界第一，中国2006年风电新增装机容量仅次于美国、德国、印度和西班牙，列第五位；总装机容量列世界第六位。因此，风力发电将成为我国最具大规模开发前景的新能源之一。风力发电系统主要有恒速恒频风
3、力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。恒速恒频风力发电系统一般使用同步电机或鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值继而保证发电机端输出电压的频率和幅值的恒定，其运行范围比拟窄，只能在一定风速下捕捉风能，发电效率较低。变速恒频风力发电系统一般采用永磁同步电机或双馈电机作为发电机，通过变桨距控制风轮使整个系统在很大的速度范围内按照最正确的效率运行，是目前风力发电技术的开展方向。对于风机来讲，其调速范围一般在同步速的50%150之间，假如采用普通鼠笼异步电机系统或永磁同步电机系统，变频器的容量要求与所拖动的发电机容量相当，这是非常不经济的。双馈异步风
4、力发电系统定子和电网直接相连接，转子和功率变换器相连接，通过变换器的功率仅仅是转差功率，这是各种传动系统中效率比拟高的，该构造合适于调速范围不宽的风力发电系统，尤其是大、中容量的风力发电系统。本文将从变速恒频异步风力系统的拓扑构造及其控制技术两个方面对变频技术在风力发电中的应用进展综述，以反映变频技术在风力发电中的开展情况。二、变速恒频异步风力发电系统拓扑采用绕线异步电机作为发电机并对其转子电流进展控制，是变速恒频异步风力发电系统的主要实现形式之一。主要的拓扑构造包括沟通励磁控制，转子斩波调阻以及由上述两种拓扑构造结合开展而来的混合构造。1.沟通励磁构造沟通励磁控制通过变频装置向转子提供三相滑
5、差频率的电流进展励磁，这种方式的变频装置通常使用交交变频器，矩阵变换器或者交直交变频器。交交变频器采用晶闸管自然换流方式，工作稳定，可靠，合适作为双馈电机转子绕组的变频器电源，交交变频的最高输出频率是电网频率的1/3-1/2，在大功率低频范围有很大的上风。交交变频没有直流环节，变频效率高，主回路简单，不含直流电路及滤波局部，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈轻易。固然交交变频双馈系统得到了普遍的应用，但因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄，使用元件数目多使之应用受到了一定的限制。矩阵式变频器是一种交交直接变频器，由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成。矩阵变换器没有中间
6、直流环节，输出由三个电平组成，谐波含量比拟小；其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压；矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作。固然矩阵变换器有很多优点，但是在其换流经过中不允许存在两个开关同时导通的或关断的现象，实现起来比拟困难。矩阵变换器最大输出电压才能低，器件承受电压高也是此类变换器一个很大缺点。应用在风力发电中，由于矩阵变换器的输入输出不解耦，即无论是负载还是电源侧的不对称都会影响到另一侧。另外，矩阵变换器的输入端必须接滤波电容，固然其电容的容量比交直交的中间储能电容小，但由于它们是沟通电容，要承受开关频率的沟通电流，其体积并不小。交直交变频器又可以分为电
7、压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比拟广泛。传统的电流型交直交变频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比拟昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比拟差，在双馈异步风力发电中应用的不多。采用电压型交直交变频器这种整流变频装置具有构造简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点，可以明显地改善双馈发电机的运行状态和输出电能质量，并且该构造通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的别离。电压型交直交变频器的双馈发电机定子磁场定向矢量控制系统，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解耦控制，是目前变速恒
8、频风力发电的一个代表方向。此外，还有一种并联的交直交逆变器拓扑构造。这种构造的主要思想是通过一个交直交电流型和一个交直交电压型变频器并联，电流型逆变器作为主逆变器负责功率传输，电压型逆变器作为辅逆变器负责补偿电流型逆变器谐波。这种构造主逆变器有较低的开关频率，辅逆变器有较低的开关电流。同上面提到的交直交电压型逆变器相比拟，该拓扑构造具有低开关损耗，整个系统的效率比拟高。其缺点也是显而易见的，大量电力电子器件的使用导致本钱的上升以及更加复杂的控制算法，另外该种构造电压利用率比拟低。2.斩波调阻构造上个世纪90年代中期丹麦的Vestas公司采用了一种转子电流控制构造OptiSlip，也称为斩波调阻
9、构造，如图1所示。这种构造的根本思想是采用一个可控电力电子开关，以固定载波频率的PWM方法控制绕线电机转子回路中附加电阻接入时间的长短，进而调节转子电流的幅值，控制滑差约在10%的范围之内。该构造依靠外部控制器给出的电流基准值和电流的测量值计算出转子回路的电阻值，通过电力电子器件的导通和关断来调整转子回路的电阻值。这种构造电力电子装置的机构相对简单，但是其定子侧功率因数比拟低，且只能在发电机的同步转速以上运行，是一种受限制的变速恒频系统。3.混合构造为了降低变流器的本钱并且可以实现风力发电系统的宽转速范围运行，有文献提出一种基于双馈电机斩波调阻与沟通励磁控制策略多功能变流器拓扑构造,将整流器、
10、斩波器和逆变器结合在一起，该构造的巧妙之处在于斩波器和逆变器共用了一组可控的电力电子开关，但是由于引入了四个接触器型的受控开关，导致该构造的主回路构造复杂，很难实现同步速切换经过的过渡，而且在高于同步速运行情况下难以改善发电机的功率因数。此外，还有文献提出了新型转子电流混合控制的电路拓扑构造及其控制策略，该控制方法兼备沟通励磁控制和转子斩波调阻法的优点，能显著降低转子变流器的硬件本钱以及控制技术的复杂性，并且可以实现发电机的宽转速范围运行，无需在同步速点过渡，在整个允许的速度范围内都可以进展定子输出有功、无功功率独立调节，同时发电机输出功率因数可控，缺点是输入侧功率因数低，风能转换效率低。三、
11、根本控制算法沟通励磁构造即双馈变速恒频风力发电系统得到了非常广泛的应用，在其开展经过中出现了很多控制策略，主要包括矢量控制、标量控制以及直接功率控制等。1.矢量控制德国工程师F.Blashke在上世纪七十年代提出的矢量控制原理，使得沟通调速技术发生了一次质的飞跃，应用在双馈调速上，获得了令人振奋的动静态性能。矢量控制的理论根底是磁场定向原理，通过引入坐标变换，将原来复杂的双馈电机模型等效为d-q模型的根底上，对坐标轴的穿插耦合信号进展有效的补偿，可以得到类似直流调速的效果。双馈系统的矢量控制构造通常将转子沟通量分解成有功分量和无功分量，并对之进展闭环控制。通常为了简化双馈矢量控制系统的电磁转矩
12、和其他矢量之间的复杂关系，需要使坐标轴定向在某个矢量上。一般的，在双馈系统可以选择的定向矢量为定子磁链、气隙磁链、定子电压以及转子电流等。其中，比拟常用的是以定子磁链和气隙磁链为定向矢量的控制方法。2.多标量控制基于多标量模型的双馈电机控制方法通太多标量模型变换电机系统到两个独立的线性子系统中，利用PI调节器控制定子的有功和无功。在该方案中，定义转子转速，定子磁链幅值的平方，定子磁链和转子电流的叉积和点积四个标量，并根据上述四个标量电机的微分方程，在忽略定子电阻的情况下，对定子磁通做归一化处理后，电机的有功功率以及无功功率可以解耦控制。3.直接功率控制矢量控制的双馈系统构造复杂，性能受电机参数
13、影响，受到异步电机直接转矩控制的启发，有的学者致力于研究变速恒频发电系统的直接功率控制。应用在变速恒频发电系统的直接功率控制不同于传统的直接转矩控制，它通过检测定子端的量来控制转子端的开关动作，但控制方法不使用转子PWM电压的积分，因此可以稳定工作在零频率附近，而且该方法不要位置传感器以及对参数鲁棒性强。不同于矢量控制技术，直接功率控制不需要复杂的坐标变换，而是通过控制转子磁链的幅值和相对于定子磁链位置，继而可以通过有功功率和无功功率的PI调节器跟踪参考值来控制发电机输出的有功功率和无功功率。四、其他研究热门除了上面提到的一些双馈异步风力发电系统根本控制策略以外，双馈变速恒频异步风力发电系统还
14、有很多研究热门包括：1.风力发电系统的软并网软解列研究软并网和软解列是目前风力发电系统的一个重要局部。一般的，当电网容量比发电机的容量大得多的时候，可以不考虑发电机并网的冲击电流，鉴于目前并网运行的发电机组已经开展到兆瓦级程度，所以必需要限制发电机在并网和解列时候的冲击电流，做到对电网无冲击或冲击最小。2.无速度传感器技术在双馈异步风力发电系统应用的研究近年，双馈电机的无位置以及速度传感器控制成了风力发电领域的一个重要研究方向，在双馈异步风力发电系统中需要知道电机转速以及位置信息，但是速度以及位置传感器的采用进步了本钱并且带来了一些不便。理论上可以通过电机的电压和电流实时计算出电机的转速，进而
15、实现无速度传感器控制。在风力发电系统中，无传感器控制带来了以下优点：采用无传感器使发电机和逆变器之间连线消除，降低了系统本钱，增强了控制系统的抗干扰性和可靠性，另外可以减少了电机的轴向尺寸，降低硬件复杂性、总本钱以及维护要求。3.电网故障状态下风力发电系统不连续运行等方面并网型双馈风力发电机系统的定子绕组连接电网上，在运行经过中，各种原因引起的电网电压波动，跌落甚至短路故障会影响发电机的不连续运行。电网发生忽然跌落时，发电机将产生较高的瞬时电磁转矩和电磁功率，可能造成发电机系统的机械损坏或者热损坏，所以三相电网电压忽然跌落时的系统持续运行控制策略的研究是目前研究热门。此外，双馈风力发电系统的频
16、率稳定以及无功极限方面也是目前研究的热门。五、QHVERT-DFIG-1500B风力发电用变流器北京清能华福风电技术有限公司消费的适配于1.5MW级变速恒频双馈异步风力发电系统的QHVERT-DFIG-1500B型变频器使用三相背靠背电压型变流器，采用“基于双DSP的全数字化矢量控制策略技术对双馈风力发电机转子绕组进展励磁，通过引入坐标变换，将转子沟通量分解成有功分量和无功分量，并对之进展闭环控制，进而实现对发电机有功和无功的解耦控制。其主回路如图2所示：QHVERT-DFIG-1500B变速恒频双馈异步风力发电机变流器通过对双馈风力发电机的转子侧进展励磁。双馈发电机的定子侧输出与电网电压频率
17、和相位一样，并且可根据需要进展有功和无功的独立解耦控制。QHVERT-DFIG-1500B型变流器控制双馈风力发电机实现软并网发电，减小双馈风力发电机的并网冲击电流对电机和电网造成的不利影响。QHVERT-DFIG-1500B型变流器提供多种通讯接口，用户可利用这些接口方便的实现变流器与风力机系统控制器及风场远程监控系统的集成控制。图3至图5为在上海某电机厂地面实验的试验波形，图中从上到下，依次为CH1-CH6，CH1为电网电流A相，流向电网为正；CH2为定子电流A相，定子绕组流出为正；CH3为转子电流A相，变流器流出为正；CH4为整流电流A相，流入变流器为正；CH5为电网电压BC相，CH9CH6为定子电压BC相。从上面的介绍可以看出，我国的变速恒频双馈异步风力发电系统用变流器的产业化工作正迈着坚实的步伐大踏步的前进着，这对实现兆瓦级风力发电设备的国产化有着重要而且积极的意义。六完毕语随着变频技术的蓬勃开展，变速恒频异步发电技术十分是双馈异步风力发电技术得以快速实用，其单机容量已经到达兆瓦级，迅速成为风电场的主力机型。近二十年来，在风力风电的变频技术上获得了很多非常有意义的成果，我国在变频器的产业化上也获得了很大的进展。我们相信双馈变速恒频风力发电技术必将在将来相当长一段时间在风电领域扮演非常重要的角色。