变频技术在变速恒频异步风力发电系统中的应用

 一、引言
    中国的风能资源十分丰富，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依据）。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,中国发电装机容量达到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达到7390.4万kW，其中德国总装机容量2062.2万kW，位居，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者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，其运行范围比较窄，只能在一定风速下捕获风能，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者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的效率运行，是目前风力发电技术的发展方向。对于风机来说，其调速范围一般在同步速的50%～150％之间，如果采用普通鼠笼异步电机系统或者永磁同步电机系统，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较高的，该结构适合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结构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行综述，以反映变频技术在风力发电中的发展情况。   
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行控制，是变速恒频异步风力发电系统的主要实现形式之一。主要的拓扑结构包括交流励磁控制，转子斩波调阻以及由上述两种拓扑结构结合发展而来的混合结构。   
　　1.交流励磁结构   
　　交流励磁控制通过变频装置向转子提供三相滑差频率的电流进行励磁，这种方式的变频装置通常使用交交变频器，矩阵变换器或交直交变频器。   
　　 变频器采用晶闸管自然换流方式，工作稳定，可靠，适合作为双馈电机转子绕组的变频器电源，交交变频的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优势。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部分，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈容易。虽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，使用元件数量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直流环节，输出由三个电平组成，谐波含量比较小；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。虽然矩阵变换器有很多优点，但是在其换流过程中不允许存在两个开关同时导通的或者关断的现象，实现起来比较困难。矩阵变换器输出电压能力低，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，虽然其电容的容量比交直交的中间储能电容小，但由于它们是交流电容，要承受开关频率的交流电流，其体积并不小。   
    交直交变频器又可以分为电压型和电流型两种，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较广泛。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，其直流侧电感比较昂贵，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较差，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结构简单、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，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离。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结构。这种结构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。这种结构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较，该拓扑结构具有低开关损耗，整个系统的效率比较高。其缺点也是显而易见的，大量电力电子器件的使用导致成本的上升以及更加复杂的控制算法，另外该种结构电压利用率比较低。   
    2.斩波调阻结构   
    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结构（OptiSlip），也称为斩波调阻结构，如图1所示。这种结构的基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，从而调节转子电流的幅值，控制滑差约在10%的范围之内。该结构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。这种结构电力电子装置的机构相对简单，但是其定子侧功率因数比较低，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.混合结构
    为了降低变流器的成本并且能够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交流励磁控制策略多功能变流器拓扑结构，将整流器、斩波器和逆变器结合在一起，该结构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，导致该结构的主回路结构复杂，很难实现同步速切换过程的过渡，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结构及其控制策略，该控制方法兼备交流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成本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行定子输出有功、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、基本控制算法
    交流励磁结构即双馈变速恒频风力发电系统得到了非常广泛的应用，在其发展过程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，使得交流调速技术发生了质的飞跃，应用在双馈调速上，获得了令人振奋的动静态性能。矢量控制的理论基础是磁场定向原理，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模型的基础上，对坐标轴的交叉耦合信号进行有效的补偿，可以得到类似直流调速的效果。
    双馈系统的矢量控制结构通常将转子交流量分解成有功分量和无功分量，并对之进行闭环控制。通常为了简化双馈矢量控制系统的电磁转矩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，比较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过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结构复杂，性能受电机参数影响，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、其他研究热点
    除了上面提到的一些双馈异步风力发电系统基本控制策略以外，双馈变速恒频异步风力发电系统还有许多研究热点包括：
    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部分。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发展到兆瓦级水平，所以必须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者冲击。
    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提高了成本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，从而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，降低了系统成本，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、总成本以及维护要求。
    3.电网故障状态下风力发电系统不间断运行等方面
    并网型双馈风力发电机系统的定子绕组连接电网上，在运行过程中，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间断运行。电网发生突然跌落时，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热损坏，所以三相电网电压突然跌落时的系统持续运行控制策略的研究是目前研究热点。
    此外，双馈风力发电系统的频率稳定以及无功极限方面也是目前研究的热点。
    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生产的适配于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行励磁，通过引入坐标变换，将转子交流量分解成有功分量和无功分量，并对之进行闭环控制，从而实现对发电机有功和无功的解耦控制    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、结束语
    随着变频技术的蓬勃发展，变速恒频异步发电技术特别是双馈异步风力发电技术得以快速实用，其单机容量已经达到兆瓦级，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取得了许多非常有意义的成果，我国在变频器的产业化上也取得了很大的进展。我们相信双馈变速恒频风力发电技术必将在未来相当长一段时间在风电领域扮演非常重要的角色。