張廣明， 吳煜琪， 梅 磊， 季文娟

(南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京 211816)

0 引言

并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組要求發(fā)電機的輸出頻率必須與電網(wǎng)頻率一致，為了將隨機性很強的風能轉(zhuǎn)換為頻率恒定的交流電，目前國內(nèi)外有兩種基本的方法，即恒速恒頻系統(tǒng)(CSCF)和變速恒頻系統(tǒng)(VSCF)。隨著風力發(fā)電設(shè)備單機容量的增大及電力電子技術(shù)的發(fā)展，變速恒頻技術(shù)以顯著的優(yōu)勢成為國內(nèi)外主要采用的控制方式［1］。

1 變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢

變速恒頻技術(shù)是指在風力發(fā)電過程中，風力機的轉(zhuǎn)速隨風速的變化而變化，并通過一系列控制方式來獲得恒定的電能。文獻［2-3］介紹了風力機功率主要受三個因素的影響:風速V、槳葉節(jié)距角β和葉尖速比λ。風力機的機械功率Pm為

式中:ρ——空氣密度;

R——風力機風輪半徑;

ωr——風輪角速度。

從式(1)和式(3)中可看出，風能的利用系數(shù)CP與葉尖轉(zhuǎn)速比λ和槳葉節(jié)距角β有關(guān)，當槳葉節(jié)距角β一定時，CP只由葉尖轉(zhuǎn)速比λ來決定。風力機只有一個最大的風能利用系數(shù)Cpmax，此時對應(yīng)最佳葉尖速比λopt。在恒速恒頻技術(shù)中，風力機的轉(zhuǎn)速不隨風速的變化而變化，Cp往往會偏離最大值，因此風力機就運行在低效狀態(tài)。

變速恒頻技術(shù)可以在不同風速下運行于不同轉(zhuǎn)速，進而實現(xiàn)追求風能最大轉(zhuǎn)換效率，正好彌補了恒速恒頻風力發(fā)電機總是處于低效狀態(tài)的缺陷，這是該類型風力發(fā)電機最主要的優(yōu)點。此外，變速運行還有如下優(yōu)點［4-5］:

(1)減少了由于陣風沖擊而對風力機組造成的機械應(yīng)力。它能在風速增加時把陣風余量儲存在風輪機轉(zhuǎn)動慣量中，并在風速下降時，把風輪動能重新釋放出來，通過一定的控制變?yōu)殡娔馨l(fā)給電網(wǎng)。

(2)可使發(fā)電機組與電網(wǎng)系統(tǒng)之間實現(xiàn)良好的柔性連接，降低風電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的影響，避免并網(wǎng)沖擊電流過大，相對于恒速恒頻技術(shù)，變速恒頻更易實現(xiàn)并網(wǎng)操作與運行。

(3)可降低風力機在低風速運行時的噪聲。

因為這些優(yōu)勢，國內(nèi)外已采用變速恒頻技術(shù)來取代恒速恒頻技術(shù)，并在最大限度捕獲風能和提高發(fā)電效率的技術(shù)上進行了深入研究。

2 變速恒頻風力發(fā)電的控制方案

目前，實現(xiàn)變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)有多種控制方案:籠型異步發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)、交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)、無刷雙饋異步發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)、直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)都有自己的特點，下面將分別介紹這4種主要的控制方案。

2.1 籠型異步發(fā)電機

此系統(tǒng)采用的發(fā)電機是籠型轉(zhuǎn)子，定子與同步發(fā)電機相同，而且無電刷和滑環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單牢固，運行可靠性高。由電網(wǎng)取得感性無功功率和勵磁電流，不需要勵磁裝置，因此尺寸較小，質(zhì)量較輕［6］。圖1為籠型異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖。

該系統(tǒng)的變速恒頻控制策略是在定子電路實現(xiàn)的，發(fā)電機的定子通過交－直－交變換器與電網(wǎng)連接，首先將風能轉(zhuǎn)化為幅值和頻率變化的交流電，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟?，然后?jīng)過逆變器逆變?yōu)槿囝l率恒定的交流電接到電網(wǎng)［7］。文獻［8］介紹了電力電子變流電路(整流器和逆變器)各種不同的拓撲結(jié)構(gòu)。文獻［9］通過比較采用了PWM整流器后接電壓源型PWM逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，PWM整流器可實現(xiàn)籠型發(fā)電機的磁鏈及轉(zhuǎn)矩分量的解耦控制，PWM逆變器可保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，諧波含量低，逆變效果好，此控制策略更加靈活和有利于提高系統(tǒng)的運行特性。

圖1 籠型異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖

但是由于變頻器在發(fā)電機的定子側(cè)，這樣就會使變頻器的容量與發(fā)電機的容量相同，導致了變頻器的體積和重量過大，成本也相應(yīng)提高。

2.2 交流勵磁雙饋發(fā)電機

此系統(tǒng)采用的雙饋異步發(fā)電機(Double-Fed Induction Generator，DFIG)結(jié)構(gòu)與繞線式異步發(fā)電機類似，定子繞組直接接入工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子采用了三相分布式對稱交流繞組，繞組接線端由三個滑環(huán)引出，通過一臺能量可雙向流動的變頻器接入電網(wǎng)［10］。圖2為交流勵磁雙饋發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖。

圖2 交流勵磁雙饋發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖

由電機學可知，當發(fā)電機穩(wěn)定運行時，定、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場在空間上是相對靜止的，因此定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的關(guān)系可表示為

式(4)也可寫為

式中:n1、n2——定、轉(zhuǎn)子磁場的轉(zhuǎn)速;

nr——轉(zhuǎn)子的電轉(zhuǎn)速;

P——電機的極對數(shù);

f1、f2——定、轉(zhuǎn)子電流的頻率。

當風速變化時，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率f2來保證定子輸出電流頻率f1恒定，從而實現(xiàn)變速恒頻運行。當DFIG處于亞同步運行狀態(tài)時(即nr＜n1)，f2＞0，電網(wǎng)通過變頻器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供了轉(zhuǎn)差功率和正相序低頻交流勵磁，并由定子將電能發(fā)給電網(wǎng);當DFIG處于超同步運行狀態(tài)時(即nr＞n1)，f2＜0，電網(wǎng)通過變頻器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供了負相序低頻交流勵磁。同時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率回饋給電網(wǎng)，變頻器的能量流向變?yōu)槟嫦?當DFIG處于同步運行狀態(tài)時(即nr=n1)，f2=0，此時轉(zhuǎn)子采取了直流勵磁［11-12］。

文獻［13］從能量可雙向流動和發(fā)電質(zhì)量等要求上分析了如何選擇雙饋電機交流勵磁用的變頻器，提出了目前最為廣泛應(yīng)用的雙PWM變頻器，可靈活調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，實現(xiàn)兩者的解耦控制，對電網(wǎng)還能起到無功補償?shù)淖饔?。由于控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的，變頻器向轉(zhuǎn)子提供的轉(zhuǎn)差功率僅為一小部分定子額定功率。因此，流過變頻器的容量僅為電機容量的一部分(約為25% ～30%)，減少了變頻器的容量和體積，易于安裝和維護，降低了成本。

新電網(wǎng)運行規(guī)則要求風電機組有一定的低電壓穿越能力，但是由于交流勵磁發(fā)電機的定子側(cè)直接與電網(wǎng)相連接，電網(wǎng)電壓的跌落直接作用在發(fā)電機的定子上，因此交流勵磁發(fā)電機的低電壓穿越能力不好，也很難實現(xiàn)真正意義上的低電壓穿越運行［14-15］。

2.3 無刷雙饋發(fā)電機

與交流勵磁雙饋發(fā)電機相比，無刷雙饋發(fā)電機(Brushless Double-Fed Motor，BDFM)最大的不同就是沒有電刷和滑環(huán)，既降低了系統(tǒng)的成本，又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，適合在惡劣環(huán)境的風電場連續(xù)運行，因此成為風力發(fā)電機的主要選擇［16］。

BDFM的定子側(cè)有兩套級數(shù)不同的繞組，分別為功率繞組和控制繞組。功率繞組直接接電網(wǎng)，而控制繞組通過一個雙向變頻器與電網(wǎng)相連接，兩套定子繞組在電路和磁路方面都是解耦的。轉(zhuǎn)子可采用籠型或磁阻式結(jié)構(gòu)，由于轉(zhuǎn)子同時耦合著兩套定子繞組，其極對數(shù)應(yīng)為定子兩個繞組極對數(shù)之和［17-18］。圖3為BDFM結(jié)構(gòu)圖。

圖3 BDFM結(jié)構(gòu)圖

文獻［19］通過公式推導得出發(fā)電機功率繞組的電頻率為

式中:fp、fc——功率繞組、控制繞組的頻率;

nc——向控制繞組通入勵磁電流后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速;

nr、np——轉(zhuǎn)子、功率繞組的轉(zhuǎn)速;

pc、pp——控制繞組、功率繞組的極對數(shù)。

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nr發(fā)生變化時，只要改變控制繞組的輸入電流頻率fc，就可以使發(fā)電機輸出頻率fp保持不變，從而實現(xiàn)變速恒頻控制。此外，BDFM仍然繼承了交流勵磁雙饋發(fā)電機變頻器容量小、輸入輸出特性優(yōu)良、功率因素高的優(yōu)點，且可實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制［20］。

雖然BDFM有著突出的優(yōu)點，但也存在著明顯的缺點。文獻［21］從級聯(lián)式和獨立式兩種不同類型的BDFM分別進行分析。對于級聯(lián)式而言，由于需要額外增加一臺控制電機，會損失電機的運行效率。對于獨立式，定子繞組需要進行特殊設(shè)計，繞組的布局問題成為一個比較困難的關(guān)鍵性技術(shù)。

2.4 直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機

隨著電力部門對風力發(fā)電要求的提高，最近幾年，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機在風電領(lǐng)域受到越來越多的重視。相比之前提到的雙饋發(fā)電機，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機由于其電樞繞組通過背靠背全功率變流器與電網(wǎng)相連接，電網(wǎng)電壓的跌落不會直接影響到電機定子端電壓，在直流側(cè)上增加文獻［22］中提到的Crowbar保護電路，可實現(xiàn)真正意義上的低電壓穿越運行。此外，風力機和永磁同步發(fā)電機直接耦合，省去了易產(chǎn)生故障的齒輪箱，從而大大提高風機整體可靠性，并減小噪聲，降低運行維護成本。由于該機型的轉(zhuǎn)子采用永磁型結(jié)構(gòu)，可自身勵磁，沒有了勵磁繞組的損耗，大幅降低了電的損失，可以提高發(fā)電效率3% ～5%［23-24］。圖4為直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖。

圖4 直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖

從文獻［25］可知，雖然相對于雙饋發(fā)電機，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機有明顯的優(yōu)勢，但也存在著一些缺點。由于省去了齒輪箱，發(fā)電機必須把轉(zhuǎn)子全部轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為電能，因此為了彌補轉(zhuǎn)速只能增加發(fā)電機的半徑，體積變大，給運輸和安裝帶來了一定的難度。同時，變頻器的容量必須與發(fā)電機的容量一致，這也導致變頻器體積和重量的升高。此外，直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機在過冷、過熱下均沒有優(yōu)勢，容易失磁。

3 結(jié)語

采用變速恒頻技術(shù)，可以最大限度地捕獲風能和提高發(fā)電效率。本文介紹了4種主要的變速恒頻控制方案，它們在性能上各有利弊。

雖然雙饋風力發(fā)電機在當今世界仍然是主流發(fā)電方式，但最近幾年，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機在市場上占有的份額逐年提高，直驅(qū)機組對于齒輪箱設(shè)計機組是一種顛覆性的技術(shù)，在相同風況下，其發(fā)電量更大，而且較低的運行和維護成本讓其優(yōu)勢更為突顯。因此，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機將是未來世界風電技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。

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