高 峰

（內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資集團(tuán)新能源有限公司，呼和浩特 010020）

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風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流技術(shù)的分析

高 峰

（內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資集團(tuán)新能源有限公司，呼和浩特 010020）

［摘 要］本文首先對(duì)變流技術(shù)進(jìn)行了簡要介紹，在此基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中變流技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行論述。期望通過本文的研究能對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行有所幫助。

［關(guān)鍵詞］風(fēng)力發(fā)電；變流技術(shù)；變換器；逆變器

1　變流技術(shù)簡介

所謂的變流技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)以電路理論為基礎(chǔ)，以電力電子器件構(gòu)成各種電力變換的電路，對(duì)電路進(jìn)行控制，形成更復(fù)雜的裝置或系統(tǒng)。變流技術(shù)是隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展而出現(xiàn)的交叉新技術(shù)，從早期的以晶閘管為代表的分立器件，發(fā)展為功率集成器件，到現(xiàn)在的功率集成電路。目前，在器件結(jié)構(gòu)上，已經(jīng)開發(fā)出具有智能化功能的模塊，而在器件的控制模式上，也從原本的電流型控制發(fā)展為電壓型控制，由此不但降低了柵極的控制功能，還使器件導(dǎo)通與關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度大幅度提升，器件的工作頻率隨之提高。變流技術(shù)的應(yīng)用范圍涉及以下幾個(gè)方面：一是整流，可實(shí)現(xiàn)AC/DC變換；二是逆變，可實(shí)現(xiàn)DC/AC變換；三是變頻，可實(shí)現(xiàn)AC/AC(AC/DC/AC)變換；四是斬波，可實(shí)現(xiàn)DC/DC變換；五是靜止式固態(tài)斷路器，可實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)的開關(guān)與斷路器功能，能控制電能的通斷?，F(xiàn)階段，變流技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其以自身的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)當(dāng)中，下面本文重點(diǎn)對(duì)變流技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

2　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流技術(shù)的應(yīng)用

2.1直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器

永磁直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，主要包括以下設(shè)備：永磁同步發(fā)電機(jī)、三相整流器和三相逆變器以及輸出濾波器等。作為該系統(tǒng)核心的并網(wǎng)變流技術(shù)一直是業(yè)內(nèi)人士研究的重點(diǎn)課題，隨著研究的不斷深入，VSR（三相電壓源型整流器）在該系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。VSR有兩種控制模式，一種是輸出電流，另一種輸出電壓。前者是通過對(duì)并網(wǎng)電流大小的調(diào)節(jié)對(duì)并網(wǎng)的有功和無功功率進(jìn)行控制，其特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、功率因數(shù)高。然而，因這種控制方式的輸出具有電流源的特性，故此無法直接供給負(fù)載使用。后者是通過對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制對(duì)并網(wǎng)有功和無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，可直接為普通電力用戶進(jìn)行供電。下面基于這兩種控制方式分別提出變流控制方法。2.2輸出電流控制模式下風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)變換器控制

當(dāng)直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組向大電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，網(wǎng)側(cè)變換器能實(shí)現(xiàn)電能的雙向流通?；谶@一前提，使得變換器出現(xiàn)了以下兩種工作狀況，一種是變換器從電網(wǎng)當(dāng)中吸收電能時(shí)，其處于整流運(yùn)行狀態(tài)；另一種是電網(wǎng)傳輸電能時(shí)，變換器處于有源逆變運(yùn)行狀態(tài)。

在直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中，網(wǎng)側(cè)PWM變換器從電網(wǎng)當(dāng)中吸收的有功與無功功率可用下式表示。

在d軸電網(wǎng)電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系當(dāng)中，Pg=edid，Qg=-edid。當(dāng)Pg＞0，表示網(wǎng)側(cè)PWM變換器處于整流運(yùn)行狀態(tài)，其會(huì)從電網(wǎng)當(dāng)中吸收能量；當(dāng)Pg＜0，則表示變換器處于逆變運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)能量會(huì)饋入到電網(wǎng)中。當(dāng)Qg＞0，表示網(wǎng)側(cè)的PWM變換器呈現(xiàn)出感性的特征，此時(shí)變換器會(huì)從電網(wǎng)當(dāng)中吸收超前無功功率；而當(dāng)Qg＜0，則表示網(wǎng)側(cè)的PWM變換器呈現(xiàn)出容性的特征，此時(shí)，變換器會(huì)從電網(wǎng)當(dāng)中吸收滯后的無功功率。在不計(jì)任何損耗的情況下，可得到變換器交直流側(cè)的功率平衡關(guān)系。對(duì)于直流側(cè)電容母線而言，其電壓能否保持穩(wěn)定主要取決于發(fā)電系統(tǒng)的功率平衡關(guān)系，相關(guān)研究結(jié)果表明，直流側(cè)輸入功率高于交流側(cè)輸出功率時(shí)，多余的能量將會(huì)存儲(chǔ)在母線的電容當(dāng)中，由此會(huì)導(dǎo)致母線電壓升高，反之則會(huì)導(dǎo)致母線電壓降低。由此可知，對(duì)輸出的有功電流分量進(jìn)行快速控制，可使直流側(cè)母線的電壓保持穩(wěn)定狀態(tài)。鑒于此，可采用電流內(nèi)環(huán)和直流側(cè)電壓外環(huán)的控制策略，實(shí)現(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)測(cè)有功功率與無功功率的獨(dú)立控制，是直流側(cè)的母線電壓保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3輸出電壓控制模式下風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器控制

通常情況下，以分布式的發(fā)電方式獨(dú)立向電力用戶提供電能時(shí)，會(huì)采用電壓控制模式。在小型發(fā)配電系統(tǒng)當(dāng)中，三相并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與常規(guī)逆變電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大體相同，兩者之間并無較大差異，它們的逆變單元全都采用的是電壓型全橋逆變主電路。

直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)歸屬于閉環(huán)系統(tǒng)的范疇，對(duì)于這樣的系統(tǒng)而言，合理的控制回路是確保其穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，也是使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期性能指標(biāo)的前提和基礎(chǔ)。在獨(dú)立的供電系統(tǒng)當(dāng)中，輸出電壓的控制目標(biāo)主要是為了提高逆變器輸出電壓的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。鑒于此，在輸出電壓模式下，直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)可采用輸出電壓/電流瞬時(shí)雙閉環(huán)控制策略，其中內(nèi)環(huán)可采用電感電壓瞬時(shí)調(diào)節(jié)環(huán)，它能使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能獲得進(jìn)一步提升；而外環(huán)則可采用瞬時(shí)電壓控制環(huán)，其能有效改善系統(tǒng)輸出電壓的波形，使系統(tǒng)的輸出精度有所提升。在對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，為了避免PWM逆變器dq軸變量相互耦合對(duì)控制效果的影響，可采用前饋解耦的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3　結(jié) 語

在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，變流器以其自身所具備的靈活控制等優(yōu)越特性，成為系統(tǒng)控制的必然選擇。本文以直驅(qū)式風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分析了輸出電流和輸出電壓兩種控制模式下，變流技術(shù)的控制策略，結(jié)果表明，在輸出電流控制模式下，可采用電流內(nèi)環(huán)和直流側(cè)電壓外環(huán)的控制策略對(duì)系統(tǒng)的有功和無功功率進(jìn)行控制；在輸出電壓模式下，則可電壓/電流瞬時(shí)雙閉環(huán)控制策略對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

主要參考文獻(xiàn)

［1］胡書舉,趙棟利,李建林.基于永磁同步發(fā)電機(jī)的直驅(qū)風(fēng)電雙脈寬調(diào)制變流器的研制［J］.動(dòng)力工程,2012(2).

［2］姚駿,廖勇,莊凱.永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的雙 PWM 變換器協(xié)調(diào)控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013(12).

［3］馬洪飛,徐殿國,苗立杰.幾種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制方案的對(duì)比分析［J］.電工技術(shù)雜志,2011(10).

［收稿日期］2015-11-24

［中圖分類號(hào)］F273；TM614

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1673-0194(2016)02-0068-01

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.02.054