陶波

摘 要：本文主要圍繞變頻技術(shù)在風電設(shè)備中的應用展開研究，以變速恒頻雙饋風力發(fā)電機為研究對象。對發(fā)電系統(tǒng)中交流勵磁控制方式常見的變頻裝置進行了比較分析，對選擇的雙PWM變換器交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的兩個控制單元——網(wǎng)側(cè)PWM變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)PwM變換器進行了控制策略分析及仿真。

關(guān)鍵詞：變速恒頻；變頻技術(shù)；雙PWM變換器

目前我國風力發(fā)電機組的裝機容量已經(jīng)達到1000萬kw以上，美國計劃到2030年裝機容量要達到300Gw。在這種應用情況下，為了提高風力發(fā)電機組的風能至電能的轉(zhuǎn)換效率已成為風力發(fā)電技術(shù)研究的重要內(nèi)容。

風力發(fā)電是一種再生清潔能源，無污染物的排放，不消耗化石燃料；風力發(fā)電機組的配套設(shè)備較少，裝機投產(chǎn)規(guī)模靈活，受制約條件較少；現(xiàn)有技術(shù)投入使得風力發(fā)電機組運行穩(wěn)定可靠，壽命高于火力發(fā)電機組。

風力發(fā)電機系統(tǒng)主要有兩大類，分別為VScF（變速恒頻）和CScF（恒速恒頻）風力發(fā)電機系統(tǒng)。恒速恒頻風力發(fā)電機組是在外界風速不斷變化中通過保持發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速恒定，進而保證轉(zhuǎn)換輸出恒定幅值和頻率的電壓，其主要特點就是只能夠在風速一定的條件下才能轉(zhuǎn)化利用風能，不能夠捕獲最大風能，因而發(fā)電效率低。變速恒頻風力發(fā)電機組能夠控制風輪根據(jù)風速的不斷變化調(diào)整其轉(zhuǎn)速，確保其在較大的風速范圍內(nèi)以最高轉(zhuǎn)換效率工作，受到越來越多人的關(guān)注，是當前風力發(fā)電機組主要應用的技術(shù)和進一步的研究方向。當下應用最廣的是變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組。

雙饋風力發(fā)電機組實現(xiàn)變速恒頻控制的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)子交流勵磁變換，本文針對交流勵磁結(jié)構(gòu)選取及其控制技術(shù)兩個方面進行聯(lián)合控制的方案設(shè)計，提高電能的轉(zhuǎn)換利用率，同時反映變頻技術(shù)在風電設(shè)備中的應用和起到的重要作用。

1 交流勵磁結(jié)構(gòu)

變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)主要的實現(xiàn)手段之一是對其轉(zhuǎn)子進行交流勵磁變換控制。交流勵磁控制方式常見的變頻裝置主要有雙PWM變換器（兩電平電壓型雙PWM變換器）、交一直一交電壓源和電流源并聯(lián)型變頻器、交一交直接變頻器和矩陣式變換器等幾種。雙PWM變換器是通過直流母線連接兩個完全相同的兩電平電壓型三相PWM變換器組成。在設(shè)備運行中，兩個PWM變換器的狀態(tài)來回變換。它主要的優(yōu)點有：技術(shù)成熟，并且市面上具有相應的功率模塊，使用成本低，軟硬件開發(fā)周期短；兩個變換器能夠無干擾的獨立控制，對電網(wǎng)故障的適應性較強；電壓型的PWM變換器能夠較強的控制輸出電壓等。缺點是使用壽命相對短、需要在網(wǎng)側(cè)PWM變換器處加諧波濾波器、功率開關(guān)器件的損耗較大。

交一直一交電壓源和電流源并聯(lián)型變頻器中電流源作為主變換器，承擔主要的功率流動且其功率元器件的開關(guān)頻率很低；電壓源作為輔助變換器，起輔助作用，流經(jīng)其功率元器件的電流少。這種變頻器的最大優(yōu)勢是能夠減少開關(guān)的功率損耗。功率開關(guān)采用晶閘管的電流型交直交變頻器，其直流側(cè)的電感較為昂貴且在轉(zhuǎn)差頻率低的情況下性能一般。此類變頻器由多個獨立的變頻器構(gòu)成，每一個都有自己的獨立控制系統(tǒng)，使得控制軟件變得復雜及硬件成本大大

提高。交一交直接變頻器的開關(guān)器件選擇是晶閘管，主要利用晶閘管在交流電壓的正負變化時導通和關(guān)斷的性能；這種依據(jù)電壓相變控制，實現(xiàn)交一交變頻器的變壓變頻，運行可靠穩(wěn)定。其特點是輸出電壓僅有一些較小的諧波產(chǎn)生，并且其頻率低于交流電源的輸入電壓頻率，適合工作在功率大頻率低的范圍內(nèi)。不足之處在電壓輸出低時，功率因數(shù)也低，且有較多難以抑制的高次諧波，輸出頻率低，變化范圍窄，控制電路復雜。

矩陣式變換器屬于交一交直接變頻器的一種，能夠獲得雙向輸入電流及頻率可調(diào)節(jié)的輸出電壓波形。矩陣式變換器中功率開關(guān)所受熱應力均等，能夠很好處理散熱問題。但是缺點有其電壓傳輸比不高，最大輸出電壓能力低，功率開關(guān)耐壓力差；換流時兩個功率開關(guān)的關(guān)斷和打開之間存在時間差，造成剎那間的短路，需要另選方法解決。上述討論的四種常見的交流勵磁控制方式各有優(yōu)缺點，綜合比較，我們可以選定雙PWM變頻方式作為交流勵磁控制的變換器。

2 控制算法

在雙饋變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用兩電平電壓型雙PwM變頻方式進行交流勵磁變換控制，可以完成風力發(fā)電機組在較大風速范圍內(nèi)捕獲外界風能和調(diào)節(jié)定子的輸出功率。完整的雙PWM變換器交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)還包含有兩個控制單元即網(wǎng)側(cè)PWM變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器，網(wǎng)側(cè)PWM變換器的功能主要是穩(wěn)定控制直流電壓和獲得最佳的輸人性能；而整個變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)高性能是通過轉(zhuǎn)子側(cè)PwM變換器的控制是否有效獲得的。

2.1 網(wǎng)側(cè)變換器電流調(diào)節(jié)控制算法

網(wǎng)側(cè)變換器電流調(diào)節(jié)控制選用PR控制器（即由比例環(huán)節(jié)和廣義積分環(huán)節(jié)組成），因為它能實現(xiàn)補償?shù)痛沃C波，且無需坐標變換就可對輸入的交流信號進行無穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。依據(jù)要求在MATIAB中的Simulink平臺下構(gòu)建了下圖1所示的能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器電流調(diào)制功能的PR控制系統(tǒng)。直流側(cè)電壓值為Vdc=550V，經(jīng)過仿真得到如下圖2所示的直流母線電壓波形圖。

從圖中能夠得出，直流母線電壓經(jīng)前期短時間調(diào)節(jié)后達到持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)，完成穩(wěn)定網(wǎng)側(cè)PwM變換器直流電壓的任務。我們分別取不含諧波補償和包含諧波補償?shù)姆€(wěn)定電網(wǎng)電流，經(jīng)過對其進行時域及頻域分析，對比電網(wǎng)電流頻譜圖驗證PR控制器具有良好的諧波補償性能。

3 結(jié)束語

本文對雙PwM變換器交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的兩個控制單元——網(wǎng)側(cè)PwM變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)PwM變換器進行了控制策略分析及仿真，取得了很好的效果。隨著能源變革不斷深入，變頻技術(shù)不斷發(fā)展，我們相信變頻技術(shù)在風電設(shè)備領(lǐng)域的應用會在很長一段時間起到至關(guān)重要的作用。

參考文獻

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