倪 鑠，華成龍

(西安德納檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司，西安 710000)

0 引 言

隨著社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的逐漸發(fā)展，電能在社會(huì)生產(chǎn)和群眾生活質(zhì)量提升等方面得到廣泛應(yīng)用，為保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性，各個(gè)電力企業(yè)不得不將各種發(fā)電技術(shù)引入日常電能生產(chǎn)中。其中雙饋型風(fēng)力發(fā)電變流器使風(fēng)力發(fā)電的效率得到大幅提升，其不僅可以節(jié)約發(fā)電資源的消耗，還可以減少因發(fā)電而產(chǎn)生的環(huán)境污染。

1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電變流器作用

1.1 基本原理

雙饋型風(fēng)力發(fā)電變流器的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)存在一定的相似之處，該類(lèi)型發(fā)電系統(tǒng)采取轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁的方式進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電。現(xiàn)階段，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的變流器主要包括恒速控制變流器和變速發(fā)電變流器。其中恒速控制變流器具有比較強(qiáng)的穩(wěn)定性，另一種對(duì)自然感知能力較強(qiáng)可根據(jù)環(huán)境中的風(fēng)力進(jìn)行調(diào)整。不同環(huán)境下高效利用風(fēng)力會(huì)產(chǎn)生比較好的發(fā)電效果，因此變速發(fā)電變流器在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中更加常見(jiàn)。其主要是通過(guò)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而形成磁場(chǎng)，低速勻速磁場(chǎng)與設(shè)備機(jī)械的運(yùn)行相結(jié)合待達(dá)到定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速將實(shí)現(xiàn)兩者同步，在此期間風(fēng)力發(fā)電機(jī)將感應(yīng)到繞組電壓。因變速型發(fā)電變流器以轉(zhuǎn)速為基礎(chǔ)，其功率在定子額和定功率中占據(jù)成分比較少，使變頻器結(jié)構(gòu)組成比較小巧，一定程度上降低了變頻器的生產(chǎn)成本。對(duì)轉(zhuǎn)子相對(duì)進(jìn)行控制將實(shí)現(xiàn)變流器的靈活調(diào)節(jié)，促使發(fā)電設(shè)備得到更加穩(wěn)定的運(yùn)作[1]。

1.2 發(fā)電特性

雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成中齒輪箱與發(fā)電機(jī)相連，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)期間的速率受到風(fēng)力等外因的控制，為使頻率更加穩(wěn)定，相關(guān)工作人員應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，將頻率控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)保證變速恒頻得到更好的發(fā)揮。

1.3 變流器作用

通過(guò)轉(zhuǎn)變勵(lì)磁電流的頻率，進(jìn)而調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將達(dá)到交流調(diào)速的基本目的，按照最好的運(yùn)作方式來(lái)調(diào)整發(fā)電機(jī)的運(yùn)行功率(見(jiàn)表1)。以改變勵(lì)磁電流相位的形式來(lái)改變發(fā)電機(jī)的空載電勢(shì)與電網(wǎng)電壓等矢量之間的相位，進(jìn)而轉(zhuǎn)變發(fā)電機(jī)功率。由此可知，通過(guò)調(diào)整勵(lì)磁電流一方面可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率，另一方面可以調(diào)整風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有功功率。其中變流器分為網(wǎng)側(cè)變流器和機(jī)側(cè)變流器，前者可以形成穩(wěn)定直流電流，后者可產(chǎn)生可變的交流電壓。

表1 勵(lì)磁電流頻率

2 雙饋型風(fēng)力發(fā)電變流器控制

2.1 雙饋型發(fā)電變流器組成

雙饋?zhàn)兞髌鞯慕M成相對(duì)而言比較復(fù)雜，主要包括斷路器、DUT電抗、并網(wǎng)接觸器、網(wǎng)側(cè)濾波器、電源系統(tǒng)、預(yù)充電回路、控制回路以及低電壓穿越回路等等組成部分。斷路器配置在電網(wǎng)和定子中間，主要作用是斷路保護(hù)。

并網(wǎng)接觸器主要作用是控制定子并網(wǎng)，其機(jī)械壽命和電氣壽命均比斷路器久。

勵(lì)磁接觸器在網(wǎng)側(cè)變流器供電和轉(zhuǎn)子側(cè)能量接入電網(wǎng)過(guò)程中起到控制分?jǐn)嘧饔谩?/p>

DUT濾波器的作用主要是為了抑制長(zhǎng)電纜寄生電容導(dǎo)致的電機(jī)繞組過(guò)電壓現(xiàn)象的發(fā)生。

網(wǎng)側(cè)濾波器的作用主要是減少變流器向電網(wǎng)輸送電流諧波，確保較高質(zhì)量的電能輸入電網(wǎng)。

變流器運(yùn)行之前直流母線沒(méi)有電壓，預(yù)充電回路為母線充電。其繞開(kāi)勵(lì)磁接觸器在吸合前為母線充電，進(jìn)而保護(hù)母線電容不受到電網(wǎng)電壓沖擊。

電源系統(tǒng)是裝置的重要組成部分，其穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行將直接影響整個(gè)裝置。

控制回路主要使用24VDC和AC220 V供電的設(shè)備，使用機(jī)側(cè)控制器、網(wǎng)側(cè)控制器、光電轉(zhuǎn)換板以及ASIC板和部分繼電器將實(shí)現(xiàn)變流器保護(hù)。

低電壓回路一般使用CROWBAR裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。

2.2 變速恒頻變流器的控制

2.2.1 運(yùn)行狀態(tài)

變流器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟磁場(chǎng)內(nèi)部定子轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于磁場(chǎng)內(nèi)部的定子轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)的使用狀態(tài)就無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，其可以稱(chēng)為亞同步狀況。變換器需要為轉(zhuǎn)子提供所需的勵(lì)磁電流，從而保證磁場(chǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，電子磁場(chǎng)可感應(yīng)到電子的生成并將電能輸送至電網(wǎng)中。若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)定子轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)的使用效用將超出電機(jī)的發(fā)電狀態(tài)，此狀態(tài)被稱(chēng)為超同步運(yùn)行狀況。此時(shí)，定子將不再單純的向電網(wǎng)輸送電能，轉(zhuǎn)子也將作為發(fā)電部分融入電力傳輸過(guò)程中。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子轉(zhuǎn)速相統(tǒng)一時(shí)，二者將形成同步運(yùn)作狀態(tài)，期間就是變速恒頻發(fā)電變流器的最好運(yùn)作狀態(tài)，此時(shí)為保證轉(zhuǎn)子的正常運(yùn)作就需要PWM向轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)提供勵(lì)磁電流[2]。

2.2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器可實(shí)現(xiàn)有功功率狀態(tài)下的解耦和無(wú)功功率狀態(tài)下的控制。除此之外，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器對(duì)無(wú)功和有關(guān)進(jìn)行控制可更好的實(shí)現(xiàn)恒頻輸出。為實(shí)現(xiàn)解耦控制需對(duì)相關(guān)方程式進(jìn)行計(jì)算，通常選用磁場(chǎng)都是選擇矢量控制等方式。此后應(yīng)構(gòu)建PWM系統(tǒng)控制框架在系統(tǒng)框架中找到相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出電流指令進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速操作。

2.2.3 網(wǎng)側(cè)變流器的控制

使用網(wǎng)側(cè)變流器主要是為了保證發(fā)電期間電壓的穩(wěn)定，電壓穩(wěn)定時(shí)功率能夠按照設(shè)定因數(shù)開(kāi)始變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變流器系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)作。使用網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)電流的控制也采取矢量控制的方式，主要原因是電網(wǎng)在電流輸送期間電壓的幅值和相位一般保持在較為恒定的狀態(tài)，不發(fā)生躍變。根據(jù)網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)時(shí)采集的電壓電流幅值和相位信息，可以找到相應(yīng)矢量控制信息，得到解耦控制函數(shù)，分解出電壓電流的正序或負(fù)序或零序分量。根據(jù)實(shí)時(shí)采集的高采樣率數(shù)據(jù)建立網(wǎng)側(cè)變流器系統(tǒng)函數(shù)，根據(jù)不同指令值進(jìn)行策略響應(yīng)和控制指令下發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)側(cè)變流器的目的。

2.3 變速恒頻交流器并網(wǎng)控制策略

使用變速恒頻交流器進(jìn)行并網(wǎng)工作有很多種方式，該變流器可以根據(jù)輸電網(wǎng)絡(luò)形成柔性連接，根據(jù)風(fēng)力對(duì)發(fā)電系統(tǒng)中的電壓、轉(zhuǎn)速等對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而使電路電壓能夠達(dá)到并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.1 空載并網(wǎng)

根據(jù)空載并網(wǎng)含義得出將定子電流設(shè)定為零并根據(jù)頻率等相關(guān)信息，對(duì)變速恒頻變流器進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)整，可保證上述信息與空載電子的電壓保持一致。利用空載的方式實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)需發(fā)電機(jī)正載運(yùn)行并隔離發(fā)電機(jī)使用，避免發(fā)電設(shè)備能量的轉(zhuǎn)化能對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，期間主要參與設(shè)備就是原動(dòng)機(jī)。

2.3.2 負(fù)載入網(wǎng)

負(fù)載入網(wǎng)的方式與上述空載并網(wǎng)恰好相反，進(jìn)行入網(wǎng)前應(yīng)保證變速恒頻風(fēng)力發(fā)電變流器的負(fù)載運(yùn)作，收集相關(guān)電壓的數(shù)據(jù)信息后對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)電壓信息控制達(dá)到入網(wǎng)需求時(shí)，即可對(duì)其進(jìn)行入網(wǎng)工作。入網(wǎng)前變流器處于負(fù)載運(yùn)作狀態(tài)，所以電壓信息提取將不再針對(duì)電網(wǎng)一側(cè)還需將定子側(cè)數(shù)據(jù)概括其中。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，雙饋發(fā)電機(jī)組促使雙饋型風(fēng)力發(fā)電變流器得到廣泛應(yīng)用。由于發(fā)展時(shí)間較短，該技術(shù)還存在一定的不足，故障率比較高，應(yīng)做好雙饋性風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)的控制工作，降低故障率。爭(zhēng)取有效利用雙饋發(fā)電機(jī)組，促進(jìn)低碳發(fā)電的發(fā)展，為雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及變流器帶來(lái)更加廣闊的發(fā)展空間。