變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制方案綜述*

張廣明， 吳煜琪， 梅 磊， 季文娟

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

0 引言

并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要求發(fā)電機(jī)的輸出頻率必須與電網(wǎng)頻率一致，為了將隨機(jī)性很強(qiáng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為頻率恒定的交流電，目前國(guó)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(fēng)力發(fā)電設(shè)備單機(jī)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(shì)成為國(guó)內(nèi)外主要采用的控制方式［1］。

1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

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

式中:ρ——空氣密度;

R——風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑;

ωr——風(fēng)輪角速度。

從式(1)和式(3)中可看出，風(fēng)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(dāng)槳葉節(jié)距角β一定時(shí)，CP只由葉尖轉(zhuǎn)速比λ來(lái)決定。風(fēng)力機(jī)只有一個(gè)最大的風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax，此時(shí)對(duì)應(yīng)最佳葉尖速比λopt。在恒速恒頻技術(shù)中，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速不隨風(fēng)速的變化而變化，Cp往往會(huì)偏離最大值，因此風(fēng)力機(jī)就運(yùn)行在低效狀態(tài)。

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

(1)減少了由于陣風(fēng)沖擊而對(duì)風(fēng)力機(jī)組造成的機(jī)械應(yīng)力。它能在風(fēng)速增加時(shí)把陣風(fēng)余量?jī)?chǔ)存在風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中，并在風(fēng)速下降時(shí)，把風(fēng)輪動(dòng)能重新釋放出來(lái)，通過(guò)一定的控制變?yōu)殡娔馨l(fā)給電網(wǎng)。

(2)可使發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)良好的柔性連接，降低風(fēng)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的影響，避免并網(wǎng)沖擊電流過(guò)大，相對(duì)于恒速恒頻技術(shù)，變速恒頻更易實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)操作與運(yùn)行。

(3)可降低風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速運(yùn)行時(shí)的噪聲。

因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外已采用變速恒頻技術(shù)來(lái)取代恒速恒頻技術(shù)，并在最大限度捕獲風(fēng)能和提高發(fā)電效率的技術(shù)上進(jìn)行了深入研究。

2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的控制方案

目前，實(shí)現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有多種控制方案:籠型異步發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)、交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)、無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)、直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)都有自己的特點(diǎn)，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(jī)

此系統(tǒng)采用的發(fā)電機(jī)是籠型轉(zhuǎn)子，定子與同步發(fā)電機(jī)相同，而且無(wú)電刷和滑環(huán)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，運(yùn)行可靠性高。由電網(wǎng)取得感性無(wú)功功率和勵(lì)磁電流，不需要?jiǎng)?lì)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(jī)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(shí)現(xiàn)的，發(fā)電機(jī)的定子通過(guò)交－直－交變換器與電網(wǎng)連接，首先將風(fēng)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(guò)逆變器逆變?yōu)槿囝l率恒定的交流電接到電網(wǎng)［7］。文獻(xiàn)［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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［9］通過(guò)比較采用了PWM整流器后接電壓源型PWM逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，PWM整流器可實(shí)現(xiàn)籠型發(fā)電機(jī)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(yùn)行特性。

圖1 籠型異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

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

2.2 交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)

此系統(tǒng)采用的雙饋異步發(fā)電機(jī)(Double-Fed Induction Generator，DFIG)結(jié)構(gòu)與繞線式異步發(fā)電機(jī)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(duì)稱交流繞組，繞組接線端由三個(gè)滑環(huán)引出，通過(guò)一臺(tái)能量可雙向流動(dòng)的變頻器接入電網(wǎng)［10］。圖2為交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

由電機(jī)學(xué)可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間上是相對(duì)靜止的，因此定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的關(guān)系可表示為

式(4)也可寫(xiě)為

式中:n1、n2——定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速;

nr——轉(zhuǎn)子的電轉(zhuǎn)速;

P——電機(jī)的極對(duì)數(shù);

f1、f2——定、轉(zhuǎn)子電流的頻率。

當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率f2來(lái)保證定子輸出電流頻率f1恒定，從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行。當(dāng)DFIG處于亞同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)(即nr＜n1)，f2＞0，電網(wǎng)通過(guò)變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供了轉(zhuǎn)差功率和正相序低頻交流勵(lì)磁，并由定子將電能發(fā)給電網(wǎng);當(dāng)DFIG處于超同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)(即nr＞n1)，f2＜0，電網(wǎng)通過(guò)變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供了負(fù)相序低頻交流勵(lì)磁。同時(shí)，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(dāng)DFIG處于同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)(即nr=n1)，f2=0，此時(shí)轉(zhuǎn)子采取了直流勵(lì)磁［11-12］。

文獻(xiàn)［13］從能量可雙向流動(dòng)和發(fā)電質(zhì)量等要求上分析了如何選擇雙饋電機(jī)交流勵(lì)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(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)兩者的解耦控制，對(duì)電網(wǎng)還能起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?。由于控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)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(guò)變頻器的容量?jī)H為電機(jī)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(hù)，降低了成本。

新電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)則要求風(fēng)電機(jī)組有一定的低電壓穿越能力，但是由于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)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(jī)的定子上，因此交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的低電壓穿越能力不好，也很難實(shí)現(xiàn)真正意義上的低電壓穿越運(yùn)行［14-15］。

2.3 無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)

與交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)相比，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)(Brushless Double-Fed Motor，BDFM)最大的不同就是沒(méi)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(fēng)電場(chǎng)連續(xù)運(yùn)行，因此成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要選擇［16］。

BDFM的定子側(cè)有兩套級(jí)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(guò)一個(gè)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(shí)耦合著兩套定子繞組，其極對(duì)數(shù)應(yīng)為定子兩個(gè)繞組極對(duì)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(xiàn)［19］通過(guò)公式推導(dǎo)得出發(fā)電機(jī)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(lì)磁電流后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(duì)數(shù)。

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

雖然BDFM有著突出的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著明顯的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［21］從級(jí)聯(lián)式和獨(dú)立式兩種不同類型的BDFM分別進(jìn)行分析。對(duì)于級(jí)聯(lián)式而言，由于需要額外增加一臺(tái)控制電機(jī)，會(huì)損失電機(jī)的運(yùn)行效率。對(duì)于獨(dú)立式，定子繞組需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，繞組的布局問(wèn)題成為一個(gè)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(jī)

隨著電力部門(mén)對(duì)風(fēng)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(jī)在風(fēng)電領(lǐng)域受到越來(lái)越多的重視。相比之前提到的雙饋發(fā)電機(jī)，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)由于其電樞繞組通過(guò)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(huì)直接影響到電機(jī)定子端電壓，在直流側(cè)上增加文獻(xiàn)［22］中提到的Crowbar保護(hù)電路，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的低電壓穿越運(yùn)行。此外，風(fēng)力機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)直接耦合，省去了易產(chǎn)生故障的齒輪箱，從而大大提高風(fēng)機(jī)整體可靠性，并減小噪聲，降低運(yùn)行維護(hù)成本。由于該機(jī)型的轉(zhuǎn)子采用永磁型結(jié)構(gòu)，可自身勵(lì)磁，沒(méi)有了勵(lì)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(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖4 直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

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

3 結(jié)語(yǔ)

采用變速恒頻技術(shù)，可以最大限度地捕獲風(fēng)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?cè)谛阅苌细饔欣住?/p>

雖然雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在當(dāng)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(jī)在市場(chǎng)上占有的份額逐年提高，直驅(qū)機(jī)組對(duì)于齒輪箱設(shè)計(jì)機(jī)組是一種顛覆性的技術(shù)，在相同風(fēng)況下，其發(fā)電量更大，而且較低的運(yùn)行和維護(hù)成本讓其優(yōu)勢(shì)更為突顯。因此，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)將是未來(lái)世界風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。

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