風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器的研究與設(shè)計(jì)

李 元

內(nèi)蒙古中廣核風(fēng)力發(fā)電有限公司

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器的研究與設(shè)計(jì)

李 元

內(nèi)蒙古中廣核風(fēng)力發(fā)電有限公司

目前，風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電使用最多的方式之一，目前大量新建的風(fēng)電場(chǎng)直接接入輸電網(wǎng)，而風(fēng)機(jī)是旋轉(zhuǎn)設(shè)備，因此其對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一定會(huì)產(chǎn)生影響。對(duì)雙饋感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的模型及其控制裝置進(jìn)行了建模，并對(duì)其接入電力系統(tǒng)后，對(duì)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果顯示，風(fēng)機(jī)的特征及控制將對(duì)電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

變流器；風(fēng)力發(fā)電；控制

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的勢(shì)頭日益迅猛，對(duì)各種可再生能源的開(kāi)發(fā)與研究的速度也逐漸加快。風(fēng)能作為可再生能源，受到各國(guó)的普遍關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也在近幾年快速發(fā)展。隨著風(fēng)能的逐漸開(kāi)發(fā)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電方式也經(jīng)歷了從恒速恒頻到變速恒頻的變化。變速恒頻發(fā)電是一種新型的風(fēng)力發(fā)電方式，它運(yùn)用各種電力技術(shù)﹑轉(zhuǎn)換技術(shù)和微機(jī)技術(shù)等等進(jìn)行發(fā)電機(jī)的控制，讓發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)轉(zhuǎn)，讓風(fēng)能的利用率達(dá)到最大，是一種新型的﹑高效率﹑高質(zhì)量的發(fā)電方式。要想實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，其中的核心部件就是發(fā)電機(jī)組的變流器，因此需要加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)組的變流器技術(shù)的研究。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 變流器主系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

根據(jù)上述技術(shù)指標(biāo)的要求和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作要求，結(jié)合變頻器設(shè)計(jì)的相關(guān)方法可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器主系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括六部分：首先是要選擇合適的同步電機(jī)，這里為滿(mǎn)足工作需要選用六項(xiàng)永磁同步電機(jī)；其次是變流器的選擇，在第二部分的介紹中提到，現(xiàn)在使用比較普遍的是PWM變流器，這里為了更好地實(shí)現(xiàn)變流效果，選用雙PWM變流器，采用背靠背的方式安裝；在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中為了保持發(fā)電恒頻，需要對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓進(jìn)行調(diào)解，因此需要使用調(diào)壓器；在變流器的輸入端和輸出度端需要安裝濾波器，過(guò)濾掉諧波的影響；在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程完成之后需要將生產(chǎn)的電力輸送到電網(wǎng)中，也就是要進(jìn)行并網(wǎng)，因此要設(shè)計(jì)相應(yīng)的并網(wǎng)裝置和系統(tǒng)保護(hù)裝置；使用定點(diǎn)DSP控制器控制功率模塊的運(yùn)行。各組成部分之間利用不同的方式實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)：功率模塊IGBT采用并聯(lián)的方式進(jìn)行組合，而且可以利用CAN通訊協(xié)議進(jìn)行兩個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸交流；發(fā)電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的兩組控制器通過(guò)光纖把變流器中的驅(qū)動(dòng)脈沖傳輸?shù)奖籇SP控制的功率模塊的驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)，實(shí)現(xiàn)通信。

1.2 變流控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)變流系統(tǒng)的全面控制，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模塊控制層﹑變流器組控制層和變流系統(tǒng)控制層三層結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)。

(1)模塊控制層模塊控制層主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)變流器系統(tǒng)中各個(gè)模塊單元的控制，實(shí)現(xiàn)模塊單元的各種功能，比如說(shuō)對(duì)功率器件的驅(qū)動(dòng)﹑對(duì)風(fēng)扇的啟動(dòng)控制﹑對(duì)變流器的調(diào)制等。模塊控制層使用到的功能模塊主要包括電源板﹑風(fēng)扇控制板﹑DSP控制板和IGBT驅(qū)動(dòng)板。(2)變流器組控制層變流器是發(fā)電機(jī)組變流系統(tǒng)的核心部件，要對(duì)變流器組進(jìn)行單獨(dú)控制。變流器組控制層要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)的準(zhǔn)確控制。一方面要保護(hù)變流器組的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸以及對(duì)功率模塊的指令傳輸?shù)?；另一方面要?duì)變流器運(yùn)行中的急停和非正常啟動(dòng)等現(xiàn)象做出有效的保護(hù)，避免變流器發(fā)生破壞。(3)變流系統(tǒng)控制層通過(guò)變流系統(tǒng)控制層實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)全功率變流系統(tǒng)的綜合控制以及對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)控制。三層控制結(jié)構(gòu)中，模塊控制層的控制模板與其他主要的模塊單元組裝在一起，統(tǒng)一安裝在發(fā)電機(jī)組變流系統(tǒng)的功率單元柜中，平時(shí)便于管理，不會(huì)受到干擾，出現(xiàn)故障的時(shí)候能夠快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在進(jìn)行及時(shí)的維修處理。變流器組控制層和變流系統(tǒng)控制層平時(shí)操作比較多，需要放置在便于操作的地方，因此將這兩層控制結(jié)構(gòu)布置在一個(gè)控制柜內(nèi)。

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(guò)對(duì)并網(wǎng)電流大小的調(diào)節(jié)對(duì)并網(wǎng)的有功和無(wú)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(wú)法直接供給負(fù)載使用。后者是通過(guò)對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制對(duì)并網(wǎng)有功和無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，可直接為普通電力用戶(hù)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(hù)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(wú)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(guò)程中，為了避免P胡M逆變器dq軸變量相互禍合對(duì)控制效果的影響，可采用前饋解禍的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)。

風(fēng)力發(fā)電在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位，其變流器狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行可靠性，降低運(yùn)行成本具有重要作用，本文的一些分析理論希望可以給相關(guān)人員帶來(lái)幫助。

[1]尹超.淺談我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和前景[J].山東電力高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2008，12：74-76.

[2]崔建紅，許建，劉京愛(ài).我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，10：121-123.