變頻技術(shù)在風(fēng)電廠中的應(yīng)用分析

陶波

摘 要：本文主要圍繞變頻技術(shù)在風(fēng)電設(shè)備中的應(yīng)用展開研究，以變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對象。對發(fā)電系統(tǒng)中交流勵(lì)磁控制方式常見的變頻裝置進(jìn)行了比較分析，對選擇的雙PWM變換器交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩個(gè)控制單元——網(wǎng)側(cè)PWM變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)PwM變換器進(jìn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到1000萬kw以上，美國計(jì)劃到2030年裝機(jī)容量要達(dá)到300Gw。在這種應(yīng)用情況下，為了提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能至電能的轉(zhuǎn)換效率已成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的重要內(nèi)容。

風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的配套設(shè)備較少，裝機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定可靠，壽命高于火力發(fā)電機(jī)組。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要有兩大類，分別為VScF（變速恒頻）和CScF（恒速恒頻）風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是在外界風(fēng)速不斷變化中通過保持發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速恒定，進(jìn)而保證轉(zhuǎn)換輸出恒定幅值和頻率的電壓，其主要特點(diǎn)就是只能夠在風(fēng)速一定的條件下才能轉(zhuǎn)化利用風(fēng)能，不能夠捕獲最大風(fēng)能，因而發(fā)電效率低。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠控制風(fēng)輪根據(jù)風(fēng)速的不斷變化調(diào)整其轉(zhuǎn)速，確保其在較大的風(fēng)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(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要應(yīng)用的技術(shù)和進(jìn)一步的研究方向。當(dāng)下應(yīng)用最廣的是變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

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

1 交流勵(lì)磁結(jié)構(gòu)

變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要的實(shí)現(xiàn)手段之一是對其轉(zhuǎn)子進(jìn)行交流勵(lì)磁變換控制。交流勵(lì)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(gè)完全相同的兩電平電壓型三相PWM變換器組成。在設(shè)備運(yùn)行中，兩個(gè)PWM變換器的狀態(tài)來回變換。它主要的優(yōu)點(diǎn)有：技術(shù)成熟，并且市面上具有相應(yīng)的功率模塊，使用成本低，軟硬件開發(fā)周期短；兩個(gè)變換器能夠無干擾的獨(dú)立控制，對電網(wǎng)故障的適應(yīng)性較強(qiáng)；電壓型的PWM變換器能夠較強(qiáng)的控制輸出電壓等。缺點(diǎn)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(dān)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(gè)獨(dú)立的變頻器構(gòu)成，每一個(gè)都有自己的獨(dú)立控制系統(tǒng)，使得控制軟件變得復(fù)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(fù)變化時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷的性能；這種依據(jù)電壓相變控制，實(shí)現(xiàn)交一交變頻器的變壓變頻，運(yùn)行可靠穩(wěn)定。其特點(diǎn)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(shí)，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(fù)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(yīng)力均等，能夠很好處理散熱問題。但是缺點(diǎn)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(shí)兩個(gè)功率開關(guān)的關(guān)斷和打開之間存在時(shí)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(lì)磁控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合比較，我們可以選定雙PWM變頻方式作為交流勵(lì)磁控制的變換器。

2 控制算法

在雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用兩電平電壓型雙PwM變頻方式進(jìn)行交流勵(lì)磁變換控制，可以完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在較大風(fēng)速范圍內(nèi)捕獲外界風(fēng)能和調(diào)節(jié)定子的輸出功率。完整的雙PWM變換器交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還包含有兩個(gè)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(gè)變速恒頻風(fēng)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?yàn)樗軐?shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)痛沃C波，且無需坐標(biāo)變換就可對輸入的交流信號進(jìn)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(shí)間調(diào)節(jié)后達(dá)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(wù)。我們分別取不含諧波補(bǔ)償和包含諧波補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定電網(wǎng)電流，經(jīng)過對其進(jìn)行時(shí)域及頻域分析，對比電網(wǎng)電流頻譜圖驗(yàn)證PR控制器具有良好的諧波補(bǔ)償性能。

3 結(jié)束語

本文對雙PwM變換器交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩個(gè)控制單元——網(wǎng)側(cè)PwM變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)PwM變換器進(jìn)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(fēng)電設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用會在很長一段時(shí)間起到至關(guān)重要的作用。

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