變頻技術在風電廠中的應用分析

陶波

摘 要：本文主要圍繞變頻技術在風電設備中的應用展開研究，以變速恒頻雙饋風力發電機為研究對象。對發電系統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電系統的兩個控制單元——網側PWM變換器和轉子側PwM變換器進行了控制策略分析及仿真。

關鍵詞：變速恒頻；變頻技術；雙PWM變換器

目前我國風力發電機組的裝機容量已經達到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，為了提高風力發電機組的風能至電能的轉換效率已成為風力發電技術研究的重要內容。

風力發電是一種再生清潔能源，無污染物的排放，不消耗化石燃料；風力發電機組的配套設備較少，裝機投產規模靈活，受制約條件較少；現有技術投入使得風力發電機組運行穩定可靠，壽命高于火力發電機組。

風力發電機系統主要有兩大類，分別為VScF（變速恒頻）和CScF（恒速恒頻）風力發電機系統。恒速恒頻風力發電機組是在外界風速不斷變化中通過保持發電機組的轉速恒定，進而保證轉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化利用風能，不能夠捕獲最大風能，因而發電效率低。變速恒頻風力發電機組能夠控制風輪根據風速的不斷變化調整其轉速，確保其在較大的風速范圍內以最高轉換效率工作，受到越來越多人的關注，是當前風力發電機組主要應用的技術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電機組。

雙饋風力發電機組實現變速恒頻控制的關鍵是轉子交流勵磁變換，本文針對交流勵磁結構選取及其控制技術兩個方面進行聯合控制的方案設計，提高電能的轉換利用率，同時反映變頻技術在風電設備中的應用和起到的重要作用。

1 交流勵磁結構

變速恒頻雙饋異步風力發電機系統主要的實現手段之一是對其轉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。在設備運行中，兩個PWM變換器的狀態來回變換。它主要的優點有：技術成熟，并且市面上具有相應的功率模塊，使用成本低，軟硬件開發周期短；兩個變換器能夠無干擾的獨立控制，對電網故障的適應性較強；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、需要在網側PWM變換器處加諧波濾波器、功率開關器件的損耗較大。

交一直一交電壓源和電流源并聯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頻率很低；電壓源作為輔助變換器，起輔助作用，流經其功率元器件的電流少。這種變頻器的最大優勢是能夠減少開關的功率損耗。功率開關采用晶閘管的電流型交直交變頻器，其直流側的電感較為昂貴且在轉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成，每一個都有自己的獨立控制系統，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斷的性能；這種依據電壓相變控制，實現交一交變頻器的變壓變頻，運行可靠穩定。其特點是輸出電壓僅有一些較小的諧波產生，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。不足之處在電壓輸出低時，功率因數也低，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節的輸出電壓波形。矩陣式變換器中功率開關所受熱應力均等，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，功率開關耐壓力差；換流時兩個功率開關的關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電系統，發電機轉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，可以完成風力發電機組在較大風速范圍內捕獲外界風能和調節定子的輸出功率。完整的雙PWM變換器交流勵磁變速恒頻風力發電系統還包含有兩個控制單元即網側PWM變換器和轉子側PWM變換器，網側PWM變換器的功能主要是穩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電系統高性能是通過轉子側PwM變換器的控制是否有效獲得的。

2.1 網側變換器電流調節控制算法

網側變換器電流調節控制選用PR控制器（即由比例環節和廣義積分環節組成），因為它能實現補償低次諧波，且無需坐標變換就可對輸入的交流信號進行無穩態誤差跟蹤。依據要求在MATIAB中的Simulink平臺下構建了下圖1所示的能夠實現網側變換器電流調制功能的PR控制系統。直流側電壓值為Vdc=550V，經過仿真得到如下圖2所示的直流母線電壓波形圖。

從圖中能夠得出，直流母線電壓經前期短時間調節后達到持續穩定狀態，完成穩定網側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的穩定電網電流，經過對其進行時域及頻域分析，對比電網電流頻譜圖驗證PR控制器具有良好的諧波補償性能。

3 結束語

本文對雙PwM變換器交流勵磁變速恒頻風力發電系統的兩個控制單元——網側PwM變換器和轉子側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，變頻技術不斷發展，我們相信變頻技術在風電設備領域的應用會在很長一段時間起到至關重要的作用。

參考文獻

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