| 标题 | 变频技术在风电厂中的应用分析 |
| 范文 | 陶波 摘 要：本文主要围绕变频技术在风电设备中的应用展开研究，以变速恒频双馈风力发电机为研究对象。对发电系统中交流励磁控制方式常见的变频装置进行了比较分析，对选择的双PWM变换器交流励磁变速恒频风力发电系统的两个控制单元——网侧PWM变换器和转子侧PwM变换器进行了控制策略分析及仿真。 关键词：变速恒频；变频技术；双PWM变换器 目前我国风力发电机组的装机容量已经达到1000万kw以上，美国计划到2030年装机容量要达到300Gw。在这种应用情况下，为了提高风力发电机组的风能至电能的转换效率已成为风力发电技术研究的重要内容。 风力发电是一种再生清洁能源，无污染物的排放，不消耗化石燃料；风力发电机组的配套设备较少，装机投产规模灵活，受制约条件较少；现有技术投入使得風力发电机组运行稳定可靠，寿命高于火力发电机组。 风力发电机系统主要有两大类，分别为VScF（变速恒频）和CScF（恒速恒频）风力发电机系统。恒速恒频风力发电机组是在外界风速不断变化中通过保持发电机组的转速恒定，进而保证转换输出恒定幅值和频率的电压，其主要特点就是只能够在风速一定的条件下才能转化利用风能，不能够捕获最大风能，因而发电效率低。变速恒频风力发电机组能够控制风轮根据风速的不断变化调整其转速，确保其在较大的风速范围内以最高转换效率工作，受到越来越多人的关注，是当前风力发电机组主要应用的技术和进一步的研究方向。当下应用最广的是变速恒频双馈风力发电机组。 双馈风力发电机组实现变速恒频控制的关键是转子交流励磁变换，本文针对交流励磁结构选取及其控制技术两个方面进行联合控制的方案设计，提高电能的转换利用率，同时反映变频技术在风电设备中的应用和起到的重要作用。 1 交流励磁结构 变速恒频双馈异步风力发电机系统主要的实现手段之一是对其转子进行交流励磁变换控制。交流励磁控制方式常见的变频装置主要有双PWM变换器（两电平电压型双PWM变换器）、交一直一交电压源和电流源并联型变频器、交一交直接变频器和矩阵式变换器等几种。双PWM变换器是通过直流母线连接两个完全相同的两电平电压型三相PWM变换器组成。在设备运行中，两个PWM变换器的状态来回变换。它主要的优点有：技术成熟，并且市面上具有相应的功率模块，使用成本低，软硬件开发周期短；两个变换器能够无干扰的独立控制，对电网故障的适应性较强；电压型的PWM变换器能够较强的控制输出电压等。缺点是使用寿命相对短、需要在网侧PWM变换器处加谐波滤波器、功率开关器件的损耗较大。 交一直一交电压源和电流源并联型变频器中电流源作为主变换器，承担主要的功率流动且其功率元器件的开关频率很低；电压源作为辅助变换器，起辅助作用，流经其功率元器件的电流少。这种变频器的最大优势是能够减少开关的功率损耗。功率开关采用晶闸管的电流型交直交变频器，其直流侧的电感较为昂贵且在转差频率低的情况下性能一般。此类变频器由多个独立的变频器构成，每一个都有自己的独立控制系统，使得控制软件变得复杂及硬件成本大大 提高。交一交直接变频器的开关器件选择是晶闸管，主要利用晶闸管在交流电压的正负变化时导通和关断的性能；这种依据电压相变控制，实现交一交变频器的变压变频，运行可靠稳定。其特点是输出电压仅有一些较小的谐波产生，并且其频率低于交流电源的输入电压频率，适合工作在功率大频率低的范围内。不足之处在电压输出低时，功率因数也低，且有较多难以抑制的高次谐波，输出频率低，变化范围窄，控制电路复杂。 矩阵式变换器属于交一交直接变频器的一种，能够获得双向输入电流及频率可调节的输出电压波形。矩阵式变换器中功率开关所受热应力均等，能够很好处理散热问题。但是缺点有其电压传输比不高，最大输出电压能力低，功率开关耐压力差；换流时两个功率开关的关断和打开之间存在时间差，造成刹那间的短路，需要另选方法解决。上述讨论的四种常见的交流励磁控制方式各有优缺点，综合比较，我们可以选定双PWM变频方式作为交流励磁控制的变换器。 2 控制算法 在双馈变速恒频风力发电系统，发电机转子采用两电平电压型双PwM变频方式进行交流励磁变换控制，可以完成风力发电机组在较大风速范围内捕获外界风能和调节定子的输出功率。完整的双PWM变换器交流励磁变速恒频风力发电系统还包含有两个控制单元即网侧PWM变换器和转子侧PWM变换器，网侧PWM变换器的功能主要是稳定控制直流电压和获得最佳的输人性能；而整个变速恒频风力发电系统高性能是通过转子侧PwM变换器的控制是否有效获得的。 2.1 网侧变换器电流调节控制算法 网侧变换器电流调节控制选用PR控制器（即由比例环节和广义积分环节组成），因为它能实现补偿低次谐波，且无需坐标变换就可对输入的交流信号进行无稳态误差跟踪。依据要求在MATIAB中的Simulink平台下构建了下图1所示的能够实现网侧变换器电流调制功能的PR控制系统。直流侧电压值为Vdc=550V，经过仿真得到如下图2所示的直流母线电压波形图。 从图中能够得出，直流母线电压经前期短时间调节后达到持续稳定状态，完成稳定网侧PwM变换器直流电压的任务。我们分别取不含谐波补偿和包含谐波补偿的稳定电网电流，经过对其进行时域及频域分析，对比电网电流频谱图验证PR控制器具有良好的谐波补偿性能。 3 结束语 本文对双PwM变换器交流励磁变速恒频风力发电系统的两个控制单元——网侧PwM变换器和转子侧PwM变换器进行了控制策略分析及仿真，取得了很好的效果。随着能源变革不断深入，变频技术不断发展，我们相信变频技术在风电设备领域的应用会在很长一段时间起到至关重要的作用。 参考文献 [1]王素霞.国内外风力发电现状及发展趋势[J].电气时代，2012（5）：20-22. [2]李永东.变速恒频风力发电机组励磁变频器的研究[J].中国电机工程学报，2013（4）：90-94. |
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