風力發(fā)電變流器發(fā)展現(xiàn)狀與展望

馬偉明，肖 飛

(海軍工程大學電力電子技術(shù)研究所，武漢 430033)

風力發(fā)電變流器發(fā)展現(xiàn)狀與展望

馬偉明，肖 飛

(海軍工程大學電力電子技術(shù)研究所，武漢 430033)

風電機組寬泛的使用環(huán)境，使作為機組關(guān)鍵設備之一的大容量變流器必須滿足高功率密度、高可靠性與優(yōu)良控制性能等要求。國產(chǎn)風電變流器的研發(fā)近幾年有了較快的發(fā)展，但總體上依然落后于國外先進水平。文章對風電變流器，重點是直驅(qū)式全功率變流器的若干關(guān)鍵技術(shù)做了介紹，給出了相關(guān)問題的解決思路。

風力發(fā)電;變速恒頻;雙饋型;直驅(qū)型;變流器

1 前言

風力發(fā)電在過去的10年間一直作為世界上增長最快的能源。作為世界第二大能源消費國，我國已將能源列為核心發(fā)展戰(zhàn)略之一，國家能源委員會的成立意味著能源問題是涵蓋國家各層面的戰(zhàn)略問題。在新能源戰(zhàn)略規(guī)劃中，風力發(fā)電占有重要地位。我國風能資源豐富，第四次全國風能資源普查的階段性成果顯示，不包括青藏高原，我國陸上50 m高度風能資源潛在開發(fā)量為23.8億kW，70 m高度可以達到28.5億 kW，110 m可以達到38.04億 kW，近海5 m到25 m水深線以內(nèi)區(qū)域可裝機容量約2億kW。受傳統(tǒng)石化能源價格上漲和國家政策鼓勵等因素的影響，我國的風力發(fā)電行業(yè)也進入了快速發(fā)展時期。數(shù)據(jù)顯示，2008年我國新增風電機組5130多臺，裝機容量624.6萬 kW，新增裝機增長率為89%，2009年新增1200萬 kW風電裝機容量。目前，中國風電裝機總?cè)萘恳堰B續(xù)5年實現(xiàn)翻番，并躋身全球10大風能市場，位列美國和德國之后，成為全球發(fā)展速度最快的風力發(fā)電市場。

在風電裝機容量快速增長的同時，風電技術(shù)也取得了長足進步，特別是風力發(fā)電機組自身，由20世紀90年代的定槳距、恒速技術(shù)，發(fā)展到現(xiàn)在的變槳距、變速技術(shù)，而且單機容量不斷刷新紀錄。兆瓦級大功率風電機組正逐步成為主流，海上風電技術(shù)逐漸成熟，有力地促進了特大型風電機組的發(fā)展(單機容量大于或等于5 MW)。變速恒頻風電機組的共同特點是需要輔之相應的電力電子變流裝置，配合發(fā)電機進行功率控制，使風機在較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)最佳功率捕獲，并且實現(xiàn)對電網(wǎng)低電壓穿越及無功功率支持。電力電子技術(shù)在其中發(fā)揮了巨大的作用，其涵蓋電力電子器件、變流電路和控制電路三個部分，是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學科，和現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)，如圖1所示。

圖1 電力電子技術(shù)與其他學科的交叉Fig.1 Power electronics technology intersected by other subjects

我國大型風力發(fā)電技術(shù)自主水平相對滯后，且發(fā)展不均衡。風機葉片、發(fā)電機、齒輪箱等一些關(guān)鍵部件雖已實現(xiàn)國產(chǎn)化，但變流器、控制系統(tǒng)、高性能齒輪箱與軸承的關(guān)鍵技術(shù)等還主要依賴于國外進口。當前，陸地風力發(fā)電機組主力機型的單機容量以1.5 MW、2 MW為主，在這一功率等級及以上的全功率變流器幾乎被國外產(chǎn)品所壟斷，嚴重制約了我國風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年來，國內(nèi)在兆瓦級風電變流器的研發(fā)上也取得了較大進展，但還需接受用戶長期現(xiàn)場運行的考驗。其中，由海軍工程大學研制的直驅(qū)型2 MW級全功率變流器已開始小批量投產(chǎn)，合肥陽光、金風科技等其他公司同類產(chǎn)品也正在產(chǎn)業(yè)化過程之中。為應對風力發(fā)電的迅速發(fā)展和裝機容量的增長，亟需推進我國風電設備行業(yè)的自主創(chuàng)新能力，從而提高國產(chǎn)技術(shù)和裝備的競爭能力。

文章針對兩種主流風電系統(tǒng)，對兆瓦級風力發(fā)電變流器進行了介紹，重點分析了直驅(qū)型風力發(fā)電變流器的控制、設計及低電壓穿越策略。

2 兩種典型風力發(fā)電系統(tǒng)及其發(fā)展趨勢

按照發(fā)電機轉(zhuǎn)速的不同，風電系統(tǒng)可分為定轉(zhuǎn)速、受限變轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速3種;根據(jù)傳動鏈組成，風電系統(tǒng)可分為齒輪箱驅(qū)動型和直接驅(qū)動型;根據(jù)變流器容量的不同，分為部分容量變流器風電機組和全部容量(全額)變流器風電機組兩類。

定轉(zhuǎn)速和受限變轉(zhuǎn)速發(fā)電只能在某一風速下工作于最大出力點，不能實現(xiàn)最大風能的抽取，效率低，且可靠性不高，將逐步退出歷史舞臺。變速發(fā)電采用同步發(fā)電機或雙饋發(fā)電機，風速變化時，轉(zhuǎn)速也隨之變化，保證在不同風速下，風輪機都工作在最高效率點。通過電力電子變流器，使電機接入恒頻、恒壓電網(wǎng)發(fā)電。目前在變速恒頻技術(shù)中，雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)和同步直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)已成為主流。

2.1 雙饋型和同步直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)的比較

典型的雙饋型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)包括多級齒輪、雙饋感應發(fā)電機和背靠背雙PWM變流器(見圖2)。雙饋發(fā)電機定子側(cè)直接與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子側(cè)通過背靠背雙PWM變流器與電網(wǎng)連接，其中轉(zhuǎn)子側(cè)變流器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的頻率和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)變速恒頻運行，并控制輸出功率因數(shù)，定子側(cè)變流器保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。

圖2 雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及機艙布置示意圖Fig.2 Structure of the doubly fed induction generation system and the arrangement of the equipments

同步直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)中同步發(fā)電機輸出頻率和電壓隨轉(zhuǎn)速變化的交流電，經(jīng)背靠背變流器系統(tǒng)接至電網(wǎng)(見圖3)。目前，市場上直驅(qū)式風力發(fā)電機可分為電激磁同步發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機兩大類。同步直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)采用的是全功率變流器，一般放置于塔筒底部。

圖3 直驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及機艙布置示意圖Fig.3 Direct driven generation system and the arrangement of the equipments

目前國際上雙饋發(fā)電風電系統(tǒng)占據(jù)了一半以上的市場份額，而同步直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)在大功率應用場合有著獨特的優(yōu)勢。表1為兩種典型風力發(fā)電系統(tǒng)的比較。

表1 兩種典型風力發(fā)電系統(tǒng)比較Table 1 Comparison of two typical wind energy generation systems

2.2 風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢

縱觀國內(nèi)外的發(fā)展情況，為提高風力發(fā)電效率，降低成本，改善電能質(zhì)量，減少噪聲，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠運行，大型風力發(fā)電技術(shù)呈現(xiàn)出如下特點:

1)單機容量穩(wěn)步上升。目前雙饋異步發(fā)電機組的單機容量已達到5 MW，其轉(zhuǎn)輪直徑為126 m，采用3級齒輪箱結(jié)構(gòu)(傳動比為97)和6極雙饋式異步發(fā)電機。直驅(qū)型風電機組單機容量可達到7 MW，采用無刷勵磁同步發(fā)電機和全容量變流器［1］，容量為十幾兆瓦的海上風電機組也已見諸報道。

2)直驅(qū)式和半直驅(qū)式傳動系統(tǒng)的應用范圍越來越廣泛。無齒輪箱的直驅(qū)方式雖然會增加風力發(fā)電機的設計開發(fā)成本，但卻能顯著提高系統(tǒng)運行的可靠性，降低系統(tǒng)運行維護費用，因而受到了越來越廣泛的關(guān)注和應用。但是，多極發(fā)電機因繞組布置空間的要求導致重量和體積大幅增加，因此采用折中理念的半直驅(qū)布局在大型風機設計中也得到了應用［2］，如德國Multibrid公司設計的M5000采用了半直驅(qū)技術(shù)。直驅(qū)式和半直驅(qū)式風力發(fā)電機必須采用全功率變流并網(wǎng)技術(shù)，全容量變流器可以更容易實現(xiàn)低電壓維持運行等功能，滿足電網(wǎng)對風電并網(wǎng)日益嚴格的要求。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，設計大功率變流器也變得更容易［3，4］。

3)永磁同步發(fā)電機得到了更多應用。永磁同步發(fā)電機不從電網(wǎng)吸收無功，無需勵磁繞組和直流電源，也不需要滑環(huán)碳刷，結(jié)構(gòu)簡單且技術(shù)可靠性高，對電網(wǎng)運行影響小。在大功率變流裝置技術(shù)和高性能永磁材料日益完善的背景下，大型風機越來越多地采用永磁同步發(fā)電機［5］。

4)對變流器容量及可靠性要求越來越高。隨著風力發(fā)電的快速發(fā)展和直驅(qū)式、半直驅(qū)風電系統(tǒng)的廣泛應用，變流器的容量也要隨之增大。由于可控電力電子器件的蓬勃發(fā)展，變流器領(lǐng)域已逐步出現(xiàn)交—直—交變流器一統(tǒng)天下的局面。而為實現(xiàn)大容量、高質(zhì)量輸出波形及高可靠性，多電平變流器開始得到應用，如中點二極管箝位多電平變換器、飛跨電容多電平變換器、級聯(lián)H橋多電平變換器等通用多電平變換器等［6］。

3 風力發(fā)電變流器中的關(guān)鍵技術(shù)

電力電子變流器作為風力發(fā)電與電網(wǎng)的接口，既要對風力發(fā)電機進行控制，配合風機控制器實現(xiàn)對風能的最大捕獲，又要向電網(wǎng)輸送優(yōu)質(zhì)電能，還要實現(xiàn)低電壓穿越等功能。并且由于風電機組對變流器的性能及空間尺寸有嚴格要求，對變流器系統(tǒng)的控制、電氣及結(jié)構(gòu)等設計也提出了較高要求。整個變流器系統(tǒng)設計包括頂層電氣設計、控制算法設計以及結(jié)構(gòu)散熱設計等。

3.1 變流器頂層電氣設計

主要涵蓋了變流器拓撲形式、參數(shù)范圍、保護與通信接口方式等電氣性能的研究。如:雙饋型系統(tǒng)中，變流器必須采用雙PWM變流器，保證功率能夠雙向流動。而在直驅(qū)式系統(tǒng)中變流器可以有不同的拓撲結(jié)構(gòu)。根據(jù)每種電力電子變換拓撲的特點，整個系統(tǒng)的控制方法都會相應地發(fā)生變化。采用背靠背雙PWM全控拓撲結(jié)構(gòu)，與機側(cè)采用不控整流橋的變流器相比，可以大大減少機側(cè)電流諧波;而且通過解耦控制，可以實現(xiàn)對電機的多種控制策略，如最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制、效率最優(yōu)控制、定子磁通矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制以及更多現(xiàn)代智能控制方法。

標準、可靠的通信方式是實現(xiàn)信息實時交換與能量管理的前提。在變流器通信系統(tǒng)設計中，要根據(jù)風電系統(tǒng)要求并結(jié)合變流器功能，融合信息技術(shù)，合理設計快捷、可靠的通信方式。同時完善、可靠的保護設計也是保障人員和系統(tǒng)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，必須合理地設計保護環(huán)節(jié)和整定保護值，實現(xiàn)對系統(tǒng)的可靠保護。

3.2 變流器控制技術(shù)

典型的雙饋和永磁直驅(qū)變速恒頻風電系統(tǒng)中，都采用背靠背雙PWM變流器(如圖2、圖3所示)。包括電機側(cè)變流器(或轉(zhuǎn)子側(cè)變流器)與電網(wǎng)側(cè)變流器，能量可以雙向流動。對永磁同步電機直驅(qū)系統(tǒng)，電機側(cè)PWM變流器通過調(diào)節(jié)定子側(cè)的d、q軸電流，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及電機勵磁與轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使發(fā)電機運行在變速恒頻狀態(tài)，額定風速以下具有最大風能捕獲功能;對雙饋發(fā)電系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)d、q軸電流，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及有功、無功功率的解耦控制。電網(wǎng)側(cè)PWM變流器同樣通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的d、q軸電流，保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，控制流向電網(wǎng)的無功功率，通常運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，同時還要提高注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。下面以永磁直驅(qū)型變流器為例介紹其具體控制方法。

永磁直驅(qū)型變流器系統(tǒng)需要配合風機控制器(塔基主控制器)實現(xiàn)將發(fā)電機發(fā)出的變頻率、變幅值的交流電能轉(zhuǎn)換為工頻電能，整個風機系統(tǒng)的控制圖如圖4所示。變流器的控制包括永磁同步電機的無速度傳感器控制與電網(wǎng)側(cè)PWM逆變器控制。通過控制發(fā)電機和直流環(huán)節(jié)之間的整流器而控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，同時將電機發(fā)出的電能變換后輸入直流環(huán)節(jié)，達到最大風能捕獲的目的，如果采用轉(zhuǎn)子定向控制，還需要根據(jù)機端電壓電流對轉(zhuǎn)子位置進行估計;通過控制電網(wǎng)側(cè)逆變器實現(xiàn)有功傳輸和無功補償，使電功率穩(wěn)定地向電網(wǎng)傳輸。同時，還需要合適的濾波器來保證電能質(zhì)量。要實現(xiàn)低壓穿越功能，還需要對電網(wǎng)故障進行實時檢測。

圖4 一種直驅(qū)風機系統(tǒng)的控制框圖Fig.4 Control frame of one type of direct driven generation system

對變換器進行電流控制一般都在兩相旋轉(zhuǎn)坐標下進行，對機側(cè)變換器控制牽涉到旋轉(zhuǎn)變換方向的選取。根據(jù)定向方式可將發(fā)電機側(cè)的控制分為定子電壓定向控制和轉(zhuǎn)子磁場定向控制等。采用機端定子電壓定向比較簡單，但不能準確控制機端電壓，且難以實現(xiàn)能量的雙向流動。而采用轉(zhuǎn)子磁場定向可以克服這些弊端，但實現(xiàn)較為復雜，常用的方法有模型參考自適應辨識法和滑模觀測器法等。例如采用滑模觀測器法首先需要建立內(nèi)置式永磁同步電機靜止坐標系下的擴展反電動勢數(shù)學模型［7，8］:

然后構(gòu)造滑模電流觀測器的狀態(tài)方程:

最后在擴展反電動勢估計值的基礎(chǔ)上獲取轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速信息，從而實現(xiàn)對永磁同步風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流的獨立控制，可以設計最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制、單位功率因數(shù)控制等控制策略。

對于網(wǎng)側(cè)變換器，為實現(xiàn)電網(wǎng)故障下的運行，需要引入正負序坐標系下的雙電流內(nèi)環(huán)控制。正序電流內(nèi)環(huán)解耦控制算法為［9］:

類似可得負序電流內(nèi)環(huán)解耦控制算法:

目前，對于組成背靠背變流器的PWM整流器與逆變器，一般對兩側(cè)的變流器均單獨建模并設計其控制參數(shù)，然后在聯(lián)機調(diào)試時再對兩側(cè)變流器的控制參數(shù)進行調(diào)整。由于這種設計方法忽略了對動態(tài)有影響的環(huán)節(jié)與數(shù)字系統(tǒng)的延時，以及模型存在的誤差，使得這些模型難以滿足實際要求。因此，需要全面考慮兩側(cè)變換器的參數(shù)，以及機側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器的動態(tài)過程，結(jié)合PWM整流器、PWM逆變器的模型及背靠背系統(tǒng)的特點，通過合理假設與簡化，對變流器這一強非線性系統(tǒng)進行等效，用于指導控制器的設計，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與動靜態(tài)性能。

3.3 變流器結(jié)構(gòu)及散熱設計

由于風電機組可能會工作在各種惡劣環(huán)境中，如風沙、嚴寒、沿海等，且變流器在風電機組中的安裝空間非常有限，這就要風電變流器必須具備高功率密度、高防護等級與高可靠性，這對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計與生產(chǎn)提出了較高要求。在小容量通用變流器中一些無足輕重甚至根本不存在的問題卻成為風電變流器設計中的技術(shù)難點，如開關(guān)器件的限制，各種連接線、接頭及其線路雜散參數(shù)的影響、散熱系統(tǒng)設計等。

綜合上述因素的影響，3 MW以下變流器的設計采用兩電平拓撲較為合理，三電平結(jié)構(gòu)的設計會使系統(tǒng)成本增大。兩電平變流器又可采用功能模塊的并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，如器件并聯(lián)、兩個三相半橋模塊并聯(lián)，也可采用單個大功率IGBT功率模塊構(gòu)成一個三相半橋?qū)崿F(xiàn)全部的能量傳送。為實現(xiàn)高功率密度，前者的總體設計會較為復雜，且對生產(chǎn)與工藝有較高要求，在控制上則要求實現(xiàn)器件或設備的均流控制;后者的設計會相對簡單，對生產(chǎn)與工藝的要求相對降低，控制也相對簡單，但對開關(guān)器件有較高要求，同時必須盡量減小線路寄生參數(shù)，削弱較大di/dt和du/dt對開關(guān)器件的影響。

考慮到變流器生產(chǎn)、安裝、維護的便利和空間限制，在結(jié)構(gòu)設計上需要考慮采用模塊化的設計理念，比如說將一個橋臂的兩個IGBT功率模塊、直流母線電容、吸收電容與散熱系統(tǒng)全部集成，構(gòu)成一個集成功率變換單元，只需6個集成功率變換單元便可構(gòu)成一套背靠背變流器，且集成功率變換單元之間可互換，也可以集成功率變換單元，構(gòu)成其他結(jié)構(gòu)的大功率變流器。

由于變流器需要在－15～45℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)可靠工作，且需要防鹽霧腐蝕、潮濕，對體積也有著嚴格的限制，變流器的結(jié)構(gòu)及散熱系統(tǒng)設計需要充分考慮這些因素，在大功率變流器中通常采用液體閉式循環(huán)散熱與空氣循環(huán)冷卻相結(jié)合，而在海上風力發(fā)電場合，可以利用海水進行外部冷卻。

3.4 低壓穿越技術(shù)

3.4.1 低壓穿越定義

隨著風場、風電機組的容量不斷增大，出于對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，期望風場或風電機組的功能和表現(xiàn)更接近于傳統(tǒng)的發(fā)電機組，即風電機組要積極參與提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的調(diào)節(jié)工作。風電系統(tǒng)低電壓穿越能力是指風電系統(tǒng)在并網(wǎng)點電壓跌落時，能夠保持并網(wǎng)，并向電網(wǎng)提供無功功率，支持電網(wǎng)恢復，直到電網(wǎng)正常工作。造成電網(wǎng)電壓跌落的原因主要有:電網(wǎng)故障、過負荷、風場附件的大功率設備啟動等，如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)電壓跌落原因示意圖Fig.5 Schematic diagram of the reason for voltage sags

3.4.2 現(xiàn)行的低壓穿越標準

歐洲等發(fā)達國家已相繼制定了風力發(fā)電機組具備電網(wǎng)故障運行能力的強制性標準，且不同國家有不同的要求［10～13］。這些標準大體都可以用圖6所示的低壓穿越要求曲線來表示，不同的要求也就體現(xiàn)在時間點和電壓跌落程度的差異上。當電網(wǎng)電壓在曲線以上時，風電機組要保持并網(wǎng)，并能夠在電壓跌落及恢復階段向電網(wǎng)提供無功功率，幫助電網(wǎng)電壓恢復穩(wěn)定。只有當電網(wǎng)電壓低于規(guī)定曲線以后才允許風電機組脫網(wǎng)。這就要求風電系統(tǒng)必須具有較強的低電壓穿越能力，能快速向電網(wǎng)提供無功支持。德國要求電網(wǎng)電壓跌至15%時持續(xù)300 ms(即在圖6中t1=0.3 s、U1=15%)，澳大利亞要求電網(wǎng)電壓跌至0%時持續(xù)175 ms(t1=0.3 s、U1=0%)，而且德國和西班牙明確要求風電機組在低壓穿越時，要實現(xiàn)對電網(wǎng)的無功支持，且無功電流最大為100%的額定電流。我國目前也已經(jīng)制定了風電場低電壓穿越的相關(guān)要求規(guī)范(t1=0.62 s、t2=3 s;U1=20% 、U2=90%)［14］。

圖6 風電場低壓穿越要求曲線Fig.6 Requirements of the low voltage ride through curve in wind farms

目前，國外一些產(chǎn)品已具備較為完善的低壓穿越功能。如ABB公司的一些變流器可實現(xiàn)低壓穿越，在穿越期間可同時對電網(wǎng)進行無功支持;GE風能公司的一些產(chǎn)品也可實現(xiàn)低壓穿越，還具有獨立可選的電網(wǎng)隨動無功補償功能。自主開展對雙饋和同步直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越問題的深入研究、設計并構(gòu)建相關(guān)試驗測試平臺，是國內(nèi)相關(guān)研究人員必須面臨的挑戰(zhàn)。

3.4.3 低壓穿越技術(shù)中的關(guān)鍵問題

在電網(wǎng)電壓跌落情況下，對雙饋機組和同步直驅(qū)風電機組的行為特性與提高其低壓穿越能力的研究，已成為國內(nèi)外風電技術(shù)研究的熱點問題。尤其是電壓跌落深度較大時，僅依靠控制策略的作用有限，需要對變流器進行保護，將多余的能量進行存儲或釋放。

對于雙饋型機組，由于電機和電網(wǎng)直接相連，電網(wǎng)發(fā)生不對稱跌落對電機特性有直接影響，其動態(tài)過程對于雙饋型機組較為復雜，控制難度大。首先，定子電壓驟降將引起定子電流增大，由于定、轉(zhuǎn)子之間的強耦合，使得轉(zhuǎn)子側(cè)也感應出較大電流，而大電流會導致電機鐵心飽和、電抗減小，使定、轉(zhuǎn)子電流進一步增大。而且，定轉(zhuǎn)子電流的大幅波動會造成發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的劇烈變化，對風電機組機械系統(tǒng)產(chǎn)生很大的扭切應力沖擊。同時，僅靠定、轉(zhuǎn)子繞組自身漏阻抗不足以抑制浪涌電流，過大的電流和電壓會導致定轉(zhuǎn)子繞組絕緣以及直流母線電容的損壞。可行的方法包括在定子側(cè)、直流母線、轉(zhuǎn)子側(cè)增加硬件保護設備實現(xiàn)低壓穿越。同時，由于在電網(wǎng)跌落期間雙饋發(fā)電系統(tǒng)中暫態(tài)浪涌電流的存在，要求進行無功補償時很可能會加劇系統(tǒng)的暫態(tài)過程，因此還需要研究不同無功補償時刻對系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響［14，15］。

直驅(qū)型機組由于發(fā)電機和電網(wǎng)間由背靠背變流器實現(xiàn)了電氣解耦，因此，電網(wǎng)的任何類型故障不會對發(fā)電機運行特性造成直接影響，只要變流器將多余能量通過制動電阻消耗掉或以其他方式存儲起來，確保其處于安全工作范圍內(nèi)即可，發(fā)電機不需采取額外的控制策略，因此現(xiàn)有的特大型風電機組中，為實現(xiàn)電網(wǎng)對低壓穿越的要求，均采用了直驅(qū)型機組，并配套有制動功率單元以實現(xiàn)低壓穿越，如圖7所示。

圖7 直驅(qū)型機組能量流動示意圖Fig.7 Schematic diagram of energy flow in direct driven generation systems

簡而言之，在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，風電機組需要同時考慮系統(tǒng)能量管理和變流器自身的安全。其中的關(guān)鍵問題如下所示:

1)快速有效的不對稱電壓、電流檢測技術(shù)。電壓跌落是電網(wǎng)中最為常見的故障之一，有單相、兩相對地故障、相間故障和三相故障等類型，其故障類型和比例為:單相對地故障70%，兩相對地故障15%，相間故障10%，三相故障5%;還可以分為對稱故障和不對稱故障，大部分電壓跌落故障屬于不對稱故障。電壓跌落的深度不等，最低可以到零，持續(xù)時間為0.5個電網(wǎng)電壓周期到數(shù)秒。為實現(xiàn)可靠功率傳輸，變流器控制系統(tǒng)須在盡可能短的時間內(nèi)(必須小于最嚴重情況時的不間斷運行時間)，完成對不對稱三相電網(wǎng)電壓和電流的頻率、相位、正序和負序分量等相關(guān)信息快速、準確的提取，以及每相電壓跌落程度的計算，為低壓穿越算法實現(xiàn)準確的信息。對電網(wǎng)不對稱的有效信息，進行快速、準確的提取一直是研究的熱點和難點，實時性越強，難度越大。主要問題在于檢測算法的準確性與快速性之間的矛盾，以及算法本身的復雜程度。一種采用雙dq變換SPLL算法可以較好實現(xiàn)檢測的準確性與快速性，具體算法見式(6):

由此得到基于雙dq變換的SPLL模型，如圖8所示。

2)變流器在電網(wǎng)電壓跌落下的控制與保護策略。電網(wǎng)電壓不對稱時，對變流器的合理控制是雙饋型機組和直驅(qū)型機組面臨的共同問題。當電網(wǎng)電壓不對稱時，如果只對正序分量進行控制，則此時出現(xiàn)的負序電壓會產(chǎn)生很大的負序電流。嚴重時，將導致網(wǎng)側(cè)變流器過流，甚至燒毀裝置;負序電流的出現(xiàn)也會導致直流電壓出現(xiàn)二倍工頻的二次諧波，直流電壓的波動導致電容頻繁充放電，減少電容使用壽命，同時使交流側(cè)產(chǎn)生3次諧波，電能質(zhì)量變差［16～18］。因此，采取的應對措施包括抑制三相電壓源型變換器交流負序電流的不平衡控制策略和抑制直流電壓諧波的不平衡控制策略。但對于三相三橋臂的PWM變流器而言，如果沒有零序通路，則使得直流電壓無二次諧波與三相電流對稱之間存在矛盾，即要使直流電壓無二次諧波，則三相電流必須注入負序分量，使得三相電流不對稱;反之，三相電流對稱，則直流電壓必然含有二次諧波。式(7)給出了此時正負序電流參考值的計算公式。隨著單機容量的不斷增加和電網(wǎng)對風電機組相關(guān)性能要求的提高，可嘗試采用三相四線制變流系統(tǒng)來解決這一矛盾。

其中

直驅(qū)型系統(tǒng)的主要問題在于機側(cè)變流器輸入能量與網(wǎng)側(cè)變流器輸出能量不匹配而導致直流電壓上升，可采取措施儲存或消耗未能送出的能量，目前廣泛應用的方案是采用制動電阻的耗能方式。

當電壓跌落持續(xù)時間較長時，無論是雙饋型還是直驅(qū)型都需要考慮配合變槳控制來限制風電機組捕獲的風能，即通過調(diào)節(jié)槳葉減少風機端的輸入能量，達到電壓跌落時的功率平衡，但這個過程相對較慢。

3)風電機組應對電網(wǎng)故障進行無功補償。新的電網(wǎng)運行準則不但要求風電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落期間能夠保持和電力系統(tǒng)之間的連接，并且要求根據(jù)電壓跌落的幅度向電網(wǎng)提供不同的無功功率。比如在德國E.ON公司制定的標準中提出，在電網(wǎng)電壓跌落10%～50%區(qū)間提供額定電流20%～100%的無功電流補償，而在電壓跌落大于50%區(qū)間提供100%額定電流的無功電流補償。這些嚴格的運行標準規(guī)范對風電機組尤其是變流器的控制提出了較高的要求，因此在變流器設計時需要充分考慮變流器自身的容量、控制和檢測的實時性等。

4 風力發(fā)電變流器發(fā)展展望

4.1 高功率密度、通用模塊化設計

風力發(fā)電機組容量的增長要求變流器的功率密度不斷得到提高，同時未來的海上風場環(huán)境也要求系統(tǒng)有很高的可靠性和方便的維護性。因此需要采用功率等級更高的半導體器件和模塊化的設計方式。目前風電變流器應用最廣泛的開關(guān)器件為IGBT，而隨著變流器容量的增加，功率等級更高的IGCT將逐步得到推廣應用。而且IGCT器件采用平板結(jié)構(gòu)(如圖9所示)，因此器件工作過程中產(chǎn)生的損耗可以通過上下兩個散熱面向外傳導，這就為充分發(fā)揮器件的功率處理能力、減小設備體積創(chuàng)造了有利條件。在ABB PCS6000(5 MW)全功率變流器中采用了圖10所示的積木式模塊，該模塊集成了8個IGCT單元、吸收電路及水冷回路，取出任何一個IGCT單元都不需要拆卸母排和水管，并且智能保護系統(tǒng)能夠在沒有保險管的前提下保證IGCT損壞不會導致其余部件的損毀，其可靠性和可維護性達到了相當高的水平［19］。

圖9 IGCT及驅(qū)動模塊Fig.9 IGCT and drive module

4.2 電壓電流等級不斷提高，拓撲結(jié)構(gòu)更加靈活多樣

圖10 三電平雙相IGCT集成單元Fig.10 Three-level two-phase IGCT integration system

隨著風電機組單機容量的不斷增大，風電變流器的電壓與電流等級也在不斷提高，多電平變流器拓撲得到了廣泛關(guān)注。變流器采用多電平方式后，可以在常規(guī)功率器件耐壓基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高電壓等級，獲得更多級的輸出電壓，且波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小。目前，世界范圍內(nèi)從事大功率風力發(fā)電用變流器和高壓變頻器研制的一些公司，均采用多電平的產(chǎn)品方案:ABB用于風力發(fā)電的變流器PCS6000采用四象限二極管鉗位三電平結(jié)構(gòu)(如圖11所示)，器件采用IGCT;Siemens也有相似的應用，功率器件采用高壓IGBT;法國ALSTOM公司采用飛跨電容型四電平拓撲，功率器件采用IGBT，另外還基于IGCT開發(fā)出了飛跨電容型五電平變頻器［20］。

圖11 四象限二極管鉗位三電平電路拓撲Fig.11 Topology structure of three-level four-quadrant diode-clamp circuit

4.3 低壓穿越問題研究逐步深入

風力發(fā)電裝機容量越大，其低電壓穿越能力對電網(wǎng)的影響越大，而變流器是實現(xiàn)這一功能的主要承擔者。因此，使風電機組能夠滿足和火力發(fā)電類似的傳軸可靠性標準是變流器設計的一個重要目標。通過提高發(fā)電機組和變流器控制設計，低電壓穿越技術(shù)能使風電機組在出現(xiàn)嚴重電網(wǎng)擾動時可以不間斷運行并快速向電網(wǎng)提供無功，減少電壓崩潰的危險。從國外直驅(qū)風電產(chǎn)品及其應用看，為適應新的電網(wǎng)規(guī)則對低電壓穿越和無功支持的要求，都已將這些功能集成到其產(chǎn)品中，可見低電壓穿越與無功支持已成為大型風電機組必須具備的重要功能之一。

目前國內(nèi)相關(guān)研究還存在兩個急需解決的前提條件，一是相關(guān)的正式標準需要盡快推廣實施，二是需要根據(jù)標準建立相應的試驗平臺。國外一些變流器廠商都相繼建立了專門的低電壓穿越測試設備和實驗室，如ABB針對最新出臺的IEC 61400－21標準建立了如圖12所示的電網(wǎng)故障模擬裝置，其原理圖如圖13 所示［21］。

圖12 低電壓穿越測試設備Fig.12 Test equipment of low voltage ride through

圖13 低電壓穿越測試原理圖Fig.13 Test principle of low voltage ride through

此外，在無功支持實現(xiàn)的研究中，如何協(xié)調(diào)多臺風力發(fā)電機的無功功率控制，獲得更好的風電場電壓控制效果，也引起了相關(guān)研究人員的關(guān)注:變流器無功調(diào)節(jié)通常以風電場接入點電壓水平為控制目標，通過接入變流系統(tǒng)，單臺風力發(fā)電機組可以通過變流器的快速電壓控制，實現(xiàn)調(diào)節(jié)自身輸出無功功率的功能;但多臺發(fā)電機組均自行調(diào)節(jié)輸出無功功率，反而可能加劇風場公共接入點電壓的波動，與穩(wěn)定風場公共接入點電壓的初衷背道而馳。

4.4 電磁兼容問題

隨著直驅(qū)風電機組的大型、超大型化，以及風力發(fā)電所占電網(wǎng)發(fā)電份額的逐年擴大，作為主要電網(wǎng)接入設備，變流器系統(tǒng)的電磁兼容性能無疑成為影響風電機組甚至風場發(fā)電性能的重要因素。目前，在電磁兼容性和電磁干擾治理方面，關(guān)于小容量變流裝置的研究成果已有較多文獻發(fā)表，且多數(shù)研究關(guān)注于低頻段的諧波分析和電磁干擾抑制，而對高頻段的輻射干擾方面研究較少。由于大容量變流器在功率信號等級、結(jié)構(gòu)尺寸和電路拓撲上的差異，以往的電磁干擾抑制技術(shù)很難直接應用，必須研究適合于高強度電場、磁場工作場合的干擾抑制技術(shù)。另外，從風電機組系統(tǒng)的電磁兼容角度，也需要開展高頻輻射干擾的研究工作，確保系統(tǒng)工作在一個良好的電磁環(huán)境中。

5 結(jié)語

隨著風力發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，單機容量越來越大，這要求與之配套的風電變流器必須具備高功率密度、高可靠性和優(yōu)良的控制性能。當前，相關(guān)產(chǎn)品多被國外公司壟斷，國產(chǎn)風電變流器雖然在近幾年開始有了較快的發(fā)展，但與國外先進技術(shù)水平相比，在標準化、智能化、功能完備性、可擴展性與成熟性等方面，仍存在差距。進一步深入研究大容量風電變流器的特有問題與關(guān)鍵技術(shù)，推進國產(chǎn)大功率變流器的研發(fā)、試驗及生產(chǎn)，對于促進自主創(chuàng)新、提高國產(chǎn)技術(shù)和裝備的競爭能力有著重要的意義。

［1］Arulampalam A，Ramtharan G，Jenkins N.Trends in wind power technology and grid code requirement［C］//International Conference on Industrial and Information System.Sri Lanka，2007:129－133.

［2］John T.Wind energy － the facts［J］.Wind Energying，2009，33(3):305－307.

［3］李 輝，薛玉石，韓 力.并網(wǎng)風力發(fā)電機系統(tǒng)的發(fā)展綜述［J］.微特電機，2009(5):55－60.

［4］施躍文，高 輝，陳 鐘.特大型風力發(fā)電機組技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.神華科技，2009，7(2):34－38.

［5］Grauers A.Design of direct driven permanent－ magnet generators for wind turbines［D］.Sweden:Chalmers University of Technology，1996.

［6］徐甫榮.中高壓變頻器主電路拓撲結(jié)構(gòu)的分析比較［J］.電氣傳動自動化，2003，25(4):5－12.

［7］Lchikawa S，Tomita M，Doki S.Sensorless control of permanent magnet synchronous motors using online parameter identification based on system identification theory［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53(2):363 －372.

［8］陳明亮，肖 飛，王顥雄.直驅(qū)型永磁同步風力發(fā)電機無傳感器控制［J］.電機與控制學報，2009，13(6):792－797.

［9］張崇巍，張 興.PWM整流器及其控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［10］Clements J，Julija M，Thomas A.International comparison of requirements for connection of wind turbines to power systems［J］.Wind Energying，2005，8(3):295 －306.

［11］Johan M，Sjoerd W H.Short circuit current of wind turbines with doubly fed induction generator［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22(1):174－180.

［12］Manoj R R，Ned M.A novel robust low voltage and fault ride through for wind turbine application operating in weak grids［C］//The 31st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.USA，2005:2481－2486.

［13］Flannery P S，Venkataramanan G.Evaluation of voltage sag ride－through of a doubly fed induction generator wind turbine with series grid side converter［C］//IEEE Power Electronics Specialists Conference.USA，2007:1839 －1845.

［14］李建林，許洪華.風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓運行技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［15］胡家兵，賀益康.雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越運行與控制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32(2):49－52.

［16］Chong H N，Li R，Jim B.Unbalanced grid fault ride through control for a wind turbine inverter［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，44(3):845 －856.

［17］Nargari.Performance investigation of a current controlled voltage regulated PWM rectifier in rotating and stationary frames［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1993，42(5):396－401.

［18］Choi J W，Sul S K.Fast current controller in three phase AC/DC boost converter using d － q axis crosscoupling［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1998，13(1):179 －185.

［19］Markus E，Philippe M，Alexander F.Full size voltage converters for 5 MW offshore wind power generators［EB/OL］.http://www.abb.com/windpower，2010 －04 －30.

［20］趙棟利，胡書舉，趙 斌.風力發(fā)電機、變流器及其低電壓穿越概述［J］.變頻器世界，2009(2):35－40.

［21］Jouko N，Slavomir S，Jari P M.Low voltage ride through testing of wind turbine drives［EB/OL］.http://www.abb.com/windpower，2010－04－30.

The status and outlook of wind power converters

Ma Weiming，Xiao Fei

(Research Institute of Power Electronic Technique，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

The power converter，which is one of the critical equipments of the system，must meet the requirements of high power density，high reliability and excellent control performance.Great development has been achieved in China about wind power converters，which is still lagging behind the advanced level of the world.In this paper，some critical technologies of direct driven wind power converter systems are introduced and the related design ideas are proposed.

wind power generation;variable speed constant frequency;doubly fed induction generation system;direct driven generation system;power converter

TM313

A

1009－1742(2011)01－0011－10

2010－06－08

國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體科學基金資助項目(50721063)

馬偉明(1960—)，男，江蘇揚中市人，中國工程院院士，海軍工程大學教授，主要從事艦船電氣工程領(lǐng)域研究;E － mail:maweimin@public.wh.hb.cn