變頻器在風電場中的應用

郭迪華，武修苗，楊旭

(大唐三門峽風力發電有限公司，河南 三門峽 472000)

0 引言

隨著社會的發展，能源緊缺和環境污染的現象日益嚴重。風能作為一種可再生能源，完全符合保護生態環境、優化能源結構的要求，它是人類實現可持續發展的一種新動力源。我國風能資源十分豐富，實際可開發利用量達253 GW。為充分利用河南地區豐富的風力資源，中國大唐集團公司在河南省三門峽地區建設了一系列風電項目。大唐三門峽風力發電有限公司(以下簡稱三門峽風電公司)北臨黃河，南臨秦嶺支脈，屬于較明顯的內陸山地風電場。風電場使用的風力發電機組包含雙饋異步發電機和永磁直驅發電機2種。

在雙饋異步發電機中，變頻器控制轉子勵磁電流解決了發電機并網及實時追蹤發電機最大功率輸出點的問題;另外，它還用來進行轉子與電網之間轉差功率和勵磁無功功率的傳輸。而永磁直驅發電機中的全功率變頻器將發電機和電網完全分開，發電機發出的全部功率都由它進行傳輸，所以，對于同一額定功率的發電機組，它的額定設計功率比雙饋變頻器大。

本文通過對風電場所用2種變頻器的分析，闡述了變頻器在風力發電機中的作用以及工作機制，為深入研究適用于山地風電場的變頻器提供依據。

1 雙饋型變頻器簡介

三門峽風電公司使用的雙饋型變頻器按廠家分類，有禾望變頻器、森瑞克斯變頻器和許繼變頻器，3類變頻器的基本原理相同。

1.1 變頻器的原理

如圖1所示，雙饋型變頻器功率模塊采用背靠背結構。網側功率模塊為三相橋式脈沖寬度調制PWM(Pulse Width Modulation)整流電路，機側功率模塊為三相橋式PWM逆變電路。單個橋臂由續流二極管和絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)組成，通過直流母線電容將網側整流回路和轉子側逆變回路隔離。

圖1 變頻器工作原理圖

3種變頻器的控制策略都為主控控制。風機運行時，主控實時跟蹤轉速，當風速改變時，主控給變頻器“轉矩給定”的信號，變頻器再通過機側功率模塊中的驅動回路來控制絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的通斷，對直流母排的電流進行逆變，從而得到所需轉子勵磁電流的頻率。網側功率模塊可以穩定直流母排上的電壓，當電能由轉子側向電網輸送時，直流母排上的電流經過網側功率模塊的逆變，達到工頻頻率。

1.2 變頻器的作用

1.2.1 當風速改變時，始終保持與電網頻率一致

由圖1可知，風力發電機定子直接與電網連接，變頻器與發電機轉子、電網相連，主控通過變頻器控制發電機轉子側勵磁電流的頻率、相位和幅值來保證發電機在不同轉速下其定子側的輸出頻率與電網頻率一致，以滿足并網條件，即實現變速恒頻控制。

發電機定子輸出電壓頻率

式中:f1為發電機定子輸出電壓頻率;p為發電機極對數;fm為發電機轉子機械頻率，fm=n/60，n為發電機轉速;f2為發電機轉子電流頻率。

由式(1)可知，當轉子的機械頻率fm因風速變化而變化時，通過控制勵磁電流的頻率f2來控制定子輸出電壓的頻率。

2011年6月19日，三門峽風場#22風力發電機實時數據圖如圖2所示。#22風力發電機由東方汽輪機有限公司生產，其極對數p為2，即發電機同步轉速為1500 r/min。當發電機轉速達到1500 r/min時，fm為25 Hz，由式(1)可知此時轉子勵磁電流頻率f2為0，電網提供直流勵磁。由圖2可以看出，轉速越接近1500 r/min，轉子側勵磁電流的頻率越小。

圖2 風場風力發電機運行實時數據圖

1.2.2 調節功率因數使發電機實現最大功率輸出

如圖3所示，在不同風速下(v1＞v2＞v3)，風力發電機組的功率特性曲線不同。最佳功率曲線Popt曲線是各不同風速下最大輸出功率點的連線。由圖3可知，在同一個風速下，在不同轉速時，發電機會有不同的功率輸出。在風速變化時，及時調節風力發電機的轉速，可使發電機保持最佳功率輸出。機側功率模塊通過控制發電機轉子側勵磁電流來控制發電機的轉矩，從而調節發電機的轉速。

三門峽風電公司#22風力發電機2011年6月19日運行數據圖如圖4所示。由圖4可看出，當發電機轉速減小時，定子側有功功率隨之減小。

由圖2可知，風速變化時，主控給變頻器“轉矩給定”增大，勵磁電流的轉矩分量隨之變化，得到的發電機實際轉矩增大，發電機轉速呈上升趨勢。

1.2.3 軟啟動及加熱功能

3個廠家的變頻器都有預充電回路。下面以禾望變頻器為例，分析預充電回路的作用:主回路容量大，啟機時若通過主回路直接充電，會造成大電流而損壞回路中的器件;而預充電回路中有限流電阻，在啟機時應降低回路中電流，以保護各器件;在主控給變頻器啟機信號時，變頻器首先會檢查變頻器的溫度，當冬天山地地區溫度過低時，會通過加熱回路加熱。

1.2.4 轉子與電網之間轉差功率的傳輸

式中:s為轉差率，是轉子轉速與同步轉速之差對同步轉速之比值;ns為同步轉速;n為發電機轉速。

當式(2)中的n＜ns且s＞0時，發電機處于亞同步運行狀態，式(2)計算結果為正值，轉差功率由電網經變頻器輸入到轉子側，變頻器向發電機轉子側提供交流勵磁，發電機僅由定子輸出電能給電網;當n=ns且s=0時，發電機處于同步運行狀態，變頻器向發電機轉子側提供直流勵磁，發電機由定子輸出電能給電網;當式(2)中的n＞ns且s＜0時，發電機處于超同步運行狀態，式(2)計算結果為負值，轉子的轉差功率由變頻器回饋給電網，即發電機定子和轉子共同輸出電能給電網。

1.3 風力發電機啟機時變頻器的動作過程

圖5所示為風力發電機啟動時變頻器的動作過程及與其他設備之間的信號傳遞過程。由圖5可知，風力發電機啟動時，變頻器的動作是由主控控制的。

圖5 變頻器啟動邏輯

1.4 電網異常時變頻器的動作機制

1.4.1 抑制三相電壓不平衡

電氣化鐵路牽引機車站的連接方式會造成電網三相不對稱現象嚴重。鐵路機車牽引負荷是功率大、空間和時間分布隨機性強的單相負荷，當有重機車通過時所造成的大量單相負荷形成的不平衡電流會對風力發電機接入電源點的電能質量造成沖擊，導致風力發電機接入點的電能質量下降。河南三門峽地區承擔著隴海鐵路上大量牽引機車站的供電任務，鐵路上單相電氣化列車頻繁穿越造成電網電壓嚴重不平衡，導致該地區風場的風力發電機頻繁跳閘脫網。

當電網發生三相電壓不平衡時，發電機定子繞組中會流有負序電流。該負序電流在發電機轉子中會感應出倍頻電流，該倍頻電流會使發電機轉子局部受熱嚴重、損耗增大、效率降低，同時會引起發電機的力矩脈動使發電機運行時產生振動。在網側功率模塊中采用P－R(比例－諧振)電流控制系統，計算在電網不平衡條件下為實現控制目標需要的轉子電流，通過補償控制作用量，對網側變頻器正負序電流進行快速調節與精確控制，保證輸出電壓和電流中不含負序分量，達到工頻輸出。

1.4.2 低電壓穿越

在近期制定的《國家電網風電場接入電網技術規定(試行)》［1］中，要求風力發電系統有低電壓穿越的控制能力。當電網電壓跌落時，會造成雙饋發電機定子電流增加。由于轉子與定子之間磁性耦合，快速增加的定子電流會導致轉子電流急劇上升，造成發電機轉子側變頻器過流。同時，由于風力機調節速度較慢，故障前期風力機吸收的風能不會明顯減少，而發電機組由于定子端電壓降低，不能正常向電網輸送電能，即有一部分能量無法輸入電網，這些能量由變頻器系統內部消化，可能導致直流側電容充電、變頻器直流側過壓［2－3］。這些會對轉子側變頻器和直流母線的電容造成物理損害。

如圖5所示，當轉子側出現過流、過壓時，在轉子側功率模塊與發電機轉子之間的Crowbar電路會接入，當故障消除時Crowbar電路斷開。風場早期所使用的是被動式Crowbar，當電網出現故障到一定限值就觸發轉子側Crowbar，通過晶閘管短路轉子繞組保護變頻器。然后，發電機必須脫網，消除短路后晶閘管處產生的直流電流;當電網故障消除后，發電機重新并網。這是一個自我保護型控制過程，不對故障電網電壓提供支撐，并且在電網故障切除后也不能立即對電網恢復供電，無法實現低壓穿越。為滿足國家電網的要求，風場改為使用主動式Crowbar。主動式Crowbar存在控制器件和控制降壓回路，當電壓達到規定值時，關斷Crowbar回路，延時一段時間轉子側功率模塊重新發脈沖向電網提供無功功率支撐，以保證風力發電機在規定時間內保持并網運行。

2 全功率變頻器

2.1 全功率變頻器的原理及結構

風場使用新疆金風科技有限公司生產的直驅型風力發電機組，該機組采用多極同步電機，轉子采用永磁磁鋼勵磁，將轉子與風力發電機葉輪連接，將定子繞組功率輸出直接連接到全功率的變頻器上，由變頻器將發電機輸出變化的電壓、電流轉換為和接入電網相匹配的值。風場使用Freqcon全功率變頻器，其結構原理如圖6所示，其采用二極管被動整流、三重Boost斬波升壓、雙PWM逆變的拓撲結構。

這種拓撲結構有效解決了低風速下發電機輸出電壓低時變頻器的穩定運行問題。它通過Boost斬波升壓環節將逆變器直流母線電壓提高并穩定在合適的范圍內，使逆變器的調制范圍更寬，保證了變頻器的高效穩定運行;同時，還可以對永磁同步發電機輸出側功率因數進行校正，提高發電機的運行效率。此外，它在電網電壓波動時可滿足國家風電入網標準要求的低電壓穿越功能，保證風力機組安全、可靠并網。

對全功率變頻器而言，其重點在Boost斬波升壓和雙PWM逆變環節，被動整流環節只是把發電機出口交流量整為直流，可以保持整流后電壓電流的連續輸出而沒有突變。Boost斬波升壓回路一方面對直流母線起著升壓、穩壓的作用，另一方面通過可編程控制器(PLC)控制Boost的電流給定，可以達到調節發電機電磁轉矩的目的;雙PWM逆變環節的主要作用在于將直流母線的電壓電流調制成工頻按正弦波變化的量，以實現發電機輸出功率的穩定并網。

圖6 Freqcon全功率變頻器結構原理

2.2 風力發電機啟動時變頻器的動作機制

變頻器的啟動邏輯如圖7所示。

圖7 變頻器的啟動邏輯

風力發電機主控系統給變頻器信號，變頻器開始預充電過程，當直流母線電壓高于±420 V后，網側斷路器閉合，預充電電阻被短接，直流母線會進一步上升到±600 V，預充電過程完成;然后變頻器反饋Converter ready信號給主控，當發電機轉速達到并網轉速后，主控給變頻器Converter-enable信號，變頻器觸發IGBT調制，控制輸出電壓電流參數與并網參數一致。

2.3 電網異常時變頻器的動作機制

全功率變頻器不但能滿足低風速下的穩定運行，在風速突變時其通過轉矩調節來控制發電機轉速，從而保證風力發電機平穩、高效運行。此外，其對電網的支撐作用良好，當電網故障電壓下降時，在電壓跌至20%額定電壓時能夠維持并網運行625 ms;在電網電壓不低于額定電壓的90% 時，風力機組能保持不間斷并網運行。變頻器還可以向電網提供無功電流，支持電網電壓的恢復。

在電網故障電壓下降時，由于葉輪轉速不變，發電機、整流器的運行狀態不變，即發電機輸出功率大于變頻器輸出給電網的功率，導致直流母線電壓升高，變頻器控制器此時觸發制動電阻導通，將多余的功率以熱耗的形式消耗在制動電阻上。同時，變頻器向電網提供無功電流，支持電網電壓的恢復。當電網電壓恢復正常時，制動電阻回路斷開，直流母線電壓恢復正常，變頻器正常工作。

風速在6.5 m/s、有功功率在300 kW左右時，風電場現場77/1500 kW機組電網電壓三相對稱跌落時的故障錄波如圖8所示。

由圖8可知，單相最低電壓258 V，跌落為額定電壓的64.8%，風力機組最大電流700 A，電壓低于90%以下持續時間為19 s。在整個電壓跌落過程中，該機組始終保持并網運行，有功功率連續平穩輸出。同時，風力機組還向電網提供無功支持，最大無功功率達450 kV·A，可以加快電網的故障恢復。

圖8 機組故障錄波

3 2種變頻器的異同

在本文第1章節和第2章節中，分別介紹了2種變頻器的工作原理等，本章節對2種變頻器進行比較分析。

3.1 實現變速恒頻的方式不同

雙饋型變頻器通過控制轉子勵磁電流的頻率來控制定子側輸出電壓的頻率，以實現變速恒頻;而全功率變頻器通過“整流－逆變”的方式，把定子側的輸出電壓先整流成直流，再通過網側功率模塊進行逆變調制，從而達到與電網一致的輸出頻率。

3.2 控制策略不同

雙饋型變頻器通過機側變頻器控制轉子側的勵磁電流來控制發電機的電磁轉矩，從而實現對發電機轉速的調節;采用PWM全控整流，可以實現發電機轉矩和磁鏈的解耦，即輸出有功功率和無功功率的控制。

全功率變頻器通過升壓斬波器來調節其輸入電流來控制發電機的電磁轉矩，從而實現對發電機轉速的調節。

3.3 額定設計功率不同

雙饋異步發電機定子直接與電網連接，大部分功率直接由定子側輸出給電網，部分功率由轉子通過變頻器輸出給電網，通過變頻器的功率僅為轉差功率(約為發電機額定功率的1/3)，而全功率變頻器的全部視在功率均流過變頻器。所以，在2種風力發電機的額定功率相同時，其全功率變頻器的額定設計功率要大很多。

3.4 故障時處理能力不同

在電網異常和故障狀態下，雙饋變頻器發電機需運行在特殊控制算法之下，否則電流沖擊和畸變均很嚴重，發電機的安全也會受到影響;而全功率變頻器由于其發電機與電網完全隔離，在電網跌落和不對稱時，發電機仍可運行在對稱狀態。

［1］中國電力科學研究院.國家電網風電場接入電網技術規定(試 行)［S/OL］.http:∥ www.fenglifadian.com/zhengce/339CCJJl.html.

［2］I Erlich，M Wilch，C Feltes.Reactive Power Generation by DFIG Based Wind Farms with AC Grid Connection［C］∥The 1 2th European Conference on Power Electronics and Applications.Aalborg:2007:1 －10.

［3］Anca D Hansena，Gabriele Michalke.Fault Ride-through Capability of DFIG Wind Turbines［J］.Renewable Energy，2007，32(9):1594 －1610.