變速恒頻風力發電系統控制方案綜述*

張廣明， 吳煜琪， 梅 磊， 季文娟

(南京工業大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京 211816)

0 引言

并網運行的風力發電機組要求發電機的輸出頻率必須與電網頻率一致，為了將隨機性很強的風能轉換為頻率恒定的交流電，目前國內外有兩種基本的方法，即恒速恒頻系統(CSCF)和變速恒頻系統(VSCF)。隨著風力發電設備單機容量的增大及電力電子技術的發展，變速恒頻技術以顯著的優勢成為國內外主要采用的控制方式［1］。

1 變速恒頻風力發電技術的優勢

變速恒頻技術是指在風力發電過程中，風力機的轉速隨風速的變化而變化，并通過一系列控制方式來獲得恒定的電能。文獻［2-3］介紹了風力機功率主要受三個因素的影響:風速V、槳葉節距角β和葉尖速比λ。風力機的機械功率Pm為

式中:ρ——空氣密度;

R——風力機風輪半徑;

ωr——風輪角速度。

從式(1)和式(3)中可看出，風能的利用系數CP與葉尖轉速比λ和槳葉節距角β有關，當槳葉節距角β一定時，CP只由葉尖轉速比λ來決定。風力機只有一個最大的風能利用系數Cpmax，此時對應最佳葉尖速比λopt。在恒速恒頻技術中，風力機的轉速不隨風速的變化而變化，Cp往往會偏離最大值，因此風力機就運行在低效狀態。

變速恒頻技術可以在不同風速下運行于不同轉速，進而實現追求風能最大轉換效率，正好彌補了恒速恒頻風力發電機總是處于低效狀態的缺陷，這是該類型風力發電機最主要的優點。此外，變速運行還有如下優點［4-5］:

(1)減少了由于陣風沖擊而對風力機組造成的機械應力。它能在風速增加時把陣風余量儲存在風輪機轉動慣量中，并在風速下降時，把風輪動能重新釋放出來，通過一定的控制變為電能發給電網。

(2)可使發電機組與電網系統之間實現良好的柔性連接，降低風電系統與電網之間的影響，避免并網沖擊電流過大，相對于恒速恒頻技術，變速恒頻更易實現并網操作與運行。

(3)可降低風力機在低風速運行時的噪聲。

因為這些優勢，國內外已采用變速恒頻技術來取代恒速恒頻技術，并在最大限度捕獲風能和提高發電效率的技術上進行了深入研究。

2 變速恒頻風力發電的控制方案

目前，實現變速恒頻風力發電系統有多種控制方案:籠型異步發電機變速恒頻系統、交流勵磁雙饋發電機變速恒頻系統、無刷雙饋異步發電機變速恒頻系統、直驅式永磁同步發電機變速恒頻系統等。這些系統都有自己的特點，下面將分別介紹這4種主要的控制方案。

2.1 籠型異步發電機

此系統采用的發電機是籠型轉子，定子與同步發電機相同，而且無電刷和滑環，結構簡單牢固，運行可靠性高。由電網取得感性無功功率和勵磁電流，不需要勵磁裝置，因此尺寸較小，質量較輕［6］。圖1為籠型異步發電機結構圖。

該系統的變速恒頻控制策略是在定子電路實現的，發電機的定子通過交－直－交變換器與電網連接，首先將風能轉化為幅值和頻率變化的交流電，經整流后變為直流電，然后經過逆變器逆變為三相頻率恒定的交流電接到電網［7］。文獻［8］介紹了電力電子變流電路(整流器和逆變器)各種不同的拓撲結構。文獻［9］通過比較采用了PWM整流器后接電壓源型PWM逆變器拓撲結構，PWM整流器可實現籠型發電機的磁鏈及轉矩分量的解耦控制，PWM逆變器可保持直流側電壓穩定，諧波含量低，逆變效果好，此控制策略更加靈活和有利于提高系統的運行特性。

圖1 籠型異步發電機結構圖

但是由于變頻器在發電機的定子側，這樣就會使變頻器的容量與發電機的容量相同，導致了變頻器的體積和重量過大，成本也相應提高。

2.2 交流勵磁雙饋發電機

此系統采用的雙饋異步發電機(Double-Fed Induction Generator，DFIG)結構與繞線式異步發電機類似，定子繞組直接接入工頻電網，轉子采用了三相分布式對稱交流繞組，繞組接線端由三個滑環引出，通過一臺能量可雙向流動的變頻器接入電網［10］。圖2為交流勵磁雙饋發電機結構圖。

圖2 交流勵磁雙饋發電機結構圖

由電機學可知，當發電機穩定運行時，定、轉子的旋轉磁場在空間上是相對靜止的，因此定、轉子旋轉磁場的關系可表示為

式(4)也可寫為

式中:n1、n2——定、轉子磁場的轉速;

nr——轉子的電轉速;

P——電機的極對數;

f1、f2——定、轉子電流的頻率。

當風速變化時，通過調節轉子勵磁電流頻率f2來保證定子輸出電流頻率f1恒定，從而實現變速恒頻運行。當DFIG處于亞同步運行狀態時(即nr＜n1)，f2＞0，電網通過變頻器向發電機轉子提供了轉差功率和正相序低頻交流勵磁，并由定子將電能發給電網;當DFIG處于超同步運行狀態時(即nr＞n1)，f2＜0，電網通過變頻器向發電機轉子提供了負相序低頻交流勵磁。同時，轉子轉差功率回饋給電網，變頻器的能量流向變為逆向;當DFIG處于同步運行狀態時(即nr=n1)，f2=0，此時轉子采取了直流勵磁［11-12］。

文獻［13］從能量可雙向流動和發電質量等要求上分析了如何選擇雙饋電機交流勵磁用的變頻器，提出了目前最為廣泛應用的雙PWM變頻器，可靈活調節有功功率和無功功率，實現兩者的解耦控制，對電網還能起到無功補償的作用。由于控制方案是在轉子電路實現的，變頻器向轉子提供的轉差功率僅為一小部分定子額定功率。因此，流過變頻器的容量僅為電機容量的一部分(約為25% ～30%)，減少了變頻器的容量和體積，易于安裝和維護，降低了成本。

新電網運行規則要求風電機組有一定的低電壓穿越能力，但是由于交流勵磁發電機的定子側直接與電網相連接，電網電壓的跌落直接作用在發電機的定子上，因此交流勵磁發電機的低電壓穿越能力不好，也很難實現真正意義上的低電壓穿越運行［14-15］。

2.3 無刷雙饋發電機

與交流勵磁雙饋發電機相比，無刷雙饋發電機(Brushless Double-Fed Motor，BDFM)最大的不同就是沒有電刷和滑環，既降低了系統的成本，又提高了系統的穩定性，適合在惡劣環境的風電場連續運行，因此成為風力發電機的主要選擇［16］。

BDFM的定子側有兩套級數不同的繞組，分別為功率繞組和控制繞組。功率繞組直接接電網，而控制繞組通過一個雙向變頻器與電網相連接，兩套定子繞組在電路和磁路方面都是解耦的。轉子可采用籠型或磁阻式結構，由于轉子同時耦合著兩套定子繞組，其極對數應為定子兩個繞組極對數之和［17-18］。圖3為BDFM結構圖。

圖3 BDFM結構圖

文獻［19］通過公式推導得出發電機功率繞組的電頻率為

式中:fp、fc——功率繞組、控制繞組的頻率;

nc——向控制繞組通入勵磁電流后產生旋轉磁場的轉速;

nr、np——轉子、功率繞組的轉速;

pc、pp——控制繞組、功率繞組的極對數。

當轉子轉速nr發生變化時，只要改變控制繞組的輸入電流頻率fc，就可以使發電機輸出頻率fp保持不變，從而實現變速恒頻控制。此外，BDFM仍然繼承了交流勵磁雙饋發電機變頻器容量小、輸入輸出特性優良、功率因素高的優點，且可實現有功功率和無功功率的解耦控制［20］。

雖然BDFM有著突出的優點，但也存在著明顯的缺點。文獻［21］從級聯式和獨立式兩種不同類型的BDFM分別進行分析。對于級聯式而言，由于需要額外增加一臺控制電機，會損失電機的運行效率。對于獨立式，定子繞組需要進行特殊設計，繞組的布局問題成為一個比較困難的關鍵性技術。

2.4 直驅式永磁同步發電機

隨著電力部門對風力發電要求的提高，最近幾年，直驅式永磁同步發電機在風電領域受到越來越多的重視。相比之前提到的雙饋發電機，直驅式永磁同步發電機由于其電樞繞組通過背靠背全功率變流器與電網相連接，電網電壓的跌落不會直接影響到電機定子端電壓，在直流側上增加文獻［22］中提到的Crowbar保護電路，可實現真正意義上的低電壓穿越運行。此外，風力機和永磁同步發電機直接耦合，省去了易產生故障的齒輪箱，從而大大提高風機整體可靠性，并減小噪聲，降低運行維護成本。由于該機型的轉子采用永磁型結構，可自身勵磁，沒有了勵磁繞組的損耗，大幅降低了電的損失，可以提高發電效率3% ～5%［23-24］。圖4為直驅式永磁同步發電機結構圖。

圖4 直驅式永磁同步發電機結構圖

從文獻［25］可知，雖然相對于雙饋發電機，直驅式永磁同步發電機有明顯的優勢，但也存在著一些缺點。由于省去了齒輪箱，發電機必須把轉子全部轉矩轉化為電能，因此為了彌補轉速只能增加發電機的半徑，體積變大，給運輸和安裝帶來了一定的難度。同時，變頻器的容量必須與發電機的容量一致，這也導致變頻器體積和重量的升高。此外，直驅式永磁同步風力發電機在過冷、過熱下均沒有優勢，容易失磁。

3 結語

采用變速恒頻技術，可以最大限度地捕獲風能和提高發電效率。本文介紹了4種主要的變速恒頻控制方案，它們在性能上各有利弊。

雖然雙饋風力發電機在當今世界仍然是主流發電方式，但最近幾年，直驅式永磁同步發電機在市場上占有的份額逐年提高，直驅機組對于齒輪箱設計機組是一種顛覆性的技術，在相同風況下，其發電量更大，而且較低的運行和維護成本讓其優勢更為突顯。因此，直驅式永磁同步發電機將是未來世界風電技術的發展趨勢之一。

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