風力發電并網變流器的研究與設計

李 元

內蒙古中廣核風力發電有限公司

風力發電并網變流器的研究與設計

李 元

內蒙古中廣核風力發電有限公司

目前，風力發電是新能源發電使用最多的方式之一，目前大量新建的風電場直接接入輸電網，而風機是旋轉設備，因此其對電力系統穩定運行一定會產生影響。對雙饋感應電動機的模型及其控制裝置進行了建模，并對其接入電力系統后，對電網的電壓穩定性的影響進行了研究。仿真結果顯示，風機的特征及控制將對電力系統的電壓穩定性產生嚴重影響。

變流器；風力發電；控制

社會經濟發展的勢頭日益迅猛，對各種可再生能源的開發與研究的速度也逐漸加快。風能作為可再生能源，受到各國的普遍關注，風力發電技術也在近幾年快速發展。隨著風能的逐漸開發，風力發電技術的進步，風力發電方式也經歷了從恒速恒頻到變速恒頻的變化。變速恒頻發電是一種新型的風力發電方式，它運用各種電力技術﹑轉換技術和微機技術等等進行發電機的控制，讓發電機可以實現變速運轉，讓風能的利用率達到最大，是一種新型的﹑高效率﹑高質量的發電方式。要想實現變速恒頻發電，其中的核心部件就是發電機組的變流器，因此需要加強對發電機組的變流器技術的研究。

1 風力發電機組變流器的系統設計

1.1 變流器主系統的整體設計

根據上述技術指標的要求和風力發電系統的工作要求，結合變頻器設計的相關方法可知，風力發電機組變流器主系統的設計主要包括六部分：首先是要選擇合適的同步電機，這里為滿足工作需要選用六項永磁同步電機；其次是變流器的選擇，在第二部分的介紹中提到，現在使用比較普遍的是PWM變流器，這里為了更好地實現變流效果，選用雙PWM變流器，采用背靠背的方式安裝；在風力發電的過程中為了保持發電恒頻，需要對發電機的電壓進行調解，因此需要使用調壓器；在變流器的輸入端和輸出度端需要安裝濾波器，過濾掉諧波的影響；在風力發電過程完成之后需要將生產的電力輸送到電網中，也就是要進行并網，因此要設計相應的并網裝置和系統保護裝置；使用定點DSP控制器控制功率模塊的運行。各組成部分之間利用不同的方式實現聯結：功率模塊IGBT采用并聯的方式進行組合，而且可以利用CAN通訊協議進行兩個模塊之間的數據傳輸交流；發電機側和電網側的兩組控制器通過光纖把變流器中的驅動脈沖傳輸到被DSP控制的功率模塊的驅動電路內，實現通信。

1.2 變流控制系統的整體設計

為了實現對變流系統的全面控制，對風力發電機組變流器系統的控制系統采用模塊控制層﹑變流器組控制層和變流系統控制層三層結合的控制結構。

(1)模塊控制層模塊控制層主要是實現對變流器系統中各個模塊單元的控制，實現模塊單元的各種功能，比如說對功率器件的驅動﹑對風扇的啟動控制﹑對變流器的調制等。模塊控制層使用到的功能模塊主要包括電源板﹑風扇控制板﹑DSP控制板和IGBT驅動板。(2)變流器組控制層變流器是發電機組變流系統的核心部件，要對變流器組進行單獨控制。變流器組控制層要同時實現對發電機側和網側的準確控制。一方面要保護變流器組的正常運行，實現各個模塊之間的數據傳輸以及對功率模塊的指令傳輸等；另一方面要對變流器運行中的急停和非正常啟動等現象做出有效的保護，避免變流器發生破壞。(3)變流系統控制層通過變流系統控制層實現對整個全功率變流系統的綜合控制以及對運行狀態的監測控制。三層控制結構中，模塊控制層的控制模板與其他主要的模塊單元組裝在一起，統一安裝在發電機組變流系統的功率單元柜中，平時便于管理，不會受到干擾，出現故障的時候能夠快速發現問題所在進行及時的維修處理。變流器組控制層和變流系統控制層平時操作比較多，需要放置在便于操作的地方，因此將這兩層控制結構布置在一個控制柜內。

2 風力發電系統變流技術的應用

2.1 直驅式風電系統網側變換器

永磁直驅式風電并網系統中，主要包括以下設備：永磁同步發電機﹑三相整流器和三相逆變器以及輸出濾波器等。作為該系統核心的并網變流技術一直是業內人士研究的重點課題，隨著研究的不斷深入，vSR(三相電壓源型整流器)在該系統中獲得了廣泛應用。VSR有兩種控制模式，一種是輸出電流，另一種輸出電壓。前者是通過對并網電流大小的調節對并網的有功和無功功率進行控制，其特點是響應速度快﹑功率因數高。然而，因這種控制方式的輸出具有電流源的特性，故此無法直接供給負載使用。后者是通過對輸出電壓進行控制對并網有功和無功功率進行調節，可直接為普通電力用戶進行供電。下面基于這兩種控制方式分別提出變流控制方法。

2.2 輸出電壓控制模式下風電并網系統的逆變器控制

通常情況下，以分布式的發電方式獨立向電力用戶提供電能時，會采用電壓控制模式。在小型發配電系統當中，三相并網逆變器的主電路拓撲結構與常規逆變電源的主電路拓撲結構大體相同，兩者之間并無較大差異，它們的逆變單元全都采用的是電壓型全橋逆變主電路。

直驅式風電并網系統歸屬于閉環系統的范疇，對于這樣的系統而言，合理的控制回路是確保其穩定﹑可靠運行的關鍵，也是使系統達到預期性能指標的前提和基礎。在獨立的供電系統當中，輸出電壓的控制目標主要是為了提高逆變器輸出電壓的穩態和動態性能。鑒于此，在輸出電壓模式下，直驅式風電并網系統可采用輸出電壓/電流瞬時雙閉環控制策略，其中內環可采用電感電壓瞬時調節環，它能使系統的動態性能獲得進一步提升；而外環則可采用瞬時電壓控制環，其能有效改善系統輸出電壓的波形，使系統的輸出精度有所提升。在對控制器進行設計的過程中，為了避免P胡M逆變器dq軸變量相互禍合對控制效果的影響，可采用前饋解禍的控制策略進行設計。

風力發電在未來能源結構中占有重要地位，其變流器狀態監測技術對于提高風電機組運行可靠性，降低運行成本具有重要作用，本文的一些分析理論希望可以給相關人員帶來幫助。

[1]尹超.淺談我國風力發電的現狀和前景[J].山東電力高等專科學校學報，2008，12：74-76.

[2]崔建紅，許建，劉京愛.我國風力發電的現狀與趨勢[J].科技情報開發與經濟，2009，10：121-123.