雙饋型風力發電變流器及控制研究

倪 鑠，華成龍

(西安德納檢驗檢測有限公司，西安 710000)

0 引 言

隨著社會主義市場經濟的逐漸發展，電能在社會生產和群眾生活質量提升等方面得到廣泛應用，為保證電網的穩定性，各個電力企業不得不將各種發電技術引入日常電能生產中。其中雙饋型風力發電變流器使風力發電的效率得到大幅提升，其不僅可以節約發電資源的消耗，還可以減少因發電而產生的環境污染。

1 雙饋型風力發電變流器作用

1.1 基本原理

雙饋型風力發電變流器的內部組成結構與感應電機存在一定的相似之處，該類型發電系統采取轉子交流勵磁的方式進行風力發電。現階段，風力發電系統中應用的變流器主要包括恒速控制變流器和變速發電變流器。其中恒速控制變流器具有比較強的穩定性，另一種對自然感知能力較強可根據環境中的風力進行調整。不同環境下高效利用風力會產生比較好的發電效果，因此變速發電變流器在風力發電領域中更加常見。其主要是通過轉子旋轉而形成磁場，低速勻速磁場與設備機械的運行相結合待達到定子磁場轉速將實現兩者同步，在此期間風力發電機將感應到繞組電壓。因變速型發電變流器以轉速為基礎，其功率在定子額和定功率中占據成分比較少，使變頻器結構組成比較小巧，一定程度上降低了變頻器的生產成本。對轉子相對進行控制將實現變流器的靈活調節，促使發電設備得到更加穩定的運作[1]。

1.2 發電特性

雙饋型風力發電機組構成中齒輪箱與發電機相連，轉子轉動期間的速率受到風力等外因的控制，為使頻率更加穩定，相關工作人員應對轉子的勵磁電流進行調節，將頻率控制在標準范圍內保證變速恒頻得到更好的發揮。

1.3 變流器作用

通過轉變勵磁電流的頻率，進而調整發電機的轉速，將達到交流調速的基本目的，按照最好的運作方式來調整發電機的運行功率(見表1)。以改變勵磁電流相位的形式來改變發電機的空載電勢與電網電壓等矢量之間的相位，進而轉變發電機功率。由此可知，通過調整勵磁電流一方面可以調節發電機的無功功率，另一方面可以調整風力發電系統的有功功率。其中變流器分為網側變流器和機側變流器，前者可以形成穩定直流電流，后者可產生可變的交流電壓。

表1 勵磁電流頻率

2 雙饋型風力發電變流器控制

2.1 雙饋型發電變流器組成

雙饋變流器的組成相對而言比較復雜，主要包括斷路器、DUT電抗、并網接觸器、網側濾波器、電源系統、預充電回路、控制回路以及低電壓穿越回路等等組成部分。斷路器配置在電網和定子中間，主要作用是斷路保護。

并網接觸器主要作用是控制定子并網，其機械壽命和電氣壽命均比斷路器久。

勵磁接觸器在網側變流器供電和轉子側能量接入電網過程中起到控制分斷作用。

DUT濾波器的作用主要是為了抑制長電纜寄生電容導致的電機繞組過電壓現象的發生。

網側濾波器的作用主要是減少變流器向電網輸送電流諧波，確保較高質量的電能輸入電網。

變流器運行之前直流母線沒有電壓，預充電回路為母線充電。其繞開勵磁接觸器在吸合前為母線充電，進而保護母線電容不受到電網電壓沖擊。

電源系統是裝置的重要組成部分，其穩定和可靠的運行將直接影響整個裝置。

控制回路主要使用24VDC和AC220 V供電的設備，使用機側控制器、網側控制器、光電轉換板以及ASIC板和部分繼電器將實現變流器保護。

低電壓回路一般使用CROWBAR裝置來實現控制功能。

2.2 變速恒頻變流器的控制

2.2.1 運行狀態

變流器的轉子轉速跟磁場內部定子轉速密切相關，當轉子的轉速小于磁場內部的定子轉速時，發電機的使用狀態就無法達到標準，其可以稱為亞同步狀況。變換器需要為轉子提供所需的勵磁電流，從而保證磁場的穩定狀態。此時，電子磁場可感應到電子的生成并將電能輸送至電網中。若轉子轉速超過定子轉速時，發電機的使用效用將超出電機的發電狀態，此狀態被稱為超同步運行狀況。此時，定子將不再單純的向電網輸送電能，轉子也將作為發電部分融入電力傳輸過程中。當轉子轉速和定子轉速相統一時，二者將形成同步運作狀態，期間就是變速恒頻發電變流器的最好運作狀態，此時為保證轉子的正常運作就需要PWM向轉子運轉狀態提供勵磁電流[2]。

2.2.2 轉子側變流器控制

轉子側變流器可實現有功功率狀態下的解耦和無功功率狀態下的控制。除此之外，轉子側變流器對無功和有關進行控制可更好的實現恒頻輸出。為實現解耦控制需對相關方程式進行計算，通常選用磁場都是選擇矢量控制等方式。此后應構建PWM系統控制框架在系統框架中找到相關數據，根據數據計算出電流指令進而實現發電機轉速操作。

2.2.3 網側變流器的控制

使用網側變流器主要是為了保證發電期間電壓的穩定，電壓穩定時功率能夠按照設定因數開始變化，進而實現變流器系統的平穩運作。使用網側變流器對電流的控制也采取矢量控制的方式，主要原因是電網在電流輸送期間電壓的幅值和相位一般保持在較為恒定的狀態，不發生躍變。根據網側變流器實時采集的電壓電流幅值和相位信息，可以找到相應矢量控制信息，得到解耦控制函數，分解出電壓電流的正序或負序或零序分量。根據實時采集的高采樣率數據建立網側變流器系統函數，根據不同指令值進行策略響應和控制指令下發，進而實現控制網側變流器的目的。

2.3 變速恒頻交流器并網控制策略

使用變速恒頻交流器進行并網工作有很多種方式，該變流器可以根據輸電網絡形成柔性連接，根據風力對發電系統中的電壓、轉速等對勵磁電流進行調整，進而使電路電壓能夠達到并網標準。

2.3.1 空載并網

根據空載并網含義得出將定子電流設定為零并根據頻率等相關信息，對變速恒頻變流器進行勵磁調整，可保證上述信息與空載電子的電壓保持一致。利用空載的方式實現并網需發電機正載運行并隔離發電機使用，避免發電設備能量的轉化能對轉子轉速產生影響，期間主要參與設備就是原動機。

2.3.2 負載入網

負載入網的方式與上述空載并網恰好相反，進行入網前應保證變速恒頻風力發電變流器的負載運作，收集相關電壓的數據信息后對其進行調整。當電壓信息控制達到入網需求時，即可對其進行入網工作。入網前變流器處于負載運作狀態，所以電壓信息提取將不再針對電網一側還需將定子側數據概括其中。

3 結束語

綜上所述，雙饋發電機組促使雙饋型風力發電變流器得到廣泛應用。由于發展時間較短，該技術還存在一定的不足，故障率比較高，應做好雙饋性風力發電變流器系統的控制工作，降低故障率。爭取有效利用雙饋發電機組，促進低碳發電的發展，為雙饋風力發電系統及變流器帶來更加廣闊的發展空間。