張廣明， 吳煜琪， 梅 磊， 季文娟

(南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京 211816)

0 引言

并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組要求發(fā)電機的輸出頻率必須與電網(wǎng)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(tǒng)(CSCF)和變速恒頻系統(tǒng)(VSCF)。隨著風力發(fā)電設備單機容量的增大及電力電子技術的發(fā)展，變速恒頻技術以顯著的優(yōu)勢成為國內外主要采用的控制方式［1］。

1 變速恒頻風力發(fā)電技術的優(yōu)勢

變速恒頻技術是指在風力發(fā)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(jié)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(shù)CP與葉尖轉速比λ和槳葉節(jié)距角β有關，當槳葉節(jié)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(shù)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(tài)。

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(xiàn)追求風能最大轉換效率，正好彌補了恒速恒頻風力發(fā)電機總是處于低效狀態(tài)的缺陷，這是該類型風力發(fā)電機最主要的優(yōu)點。此外，變速運行還有如下優(yōu)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?yōu)殡娔馨l(fā)給電網(wǎng)。

(2)可使發(fā)電機組與電網(wǎng)系統(tǒng)之間實現(xiàn)良好的柔性連接，降低風電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的影響，避免并網(wǎng)沖擊電流過大，相對于恒速恒頻技術，變速恒頻更易實現(xiàn)并網(wǎng)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(yōu)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(fā)電效率的技術上進行了深入研究。

2 變速恒頻風力發(fā)電的控制方案

目前，實現(xiàn)變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)有多種控制方案:籠型異步發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)、交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)、無刷雙饋異步發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)、直驅式永磁同步發(fā)電機變速恒頻系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)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(fā)電機

此系統(tǒng)采用的發(fā)電機是籠型轉子，定子與同步發(fā)電機相同，而且無電刷和滑環(huán)，結構簡單牢固，運行可靠性高。由電網(wǎng)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(fā)電機結構圖。

該系統(tǒng)的變速恒頻控制策略是在定子電路實現(xiàn)的，發(fā)電機的定子通過交－直－交變換器與電網(wǎng)連接，首先將風能轉化為幅值和頻率變化的交流電，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟?，然后?jīng)過逆變器逆變?yōu)槿囝l率恒定的交流電接到電網(wǎng)［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(xiàn)籠型發(fā)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(wěn)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(tǒng)的運行特性。

圖1 籠型異步發(fā)電機結構圖

但是由于變頻器在發(fā)電機的定子側，這樣就會使變頻器的容量與發(fā)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(fā)電機

此系統(tǒng)采用的雙饋異步發(fā)電機(Double-Fed Induction Generator，DFIG)結構與繞線式異步發(fā)電機類似，定子繞組直接接入工頻電網(wǎng)，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(huán)引出，通過一臺能量可雙向流動的變頻器接入電網(wǎng)［10］。圖2為交流勵磁雙饋發(fā)電機結構圖。

圖2 交流勵磁雙饋發(fā)電機結構圖

由電機學可知，當發(fā)電機穩(wěn)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(shù);

f1、f2——定、轉子電流的頻率。

當風速變化時，通過調節(jié)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(xiàn)變速恒頻運行。當DFIG處于亞同步運行狀態(tài)時(即nr＜n1)，f2＞0，電網(wǎng)通過變頻器向發(fā)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(fā)給電網(wǎng);當DFIG處于超同步運行狀態(tài)時(即nr＞n1)，f2＜0，電網(wǎng)通過變頻器向發(fā)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(wǎng)，變頻器的能量流向變?yōu)槟嫦?當DFIG處于同步運行狀態(tài)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(fā)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(jié)有功功率和無功功率，實現(xiàn)兩者的解耦控制，對電網(wǎng)還能起到無功補償?shù)淖饔?。由于控制方案是在轉子電路實現(xiàn)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(wǎng)運行規(guī)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(fā)電機的定子側直接與電網(wǎng)相連接，電網(wǎng)電壓的跌落直接作用在發(fā)電機的定子上，因此交流勵磁發(fā)電機的低電壓穿越能力不好，也很難實現(xiàn)真正意義上的低電壓穿越運行［14-15］。

2.3 無刷雙饋發(fā)電機

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

BDFM的定子側有兩套級數(shù)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(wǎng)，而控制繞組通過一個雙向變頻器與電網(wǎng)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(shù)應為定子兩個繞組極對數(shù)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(fā)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(chǎn)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(shù)。

當轉子轉速nr發(fā)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(fā)電機輸出頻率fp保持不變，從而實現(xiàn)變速恒頻控制。此外，BDFM仍然繼承了交流勵磁雙饋發(fā)電機變頻器容量小、輸入輸出特性優(yōu)良、功率因素高的優(yōu)點，且可實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制［20］。

雖然BDFM有著突出的優(yōu)點，但也存在著明顯的缺點。文獻［21］從級聯(lián)式和獨立式兩種不同類型的BDFM分別進行分析。對于級聯(lián)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(fā)電機

隨著電力部門對風力發(fā)電要求的提高，最近幾年，直驅式永磁同步發(fā)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(fā)電機，直驅式永磁同步發(fā)電機由于其電樞繞組通過背靠背全功率變流器與電網(wǎng)相連接，電網(wǎng)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(xiàn)真正意義上的低電壓穿越運行。此外，風力機和永磁同步發(fā)電機直接耦合，省去了易產(chǎn)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(fā)電效率3% ～5%［23-24］。圖4為直驅式永磁同步發(fā)電機結構圖。

圖4 直驅式永磁同步發(fā)電機結構圖

從文獻［25］可知，雖然相對于雙饋發(fā)電機，直驅式永磁同步發(fā)電機有明顯的優(yōu)勢，但也存在著一些缺點。由于省去了齒輪箱，發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電機在過冷、過熱下均沒有優(yōu)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(fā)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(fā)電機在當今世界仍然是主流發(fā)電方式，但最近幾年，直驅式永磁同步發(fā)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(fā)電量更大，而且較低的運行和維護成本讓其優(yōu)勢更為突顯。因此，直驅式永磁同步發(fā)電機將是未來世界風電技術的發(fā)展趨勢之一。

［1］劉向陽，邱鳳蓉.變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)主要方案［J］.裝備機械，2009(4):38-41.

［2］張志英，趙萍，李銀鳳，等.風能與風力發(fā)電技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2010.

［3］YAO X J，LIU Y M，BAO J Q，et al.Research and simulation of direct drive wind turbine［J］.IEEE，2008:1683-1687.

［4］程啟明，程尹曼，汪明媚，等.風力發(fā)電機組并網(wǎng)技術研究綜述［J］.華東電力，2011，39(2):239-244.

［5］賀益康，鄭康，潘再平，等.交流勵磁變速恒頻風電系統(tǒng)運行研究［J］.電力系統(tǒng)自動化，2004，28(13):55-59.

［6］王瑞艦，葛書鑫.風力發(fā)電中的變速恒頻技術綜述［J］.變頻器世界，2009(8):37-39.

［7］王冠琰，李娜.變速恒頻風力發(fā)電技術綜述［J］.電氣技術與自動化，2010，39(1):153-156.

［8］李建林，許洪華.風力發(fā)電中的電力電子變流技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［9］吳競之.基于鼠籠電機全功率風力發(fā)電的系統(tǒng)分析與研究［D］.上海:上海交通大學，2011.

［10］王旭辰.交流勵磁變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術研究［D］.保定:華北電力大學，2010.

［11］張奇?zhèn)?雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的PWM變流技術研究［D］.杭州:浙江工業(yè)大學，2009.

［12］REN Y F，CAO L M，ZHOU J，et al.The modeling and control of VSCF DFIG wind power generation based on PSCAD［J］.IEEE，2010:24-28.

［13］趙芳，宋平崗，張超偉.變速恒頻雙饋風力發(fā)電技術概述［J］.華東交通大學學報，2007，24(5):131-134.

［14］臧曉迪.幾種雙饋式變速恒頻風電機組低電壓穿越技術對比分析［J］.變頻器世界，2008(5):41-45.

［15］陳秋明，李紅梅.風力發(fā)電機兩種主要機型的對比［J］.東方電氣評論，2010，24(93):41-44.

［16］楊元侃，惠晶.無刷雙饋風力發(fā)電機的控制策略與實現(xiàn)［J］.電機與控制學報，2007，11(4):364-368.

［17］龔晟，楊向宇，王芳媛.無刷雙饋電機起源、發(fā)展及原理綜述［J］.微電機，2010，43(8):79-82.

［18］張小蘭，廖勇.無刷雙饋變速恒頻風力發(fā)電機控制技術［J］.武漢大學學報，2010，43(2):257-260.

［19］宋金梅，王波，肖海勃.中外常用風力發(fā)電技術及風電機概述［J］.電氣技術，2009(8):79-82.

［20］劉偉.無刷雙饋變速恒頻風力發(fā)電控制系統(tǒng)研究［D］.西安:西安理工大學，2008.

［21］楊淑英.雙饋型風力發(fā)電變流器及其控制［D］.合肥:合肥工業(yè)大學，2007.

［22］張憲平.直驅式變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越研究［J］.大功率變流技術，2010(4):28-31.

［23］張洪陽.永磁風力發(fā)電機分布式直流并網(wǎng)變流器的研究與實現(xiàn)［D］.沈陽:沈陽工業(yè)大學，2011.

［24］張梅.直驅永磁同步風電機組建模及其控制系統(tǒng)仿真研究［D］.西安:西安理工大學，2008.

［25］摩根士坦利研究部.亞太區(qū)摩根士坦利研究報告［G］.2010.