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1、双馈电机变速恒频风力发电技术概述林波 1 宋平岗 赵芳（华东交通大学电气与电子工程学院 江西 南昌 330013）摘要：文中简要介绍了双馈电机变速恒频风力发电系统的基本结构和运行原理， 对双馈电机变速恒频风力发电技术进行了概述，其中包括交流励磁电路拓扑、控制策略、并网控制，展望了双馈电机变速恒频风力发电技术的发展趋势。关键词：变速恒频；双馈电机；风力发电；控制策略0 引言风能是一种非常具有开发潜力的可再生能源，近年来风力发电技术已经得到了各国学者的广泛关注和重视。风力发电技术中的变速恒频发电方式是目前风力发电技术的发展方向。变速恒频双馈风力发电系统运行时通常将发电机定子绕组接入工频电网，转子绕
2、组与幅值、频率、相位和相序均可调节的四象限变频器相连。与其他变速恒频风力发电系统相比，双馈风力发电系统所需变频器容量较小，在额定同步速+30%的调速范围运行时，变频器的容量约为电机额定容量的 25%，变频器的损耗小，系统的效率高，有功功率和无功功率可实现解藕控制。在双馈变速恒频风力发电系统中，双馈发电机的控制与鼠笼型异步电机调速控制相似，经历了标量控制、矢量控制、直接转矩控制及智能控制等阶段。结合风力发电的特殊运用场合，产生了直接功率控制等新的控制策略 1。本文对双馈电机变速恒频风力发电技术中交流励磁变频电源拓扑结构、交流励磁控制策略、并网控制等进行了概述，力图反映变速恒频双馈风力发电技术的最
3、新研究进展。1 双馈电机变速恒频风力发电系统的基本结构和运行原理风力发电技术中的变速恒频发电方式是目前风力发电技术的发展方向，变速恒频控制技术的风力发电系统主要由风力机、双馈发电机、变频器励磁系统、控制检测系统组成，如图 1-1 所示图 1-1 双馈电机变速恒频风力发电系统的基本结构众所周知，任何电机在稳态运行时，定子旋转磁场与转子旋转磁场都是相对静止、同步旋转的。对双馈电机有：+ = (1-1)60np2f1式中： 定子绕组电流频率；1f基金项目：国家自然科学基金资助项目(50577025)作者简介：林波（1983） ，男，江西萍乡人，华东交通大学硕士研究生，主要研究电力电子与风力发电电话：
4、15979038113 E-mail： 转子绕组电流频率；2f转子旋转的转速n电机的极对数p其中， “+”表示亚同步运行， “一”表示超同步运行，后者要求转子绕组相序与定子相反。从这个关系式可以看出，当转子转速 变化时，可调节转子的供电频率 ，保持 不n2f1f变，即保证定子馈电频率不变，与电网一致。2 双馈风力机交流励磁变频电源拓扑结构采用绕线异步电机作为发电机并对其转子电流进行控制，是变速恒频异步风力发电系统的主要实现形式之一，当前使用电力电子器件可满足交流励磁要求的变频电源形式主要有：交交变换器，矩阵式交交变换器，交直交变换器、多电平 PWM 变换器。交交变换器采用晶闸管作为功率开关器件
5、，按相控方式工作，实现交流-交流直接变频、变压 3。三相交-交变换器有 3 个“三相输入，单相输出”的交-交变换器按照三相对称原则连接而成。这种变换器工作稳定，可靠，适合作为双馈电机转子绕组的变换器电源，交交变频的最高输出频率是电网频率的 1/3-1/2，在大功率低频范围有很大的优势。交交变频没有直流环节，变频效率高，主回路简单，不含直流电路及滤波部分。虽然交交变换器双馈系统得到了普遍的应用，但因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄，使用元件数量多使之应用受到了一定的限制。 为解决晶闸管型相控交-交变换器输入、输出特性差、谐波成分大的缺陷，近来出现了另一种新颖的交-交直接变频电路矩
6、阵式变换器，这种变换器是一种交交直接变换器，由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成 45。矩阵变换器没有中间直流环节，输出由三个电平组成，谐波含量比较小；其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压；矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作。虽然矩阵变换器有很多优点，但是在其换流过程中不允许存在两个开关同时导通或者关断的现象，实现起来比较困难。矩阵变换器最大输出电压能力低，器件承受电压高也是此类变换器一个很大缺点。应用在风力发电中，由于矩阵变换器的输入输出不解耦，即无论是负载还是电源侧的不对称都会影响到另一侧。另外，矩阵变换器的输入端必须接滤波电容，虽然其电容的容
7、量比交直交的中间储能电容小，但由于它们是交流电容，要承受开关频率的交流电流，其体积并不小。 交直交变换器是目前应用最广泛的变换器，它分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛 6789。电压型变换器大多数采用二极管整流方式供电，二极管不可控单方向导电特性使得变换器不能向电网回馈能量。为实现双馈电机转子能量的双向传送，交直交电压源变换器常采用 PWM 形式。该类型的变换装置具有结构简单、电流谐波含量小、输入功率因数可控等特点，且其直流环节的滤波电容可实现网侧和电机转子侧的解耦。目前该类型变换器已广泛应用于变速恒频双馈风力发电系统。该类型变换器直流环节的滤波
8、电容体积较大，寿命较短，且双侧采用 PWM 控制，开关损耗较大。为减少开关损耗，文献810给出了中间直流环节谐振式交直交电压源型电路拓扑。随着风电机组容量的进一步增大，对大容量、高品质励磁电源有了新的需求，原有的两电平 PWM 变换器由于容量和输出电平数的限制已逐渐显露出作为交流励磁电源的不足。频率变换器采用多电平方式后可以获得更多级的输出电压，波形更接近正弦，谐波含量少，电压变化率小，可获得更大的输出容量。采用多电平变换器构造出的双 PWM 变换器的输入、输出特性更优，电力谐波更少，降低了 EMI 滤波器设计难度，减轻了开关器件的电压应力。在同样的谐波性能条件下，多电平变换器开关频率仅为两电
9、平变换器的四分之一，开关损耗大为减少 11。3 双馈电机交流励磁控制策略交流励磁结构在双馈变速恒频风力发电系统中得到了非常广泛的应用，在其发展过程中出现了很多控制策略，主要包括矢量控制、标量控制以及直接功率控制等。3.1 矢量控制 12矢量控制技术是通过电机统一理论和坐标变换理论，把感应电机的定子电流分解成磁场定向旋转坐标系里的励磁电流分量和与之相垂直的转矩分量，然后分别对它们进行解耦控制，可以实现与直流电机一样的控制性能。双馈系统的矢量控制结构通常将转子交流量分解成有功分量和无功分量，并对之进行闭环控制。通常为了简化双馈矢量控制系统的电磁转矩和其他矢量之间的复杂关系，需要使坐标轴定向在某个矢
10、量上。一般在双馈系统可以选择的定向矢量有定子磁链、气隙磁链、定子电压以及转子电流等。其中，比较常用的是以定子磁链和气隙磁链为定向矢量的控制方法。3.2 多标量控制从本质上看，双馈电机和其它感应电机一样，是一个非线性多变量强耦合的系统，因此应用非线性控制理论研究其控制策略更能反映问题的本质。Z.Krzeminski 基于微分几何的非线性反馈线性理论提出了感应电机多标量模型及其控制策略，并将其应用到了无速度传感器双馈发电机的交流励磁控制。感应电机的非线性反馈线性化是通过非线性状态反馈和非线性变换实现系统的动态解耦和全局线性化。由于非线性反馈线性化的基础是已知参数的电机模型及电机参数的精确测量或观测
11、，然而在运行中电机参数受温度和磁饱和现象的影响，并且磁链观测的准确性很难保证，这些都影响系统的鲁棒性，目前国内外学者很少采用该模型来实现双馈电机变速恒频发电机系统的交流励磁控制 13。3.3 直接功率控制矢量控制的双馈系统结构复杂，性能受电机参数影响。受到异步电机直接转矩控制的启发，有的学者致力于研究变速恒频发电系统的直接功率控制。从本质上看，双馈电机和其它感应电机一样，是一个非线性多变量强耦合的系统，因此应用非线性控制理论研究其控制策略更能反映问题的本质。应用在变速恒频发电系统的直接功率控制不同于传统的直接转矩控制，它通过检测定子端的量来控制转子端的开关动作，但控制方法不使用转子PWM电压的
12、积分，因此可以稳定工作在零频率附近，而且该方法不需要位置传感器以及对参数鲁棒性强。不同于矢量控制技术，直接功率控制不需要复杂的坐标变换，而是通过控制转子磁链的幅值和相对于定子磁链位置，继而可以通过有功功率和无功功率的PI调节器跟踪参考值来控制发电机输出的有功功率和无功功率。4 风力发电机组的并网控制技术在风力发电机组的启动阶段，需要对发电机进行并网前调节以满足并网调节（发电机定子电压和电网电压的幅值、频率、相位均相同），使之能安全地切入电网，进入正常的并网发电运行模式。发电机并网是风力发电系统正常运行的起点，其主要的要求是限制发电机在并网时的瞬变电流，避免对电网造成过大的冲击。当电网的容量比发
13、电机的容量大得多时（大于25倍），发电机并网时的冲击电流可以不予考虑。但风力发电机组的单机容量越来越大，目前已经发展到兆瓦级水平，机组并网对电网的冲击已不能忽视。比较严重的后果不但会引起电网电压的大幅下降，而且还会对发电机组各部件造成损坏。更为严重的是，长时间的并网冲击，甚至还会造成电力系统的解列以及威胁其它发电机组的正常运行。因此，必须通过合理的发电机并网技术来抑制并网冲击电流，并网技术已经风力发电技术中的一个不可忽视的环节 16。变速恒频双馈风力发电系统中，发电机与电网之间是一种柔性连接关系，通过对发电机转子电流的控制，就可在变速运行中的任何转速下满足并网条件，实现成功并网，这是此类新型发
14、电方式的优势所在。目前,变速恒频风力发电机组的并网方式主要有空载并网,带独立负载并网,孤岛并网 17。其中,空载并网和带独立负载并网2种方式中,转子励磁变换器直接与电网相连,双馈电机定子与电网经过开关相连,而孤岛并网方式则是定子与转子励磁变换器直接连接,再经过开关连接到电网,电网经过预充电变压器与直流母线电容连接。5 结论从目前国内外文献可以看出，研究高效低成本的交流励磁变频电路拓扑及其控制策略是双馈电机变速恒频风力发电技术发展的关键。双馈电机变速恒频风力发电系统发展到今天，已取得了许多非常有意义的成果，但仍存在一些问题待解决。在今后的一段时间内，关于双馈电机变速恒频风力发电技术的研究应围绕以
15、下几个方面开展 1、风力发电系统的软并网软解列研究 2、无速度传感器技术在双馈异步风力发电系统应用的研究3、电网故障状态下风力发电系统不间断运行 4、双馈风力发电系统的频率稳定以及无功极限。参考文献1 Muller S, Deicke M, De Doncher R W. Douhly red Induction Generator Systems for Wind TurbinesJ. IEEE Industry Application Magazine, 2002, 8(3):26-32.2 PANA R, CLARE J C, ASHER G M. Doubly Fed Inductio
16、n Generator Using Back-to-back PWM Converter and Its Application to Variable-speed Wind-energy GenerationJ. IEE Proceeding-Electric Power Applications, 1996, 143(3):231-241.3 Datta R, Ranganathan V T. Variable-speed Wind Power Generation Using Doubly Fed Wound Rotor Induction MachineA Comparison with Alternative SchemesJ. IEEE Trans on Energy Co
