雙饋型風力發電變流器及控制研究

Summary：風力發電作為一種已商業化利用并具有巨大潛力的可再生能源開發形式，近年來發展迅速，其中變速風力發電技術，特別是雙饋型變速恒頻風力發電技術因其獨特的優勢而備受關注。Keys：雙饋型風力發電；變流器；控制隨著時代的進步和科技的發展，人們對生活質量要求越來越高，電作為一種能耗，已成為人們日常生活中不可或缺的一部分。然而，正因如此，世界上發電產生的廢氣正在逐漸增多，保護環境迫在眉睫。所以要不斷加大對風力發電的重視度，而風力發電變流器及其獨特的控制技術是風力發電研究的重要部分之一，以電變流器及其控制技術的分析關系到風電系統的可靠性和供電質量。一、風力技術的發展現狀隨著科技的深入發展，風力發電技術得到了極大的提高。就我國而言，風力發電規模正在逐步擴大，在整個發電行業中比重在不斷增大。隨著風力發電技術的增強，風力發電技術單機容量不斷增多，整個行業正在走向穩定化及商業化。雖然風力發電成本高，但正常運行所需運營和維護成本少。風力中海風穩定性強，干擾小，風速快，在風力發電方面發揮著重要作用。目前，我國風力發電形勢較好，但仍有一些關鍵問題需改進。在我國風能資源分布中，能廣泛利用風能的地區集中在東南沿海及西北地區，這些地區因風力強，風力發電企業分布密集，技術較成熟，聚集風電可能會產生過剩或窩電現象。此外，隨著風電行業的不斷發展，技術建設也變得越來越重要。我國機械零件發展迅速，但核心部件發展并不理想，風電產業鏈不夠完善，無專門的整機設計，在運輸、維護、咨詢、監測方面無系統的體系，管理不夠到位，從而阻礙了風力發電行業的發展。因核心技術的不完善及風力技術的研究推廣時間短，風力發電機組仍存在一些不足，安全性能低，尤其是在并網、運輸方面。目前，大多數機組事故發生在裝機階段，這是由于對各方面的關注不夠引起的，對風力發電的可靠安全性影響較大。二、雙饋型風力發電變流器作用1、基本原理。雙饋型風力發電變流器內部組成結構與感應電機有一定相似之處，這種類型的發電系統使用轉子交流勵磁方式進行風力發電。目前，風力發電系統中使用的變流器包括恒速控制變流器、變速發電變流器。其中，恒速控制變流器具有相對較強的穩定性，另一種具有較強的自然感知能力，可根據環境中的風力進行調整。在不同環境中有效地使用風力將產生更好的發電效果，因此變速發電變流器在風力發電領域中更為常見。主要通過轉子旋轉形成磁場，低速勻速磁場結合設備機械的運行將實現定子磁場轉速的同步，在此期間，風力發電機將感應繞組電壓。因變速型發電變流器以速度為基礎，其功率在定子額定功率中所占成分較少，使變頻器結構越來越小，并在一定程度上降低了變頻器生產成本。轉子的相對控制將實現變流器的靈活調節，促進發電設備的更穩定運作。2、發電特性。在雙饋型風力發電機組構成中，齒輪箱與發電機相連，轉子在轉動過程中的速率受風力等外部因素控制。為使頻率更穩定，相關工作人員應調節轉子的勵磁電流，并將頻率控制在標準范圍內，以確保變速恒頻能更好地使用。3、結構。包括風力機、變槳系統、偏航系統、齒輪箱、雙饋發電機、主控制器和電力電子變流器。①風力機：吸收風能轉化為葉片的動能，給風電系統提供機械轉矩。②偏航系統：調整風力機正對風向，這是最大捕獲最大風能的前提。③變槳系統：改變葉片角度，適應風速變化，最大效率利用風能。④齒輪箱：連接風力機轉軸與發電機轉軸，改變傳動比，使發電機轉速達到發電所需速度。⑤發電機：采用雙饋感應異步發電機，定子側直接連接電網，轉子側由獨立勵磁電源供電。⑥主控制器：采集各種信號，再對各控制系統發出控制指令。⑦變流器：一般使用交-直-交雙PWM變換器給轉子提供勵磁電源。4、變流器作用。通過轉變勵磁電流頻率，然后調整發電機轉速，將實現交流調速的基本目的，并根據最佳運行模式調整發電機運行功率。通過改變勵磁電流的相位，改變發電機空載電勢與電網電壓等矢量間的相位，然后轉變發電機功率。由此可知，通過調整勵磁電流能調節發電機的無功功率，還能調整風力發電系統的有功功率。變流器分為網側、機側變流器，前者能形成穩定的直流電流，后者能產生可變的交流電壓。三、雙饋型風力發電變流器控制1、轉子側變流器的控制。在雙饋型風力發電變流器(PWM)中，外部風速越快，轉子速度越快，并且轉子會隨著風速變化，導致電流電壓不穩定。然而，若轉子的勵磁電流功率穩定，則電流能保持恒定。在系統運行期間，即使外部環境不斷變化，其電流輸出頻率一定。雙饋風力發電機的數學模式是三相靜止坐標系，具有非線性和強耦合特點。變速恒頻由PWM變流器控制，有三種工作狀態。當風力較小且轉子轉速小于定子轉速時，PWM能改變發電機狀態，為發電機提供交流勵磁，電子在發出電能輸入到電網中；當風力較大且轉子轉速大于定子轉速時，發電機的超同步狀態下，轉子及定子能同時向電網輸送電能，雙PWM變換器中的能量逆向流動；當轉子轉速等于定子轉速時，雙PWM變換器向發電機提供直流勵磁。轉子側變流器可將有功、無功功率解耦控制，并向發電機轉子側提供勵磁，從而使定子側能以恒頻輸出。2、網測變流器的控制。當發電機有直流勵磁時，網測變流器能保持直流電壓的穩定性，在穩態中間直流母線電壓過程中，網測變流器以單位功率因數運行，使進入的能量雙向流動，網測變流器主要由三相電源、三相交流側電感、功率開關器件、直流測濾波電容等組成。網測控制可通過電網和變流器間的電感連接，使其能進行計算機控制，網測變換器采用電網電壓定向矢量控制技術，其結構通常為三相全橋變流器。網測變換器的控制系統是一個雙閉環系統，通過三相直角坐標轉換獲得，內環是控制電流部分，外環是控制電壓部分。電流指令值與實際數值間會有一定差距，電壓指令值與實測值之間會存在一定差距，產生的誤差可通過使用線性控制器來調節，由相關公式計算出的相應指令值被輸入計算機控制軟件中，通過該軟件控制網測變換器的正常運行。在三相電路中加入電抗組合，實現變流器的濾波功能，當電網電壓波動時，三相系統中將出現明顯的負序分量，此時使用二階廣義積分器分解三相向量的正負序列分量，以控制其平衡性，獲得的正序分量通過鎖相環進行反饋控制，以使電壓穩定和準確。3、雙饋型風力發電變流器中的低壓穿越技術。低壓穿越技術是發電系統在一定時間內承受的具有一定限制的電網，它在低壓狀態下不退出，并對低電壓進行過渡。雙饋型風力發電機配套電力電子變流設備屬于AC/DC/AV型，在電網電壓低的情況下，易在轉子側引起峰值涌流，從而損壞變流設備，并導致風力發電機組及電網解列，從而產生低壓穿越技術來保護其設備。有三種保護方法，包括引入新的拓撲結構、轉子短路、采用合理的勵磁控制算法。轉子短路應安裝Crowbar保護電路，當轉子側產生過電流時，開關管導通，電流可通過電阻形成回路，從而轉子側的累積電流能力釋放在電阻上，使電流器無電流通過。Crowbar電路動作后，電流傳感器可判斷保護電流是否存在故障。若某相電流為零，則表明此支路存在故障。總之，雙饋型風力發電變流器是我國當前電力發電系統中一種常見的重要措施，在我國的發電程序中發揮著重要作用，提高了風力發電在實際操作應用中的作用，也提高了資源轉化效率及質量，風力發電成本相對較