双馈型风力发电变流器及控制研究

双馈型风力发电变流器及控制研究

Summary：风力发电作为一种已商业化利用并具有巨大潜力的可再生能源开发形式，近年来发展迅速，其中变速风力发电技术，特别是双馈型变速恒频风力发电技术因其独特的优势而备受关注。Keys：双馈型风力发电；变流器；控制随着时代的进步和科技的发展，人们对生活质量要求越来越高，电作为一种能耗，已成为人们日常生活中不可或缺的一部分。然而，正因如此，世界上发电产生的废气正在逐渐增多，保护环境迫在眉睫。所以要不断加大对风力发电的重视度，而风力发电变流器及其独特的控制技术是风力发电研究的重要部分之一，以电变流器及其控制技术的分析关系到风电系统的可靠性和供电质量。一、风力技术的发展现状随着科技的深入发展，风力发电技术得到了极大的提高。就我国而言，风力发电规模正在逐步扩大，在整个发电行业中比重在不断增大。随着风力发电技术的增强，风力发电技术单机容量不断增多，整个行业正在走向稳定化及商业化。虽然风力发电成本高，但正常运行所需运营和维护成本少。风力中海风稳定性强，干扰小，风速快，在风力发电方面发挥着重要作用。目前，我国风力发电形势较好，但仍有一些关键问题需改进。在我国风能资源分布中，能广泛利用风能的地区集中在东南沿海及西北地区，这些地区因风力强，风力发电企业分布密集，技术较成熟，聚集风电可能会产生过剩或窝电现象。此外，随着风电行业的不断发展，技术建设也变得越来越重要。我国机械零件发展迅速，但核心部件发展并不理想，风电产业链不够完善，无专门的整机设计，在运输、维护、咨询、监测方面无系统的体系，管理不够到位，从而阻碍了风力发电行业的发展。因核心技术的不完善及风力技术的研究推广时间短，风力发电机组仍存在一些不足，安全性能低，尤其是在并网、运输方面。目前，大多数机组事故发生在装机阶段，这是由于对各方面的关注不够引起的，对风力发电的可靠安全性影响较大。二、双馈型风力发电变流器作用1、基本原理。双馈型风力发电变流器内部组成结构与感应电机有一定相似之处，这种类型的发电系统使用转子交流励磁方式进行风力发电。目前，风力发电系统中使用的变流器包括恒速控制变流器、变速发电变流器。其中，恒速控制变流器具有相对较强的稳定性，另一种具有较强的自然感知能力，可根据环境中的风力进行调整。在不同环境中有效地使用风力将产生更好的发电效果，因此变速发电变流器在风力发电领域中更为常见。主要通过转子旋转形成磁场，低速匀速磁场结合设备机械的运行将实现定子磁场转速的同步，在此期间，风力发电机将感应绕组电压。因变速型发电变流器以速度为基础，其功率在定子额定功率中所占成分较少，使变频器结构越来越小，并在一定程度上降低了变频器生产成本。转子的相对控制将实现变流器的灵活调节，促进发电设备的更稳定运作。2、发电特性。在双馈型风力发电机组构成中，齿轮箱与发电机相连，转子在转动过程中的速率受风力等外部因素控制。为使频率更稳定，相关工作人员应调节转子的励磁电流，并将频率控制在标准范围内，以确保变速恒频能更好地使用。3、结构。包括风力机、变桨系统、偏航系统、齿轮箱、双馈发电机、主控制器和电力电子变流器。①风力机：吸收风能转化为叶片的动能，给风电系统提供机械转矩。②偏航系统：调整风力机正对风向，这是最大捕获最大风能的前提。③变桨系统：改变叶片角度，适应风速变化，最大效率利用风能。④齿轮箱：连接风力机转轴与发电机转轴，改变传动比，使发电机转速达到发电所需速度。⑤发电机：采用双馈感应异步发电机，定子侧直接连接电网，转子侧由独立励磁电源供电。⑥主控制器：采集各种信号，再对各控制系统发出控制指令。⑦变流器：一般使用交-直-交双PWM变换器给转子提供励磁电源。4、变流器作用。通过转变励磁电流频率，然后调整发电机转速，将实现交流调速的基本目的，并根据最佳运行模式调整发电机运行功率。通过改变励磁电流的相位，改变发电机空载电势与电网电压等矢量间的相位，然后转变发电机功率。由此可知，通过调整励磁电流能调节发电机的无功功率，还能调整风力发电系统的有功功率。变流器分为网侧、机侧变流器，前者能形成稳定的直流电流，后者能产生可变的交流电压。三、双馈型风力发电变流器控制1、转子侧变流器的控制。在双馈型风力发电变流器(PWM)中，外部风速越快，转子速度越快，并且转子会随着风速变化，导致电流电压不稳定。然而，若转子的励磁电流功率稳定，则电流能保持恒定。在系统运行期间，即使外部环境不断变化，其电流输出频率一定。双馈风力发电机的数学模式是三相静止坐标系，具有非线性和强耦合特点。变速恒频由PWM变流器控制，有三种工作状态。当风力较小且转子转速小于定子转速时，PWM能改变发电机状态，为发电机提供交流励磁，电子在发出电能输入到电网中；当风力较大且转子转速大于定子转速时，发电机的超同步状态下，转子及定子能同时向电网输送电能，双PWM变换器中的能量逆向流动；当转子转速等于定子转速时，双PWM变换器向发电机提供直流励磁。转子侧变流器可将有功、无功功率解耦控制，并向发电机转子侧提供励磁，从而使定子侧能以恒频输出。2、网测变流器的控制。当发电机有直流励磁时，网测变流器能保持直流电压的稳定性，在稳态中间直流母线电压过程中，网测变流器以单位功率因数运行，使进入的能量双向流动，网测变流器主要由三相电源、三相交流侧电感、功率开关器件、直流测滤波电容等组成。网测控制可通过电网和变流器间的电感连接，使其能进行计算机控制，网测变换器采用电网电压定向矢量控制技术，其结构通常为三相全桥变流器。网测变换器的控制系统是一个双闭环系统，通过三相直角坐标转换获得，内环是控制电流部分，外环是控制电压部分。电流指令值与实际数值间会有一定差距，电压指令值与实测值之间会存在一定差距，产生的误差可通过使用线性控制器来调节，由相关公式计算出的相应指令值被输入计算机控制软件中，通过该软件控制网测变换器的正常运行。在三相电路中加入电抗组合，实现变流器的滤波功能，当电网电压波动时，三相系统中将出现明显的负序分量，此时使用二阶广义积分器分解三相向量的正负序列分量，以控制其平衡性，获得的正序分量通过锁相环进行反馈控制，以使电压稳定和准确。3、双馈型风力发电变流器中的低压穿越技术。低压穿越技术是发电系统在一定时间内承受的具有一定限制的电网，它在低压状态下不退出，并对低电压进行过渡。双馈型风力发电机配套电力电子变流设备属于AC/DC/AV型，在电网电压低的情况下，易在转子侧引起峰值涌流，从而损坏变流设备，并导致风力发电机组及电网解列，从而产生低压穿越技术来保护其设备。有三种保护方法，包括引入新的拓扑结构、转子短路、采用合理的励磁控制算法。转子短路应安装Crowbar保护电路，当转子侧产生过电流时，开关管导通，电流可通过电阻形成回路，从而转子侧的累积电流能力释放在电阻上，使电流器无电流通过。Crowbar电路动作后，电流传感器可判断保护电流是否存在故障。若某相电流为零，则表明此支路存在故障。总之，双馈型风力发电变流器是我国当前电力发电系统中一种常见的重要措施，在我国的发电程序中发挥着重要作用，提高了风力发电在实际操作应用中的作用，也提高了资源转化效率及质量，风力发电成本相对较