变速恒频风力发电系统控制方案综述_张广明

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新能源与风力发电EMCA
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C p 往往会偏 力机的转速不随风速的变化而变化， ， 离最大值 因此风力机就运行在低效状态。 变速恒频技术可以在不同风速下运行于不同 转速， 进而实现追求风能最大转换效率 ， 正好弥补 了恒速恒频风力发电机总是处于低效状态的缺 陷， 这是该类型风力发电机最主要的优点 。此外，
［6 ］
图2
交流励磁双馈发电机结构图
。图 1 为笼型异步发电机结构图。
该系统的变速恒频控制策略是在定子电路实 现的， 发电机的定子通过交 － 直 － 交变换器与电 网连接， 首先将风能转化为幅值和频率变化的交 流电， 经整流后变为直流电， 然后经过逆变器逆变 8］ 为三相频率恒定的交流电接到电网 。 文献［ 介绍了电力电子变流电路 （ 整流器和逆变器 ） 各 9］通 过 比 较 采 用 了 种不同的拓扑结构。 文献［ PWM 整流器后接电压源型 PWM 逆变器拓扑结
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［7 ］
由电机学可知， 当发电机稳定运行时， 定、 转 子的旋转磁场在空间上是相对静止的 ， 因此定、 转 子旋转磁场的关系可表示为 n1 = n2 + n r 式（ 4 ） 也可写为 f1 = nr P + f2 60 （ 5） （ 4）
n2 — — —定、 式中： n1 、 转子磁场的转速； nr — — —转子的电转速；
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P— — —电机的极对数； f1 、 f2 — — —定、 转子电流的频率。 当风速变化时， 通过调节转子励磁电流频率 f2 来保证定子输出电流频率 f1 恒定， 从而实现变 速恒频 运 行。 当 DFIG 处 于 亚 同 步 运 行 状 态 时 （ 即 n r ＜ n1 ） ，f2 ＞ 0 ， 电网通过变频器向发电机转 子提供了转差功率和正相序低频交流励磁 ， 并由 定子将电能发给电网； 当 DFIG 处于超同步运行 f2 ＜ 0 ， 状态时（ 即 n r ＞ n1 ） ， 电网通过变频器向发 电机转子提供了负相序低频交流励磁。 同时， 转 子转差功率回馈给电网， 变频器的能量流向变为 逆向； 当 DFIG 处于同步运行状态时 （ 即 n r = n1 ） ，
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变速恒频风力发电的控制方案
目前， 实现变速恒频风力发电系统有多种控 交流励磁 制方案： 笼型异步发电机变速恒频系统、 双馈发电机变速恒频系统、 无刷双馈异步发电机 变速恒频系统、 直驱式永磁同步发电机变速恒频 下面将分别 系统等。这些系统都有自己的特点， 介绍这 4 种主要的控制方案。 2． 1 笼型异步发电机 此系统采用的发电机是笼型转子， 定子与同 ， ， 步发电机相同 而且无电刷和滑环 结构简单牢 固， 运行可靠性高。 由电网取得感性无功功率和 励磁电流， 不需要励磁装置， 因此尺寸较小， 质量 较轻
［20 ］
13］从能量可双向流动和发电质量等 文献［ 要求上分析了如何选择双馈电机交流励磁用的变 频器， 提出了目前最为广泛应用的双 PWM 变频 器， 可灵活调节有功功率和无功功率 ， 实现两者的 解耦控制， 对电网还能起到无功补偿的作用。 由 变频器向转子 于控制方案是在转子电路实现的， 提供的转差功率仅为一小部分定子额定功率 。因 此， 流过变频器的容量仅为电机容量的一部分 （ 约为 25% ～ 30% ） ， 减少了变 频 器 的 容 量 和 体 积， 易于安装和维护， 降低了成本。 新电网运行规则要求风电机组有一定的低电 但是由于交流励磁发电机的定子侧 压穿越能力， 直接与电网相连接， 电网电压的跌落直接作用在 发电机的定子上， 因此交流励磁发电机的低电压 穿越能力不好， 也很难实现真正意义上的低电压 ［1415 ］ 。 穿越运行 2． 3 无刷双馈发电机 与交流励磁双馈发电机相比， 无刷双馈发电 Fed Motor， BDFM ） 最大的不 机（ Brushless Double同就是没有电刷和滑环， 既降低了系统的成本， 又 适合在恶劣环境的风电场 提高了系统的稳定性， ［16 ］ ， 连续运行 因此成为风力发电机的主要选择 。 BDFM 的定子侧有两套级数不同的绕组， 分 别为功率绕组和控制绕组。 功率绕组直接接电 网， 而控制绕组通过一个双向变频器与电网相连 接， 两套定子绕组在电路和磁路方面都是解耦的 。 转子可采用笼型或磁阻式结构， 由于转子同时耦 合着两套定子绕组， 其极对数应为定子两个绕组 ［1718 ］ 。图 3 为 BDFM 结构图。 极对数之和
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变速恒频风力发电系统控制方案综述
磊， 季文娟 （ 南京工业大学 自动化与电气工程学院 ，江苏 南京 211816 ）
图1 笼型异步发电机结构图
但是由于变频器在发电机的定子侧， 这样就 会使变频器的容量与发电机的容量相同， 导致了 变频器的体积和重量过大， 成本也相应提高。 2． 2 交流励磁双馈发电机 Fed 此系统采用的双馈异步发电机 （ DoubleInduction Generator，DFIG ） 结构与绕线式异步发 电机类似， 定子绕组直接接入工频电网， 转子采用 绕组接线端由三个 了三相分布式对称交流绕组， 滑环引出， 通过一台能量可双向流动的变频器接 ［10 ］ 。 入电网 图 2 为交流励磁双馈发电机结构图。
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引
言
并网运行的风力发电机组要求发电机的输出 频率必须与电网频率一致， 为了将随机性很强的 风能转换为频率恒定的交流电， 目前国内外有两 种基本的方法， 即恒速恒频系统（ CSCF） 和变速恒 频系统（ VSCF ） 。 随着风力发电设备单机容量的 增大及电力电子技术的发展， 变速恒频技术以显 著的优势成为国内外主要采用的控制方式
［4 5 ］ ： 变速运行还有如下优点 （ 1 ） 减少了由于阵风冲击而对风力机组造成
PWM 整流器可实现笼型发电机的磁链及转矩 构， PWM 逆变器可保持直流侧电压 分量的解耦控制， 谐波含量低， 逆变效果好， 此控制策略更加 稳定， 灵活和有利于提高系统的运行特性 。
的机械应力。它能在风速增加时把阵风余量储存 在风轮机转动惯量中， 并在风速下降时， 把风轮动 能重新释放出来， 通过一定的控制变为电能发给 电网。 （ 2 ） 可使发电机组与电网系统之间实现良好 降低风电系统与电网之间的影响 ， 避 的柔性连接， 免并网冲击电流过大， 相对于恒速恒频技术， 变速 。 恒频更易实现并网操作与运行 （ 3 ） 可降低风力机在低风速运行时的噪声 。 因为这些优势， 国内外已采用变速恒频技术 来取代恒速恒频技术， 并在最大限度捕获风能和 提高发电效率的技术上进行了深入研究 。
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力机功率主要受三个因素的影响： 风速 V、 桨叶节 距角 β 和叶尖速比 λ 。风力机的机械功率 P m 为 1 2 3 P m = C P ( β， （ 1） λ ) ρπR V 2 （ 2） ω r = 2 πn / 60 ωr R πRn = （ 3） λ = V 30 V — —空气密度； 式中： ρ— R— — —风力机风轮半径； — —风轮角速度。 ωr — 从式（ 1 ） 和式（ 3 ） 中可看出， 风能的利用系数 C P 与叶尖转速比 λ 和桨叶节距角 β 有关， 当桨叶 C P 只由叶尖转速比 λ 来决定。 节距角 β 一定时， 风力机只有一个最大的风能利用系数 C pmax ， 此时 对应最佳叶尖速比 λ opt 。 在恒速恒频技术中， 风
摘
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张广明， 吴煜琪， 梅
要： 为满足风力发电机组并网运行的要求， 风力发电系统应采用变速恒频控制策略 。 通过与恒速恒
频控制策略进行比较， 分析了变速恒频控制策略的优点 。详细阐述了国内外主要的变速恒频风力发电系统方 案： 笼型异步发电机、 交流励磁双馈发电机、 无刷双馈发电机、 直驱式永磁同步发电机 。最后对风力发电机的 发展趋势进行了展望。 关键词： 风力发电； 并网； 变速恒频 中图分类号： TM 921． 51 文献标志码： A 6540 （ 2012 ） 03005304 文章编号： 1673-
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变速恒频风力发电技术的优势
变速恒频技术是指在风力发电过程中， 风力 机的转速随风速的变化而变化， 并通过一系列控 23］ 制方式来获得恒定的电能。 文献［ 介绍了风
* 基金项目： 江苏省科技支撑计划（ 工业） 项目（ BE2011188 ） ； 江苏省研究生科研创新计划项目（ CX10S_009Z）
Review of Control Strategy of Variable Speed Constant Frequency Wind Power Generator
ZHANG Guangming， WU Yuqi， MEI Lei， JI Wenjuan （ College of Automation and Electrical Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 211816 ，China）
［11 12 ］ f2 = 0 ， 。 此时转子采取了直流励磁
图3
BDFM 结构图
19］通过公式推导得出发电机功率绕 文献［ 组的电频率为 f p = n p p p / 60 = n r （ p c + p p ） / 60 ± f c fc — — —功率绕组、 式中： f p 、 控制绕组的频率； nc — — —向控制绕组通入励磁电流后产生旋 转磁场的转速； nr 、 np — — —转子、 功率绕组的转速； pc 、 pp — — —控制绕组、 功率绕组的极对数。 当转子转速 n r 发生变化时， 只要改变控制绕 组的输入电流频率 f c ， 就可以使发电机输出频率 f p 保持不变， BD从而实现变速恒频控制。 此外， FM 仍然继承了交流励磁双馈发电机变频器容量 小、 输入输出特性优良、 功率因素高的优点， 且可 实现有功功率和无功功率的解耦控制
Abstract： In order to meet the requirements of the gridconnection operation of wind power generator， wind power generator system should use variable speed constant frequency （ VSCF） control strategy． The advantages of VSCF control strategy was analyzed by comparing with constant speed constant frequency （ CSCF ） control strategy，then some main programs of VSCF wind power generator system at home and abroad were presented in detail： squirrelcage induction generator、 ACexcited Hale Waihona Puke Baiduoublyfed generator、 brushless doublyfeed generator、 directdrive permanent magnet synchronous generator． Finally，a prospect about the development trend of wind power generator was presented． Key words： wind power generator； gridconnection； variable speed constant frequency（ VSCF）