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變頻技術(shù)在變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用
時(shí)間:2008-05-05 16:15:00來(lái)源:dujing
圖1 OptiSlip結(jié)構(gòu)繞線(xiàn)式異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖 [/align]
3.混合結(jié)構(gòu)
為了降低變流器的成本并且能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的寬轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行,有文獻(xiàn)提出一種基于雙饋電機(jī)斬波調(diào)阻與交流勵(lì)磁控制策略多功能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將整流器、斬波器和逆變器結(jié)合在一起,該結(jié)構(gòu)的巧妙之處在于斬波器和逆變器共用了一組可控的電力電子開(kāi)關(guān),但是由于引入了四個(gè)接觸器型的受控開(kāi)關(guān),導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的主回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,很難實(shí)現(xiàn)同步速切換過(guò)程的過(guò)渡,而且在高于同步速運(yùn)行情況下難以改善發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。此外,還有文獻(xiàn)提出了新型轉(zhuǎn)子電流混合控制的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略,該控制方法兼?zhèn)浣涣鲃?lì)磁控制和轉(zhuǎn)子斬波調(diào)阻法的優(yōu)點(diǎn),能顯著降低轉(zhuǎn)子變流器的硬件成本以及控制技術(shù)的復(fù)雜性,并且可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的寬轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行,無(wú)需在同步速點(diǎn)過(guò)渡,在整個(gè)允許的速度范圍內(nèi)都可以進(jìn)行定子輸出有功、無(wú)功功率獨(dú)立調(diào)節(jié),同時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率因數(shù)可控,缺點(diǎn)是輸入側(cè)功率因數(shù)低,風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率低。
三、基本控制算法
交流勵(lì)磁結(jié)構(gòu)即雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)得到了非常廣泛的應(yīng)用,在其發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)了很多控制策略,主要包括矢量控制、標(biāo)量控制以及直接功率控制等。
1.矢量控制
德國(guó)工程師F.Blashke在上世紀(jì)七十年代提出的矢量控制原理,使得交流調(diào)速技術(shù)發(fā)生了一次質(zhì)的飛躍,應(yīng)用在雙饋調(diào)速上,獲得了令人振奮的動(dòng)靜態(tài)性能。矢量控制的理論基礎(chǔ)是磁場(chǎng)定向原理,通過(guò)引入坐標(biāo)變換,將原來(lái)復(fù)雜的雙饋電機(jī)模型等效為d-q模型的基礎(chǔ)上,對(duì)坐標(biāo)軸的交叉耦合信號(hào)進(jìn)行有效的補(bǔ)償,可以得到類(lèi)似直流調(diào)速的效果。
雙饋系統(tǒng)的矢量控制結(jié)構(gòu)通常將轉(zhuǎn)子交流量分解成有功分量和無(wú)功分量,并對(duì)之進(jìn)行閉環(huán)控制。通常為了簡(jiǎn)化雙饋矢量控制系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩和其他矢量之間的復(fù)雜關(guān)系,需要使坐標(biāo)軸定向在某個(gè)矢量上。一般的,在雙饋系統(tǒng)可以選擇的定向矢量為定子磁鏈、氣隙磁鏈、定子電壓以及轉(zhuǎn)子電流等。其中,比較常用的是以定子磁鏈和氣隙磁鏈為定向矢量的控制方法。
2.多標(biāo)量控制
基于多標(biāo)量模型的雙饋電機(jī)控制方法通過(guò)多標(biāo)量模型變換電機(jī)系統(tǒng)到兩個(gè)獨(dú)立的線(xiàn)性子系統(tǒng)中,利用PI調(diào)節(jié)器控制定子的有功和無(wú)功。在該方案中,定義轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,定子磁鏈幅值的平方,定子磁鏈和轉(zhuǎn)子電流的叉積和點(diǎn)積四個(gè)標(biāo)量,并根據(jù)上述四個(gè)標(biāo)量電機(jī)的微分方程,在忽略定子電阻的情況下,對(duì)定子磁通做歸一化處理后,電機(jī)的有功功率以及無(wú)功功率可以解耦控制。
3.直接功率控制
矢量控制的雙饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,性能受電機(jī)參數(shù)影響,受到異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的啟發(fā),有的學(xué)者致力于研究變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的直接功率控制。應(yīng)用在變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的直接功率控制不同于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制,它通過(guò)檢測(cè)定子端的量來(lái)控制轉(zhuǎn)子端的開(kāi)關(guān)動(dòng)作,但控制方法不使用轉(zhuǎn)子PWM電壓的積分,因此可以穩(wěn)定工作在零頻率附近,而且該方法不要位置傳感器以及對(duì)參數(shù)魯棒性強(qiáng)。不同于矢量控制技術(shù),直接功率控制不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換,而是通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相對(duì)于定子磁鏈位置,繼而可以通過(guò)有功功率和無(wú)功功率的PI調(diào)節(jié)器跟蹤參考值來(lái)控制發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和無(wú)功功率。
四、其他研究熱點(diǎn)
除了上面提到的一些雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本控制策略以外,雙饋?zhàn)兯俸泐l異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還有許多研究熱點(diǎn)包括:
1.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的軟并網(wǎng)軟解列研究
軟并網(wǎng)和軟解列是目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要部分。一般的,當(dāng)電網(wǎng)容量比發(fā)電機(jī)的容量大得多的時(shí)候,可以不考慮發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的沖擊電流,鑒于目前并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組已經(jīng)發(fā)展到兆瓦級(jí)水平,所以必須要限制發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)和解列時(shí)候的沖擊電流,做到對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊或者沖擊最小。
2.無(wú)速度傳感器技術(shù)在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的研究
近年,雙饋電機(jī)的無(wú)位置以及速度傳感器控制成了風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向,在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)速以及位置信息,但是速度以及位置傳感器的采用提高了成本并且?guī)?lái)了一些不便。理論上可以通過(guò)電機(jī)的電壓和電流實(shí)時(shí)計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器控制。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,無(wú)傳感器控制帶來(lái)了以下優(yōu)點(diǎn):采用無(wú)傳感器使發(fā)電機(jī)和逆變器之間連線(xiàn)消除,降低了系統(tǒng)成本,增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性,另外可以減少了電機(jī)的軸向尺寸,降低硬件復(fù)雜性、總成本以及維護(hù)要求。
3.電網(wǎng)故障狀態(tài)下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不間斷運(yùn)行等方面
并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的定子繞組連接電網(wǎng)上,在運(yùn)行過(guò)程中,各種原因引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng),跌落甚至短路故障會(huì)影響發(fā)電機(jī)的不間斷運(yùn)行。電網(wǎng)發(fā)生突然跌落時(shí),發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生較高的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率,可能造成發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械損壞或熱損壞,所以三相電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)的系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行控制策略的研究是目前研究熱點(diǎn)。
此外,雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定以及無(wú)功極限方面也是目前研究的熱點(diǎn)。
五、QHVERT-DFIG-1500B風(fēng)力發(fā)電用變流器
北京清能華福風(fēng)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的適配于1.5MW級(jí)變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的QHVERT-DFIG-1500B型變頻器使用三相背靠背電壓型變流器,采用“基于雙DSP的全數(shù)字化矢量控制策略”技術(shù)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵(lì)磁,通過(guò)引入坐標(biāo)變換,將轉(zhuǎn)子交流量分解成有功分量和無(wú)功分量,并對(duì)之進(jìn)行閉環(huán)控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)有功和無(wú)功的解耦控制。其主回路如圖2所示:
[align=center]
圖2:主回路圖[/align]
QHVERT-DFIG-1500B變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器通過(guò)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行勵(lì)磁。雙饋發(fā)電機(jī)的定子側(cè)輸出與電網(wǎng)電壓頻率和相位相同,并且可根據(jù)需要進(jìn)行有功和無(wú)功的獨(dú)立解耦控制。QHVERT-DFIG-1500B型變流器控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟并網(wǎng)發(fā)電,減小雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)沖擊電流對(duì)電機(jī)和電網(wǎng)造成的不利影響。QHVERT-DFIG-1500B型變流器提供多種通信接口,用戶(hù)可利用這些接口方便的實(shí)現(xiàn)變流器與風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)控制器及風(fēng)場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的集成控制。
圖3至圖5為在上海某電機(jī)廠(chǎng)地面實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)波形,圖中從上到下,依次為CH1-CH6,CH1為電網(wǎng)電流A相,流向電網(wǎng)為正;CH2為定子電流A相,定子繞組流出為正;CH3為轉(zhuǎn)子電流A相,變流器流出為正;CH4為整流電流A相,流入變流器為正;CH5為電網(wǎng)電壓BC相,(CH9)CH6為定子電壓BC相。
[align=center]
圖3:1800RPM系統(tǒng)并網(wǎng)之前波形圖 圖4:1800RPM系統(tǒng)滿(mǎn)載運(yùn)行波形圖 [/align]
[align=center]
圖5:系統(tǒng)變速運(yùn)行波形圖 [/align]
從上面的介紹可以看出,我國(guó)的變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)用變流器的產(chǎn)業(yè)化工作正邁著堅(jiān)實(shí)的步伐大踏步的前進(jìn)著,這對(duì)實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化有著重要而且積極的意義。
六、結(jié)束語(yǔ)
隨著變頻技術(shù)的蓬勃發(fā)展,變速恒頻異步發(fā)電技術(shù)特別是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得以快速實(shí)用,其單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到兆瓦級(jí),迅速成為風(fēng)電場(chǎng)的主力機(jī)型。近二十年來(lái),在風(fēng)力風(fēng)電的變頻技術(shù)上取得了許多非常有意義的成果,我國(guó)在變頻器的產(chǎn)業(yè)化上也取得了很大的進(jìn)展。我們相信雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電技術(shù)必將在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間在風(fēng)電領(lǐng)域扮演非常重要的角色。
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