变速恒频风力发电系统控制方案综述*

张广明， 吴煜琪， 梅 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)

0 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［1］。

1 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，并通过一系列控制方式来获得恒定的电能。文献［2-3］介绍了风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Pm为

式中:ρ——空气密度;

R——风力机风轮半径;

ωr——风轮角速度。

从式(1)和式(3)中可看出，风能的利用系数CP与叶尖转速比λ和桨叶节距角β有关，当桨叶节距角β一定时，CP只由叶尖转速比λ来决定。风力机只有一个最大的风能利用系数Cpmax，此时对应最佳叶尖速比λopt。在恒速恒频技术中，风力机的转速不随风速的变化而变化，Cp往往会偏离最大值，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，变速运行还有如下优点［4-5］:

(1)减少了由于阵风冲击而对风力机组造成的机械应力。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的柔性连接，降低风电系统与电网之间的影响，避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。

2 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制方案:笼型异步发电机变速恒频系统、交流励磁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系统等。这些系统都有自己的特点，下面将分别介绍这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［6］。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为三相频率恒定的交流电接到电网［7］。文献［8］介绍了电力电子变流电路(整流器和逆变器)各种不同的拓扑结构。文献［9］通过比较采用了PWM整流器后接电压源型PWM逆变器拓扑结构，PWM整流器可实现笼型发电机的磁链及转矩分量的解耦控制，PWM逆变器可保持直流侧电压稳定，谐波含量低，逆变效果好，此控制策略更加灵活和有利于提高系统的运行特性。

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

此系统采用的双馈异步发电机(Double-Fed Induction 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，转子采用了三相分布式对称交流绕组，绕组接线端由三个滑环引出，通过一台能量可双向流动的变频器接入电网［10］。图2为交流励磁双馈发电机结构图。

图2 交流励磁双馈发电机结构图

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

式(4)也可写为

式中:n1、n2——定、转子磁场的转速;

nr——转子的电转速;

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nr＜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处于超同步运行状态时(即nr＞n1)，f2＜0，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nr=n1)，f2=0，此时转子采取了直流励磁［11-12］。

文献［13］从能量可双向流动和发电质量等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。由于控制方案是在转子电路实现的，变频器向转子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压穿越能力，但是由于交流励磁发电机的定子侧直接与电网相连接，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穿越运行［14-15］。

2.3 无刷双馈发电机

与交流励磁双馈发电机相比，无刷双馈发电机(Brushless Double-Fed Motor，BDFM)最大的不同就是没有电刷和滑环，既降低了系统的成本，又提高了系统的稳定性，适合在恶劣环境的风电场连续运行，因此成为风力发电机的主要选择［16］。

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极对数之和［17-18］。图3为BDFM结构图。

图3 BDFM结构图

文献［19］通过公式推导得出发电机功率绕组的电频率为

式中:fp、fc——功率绕组、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nr发生变化时，只要改变控制绕组的输入电流频率fc，就可以使发电机输出频率fp保持不变，从而实现变速恒频控制。此外，BDFM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［20］。

虽然BDFM有着突出的优点，但也存在着明显的缺点。文献［21］从级联式和独立式两种不同类型的BDFM分别进行分析。对于级联式而言，由于需要额外增加一台控制电机，会损失电机的运行效率。对于独立式，定子绕组需要进行特殊设计，绕组的布局问题成为一个比较困难的关键性技术。

2.4 直驱式永磁同步发电机

随着电力部门对风力发电要求的提高，最近几年，直驱式永磁同步发电机在风电领域受到越来越多的重视。相比之前提到的双馈发电机，直驱式永磁同步发电机由于其电枢绕组通过背靠背全功率变流器与电网相连接，电网电压的跌落不会直接影响到电机定子端电压，在直流侧上增加文献［22］中提到的Crowbar保护电路，可实现真正意义上的低电压穿越运行。此外，风力机和永磁同步发电机直接耦合，省去了易产生故障的齿轮箱，从而大大提高风机整体可靠性，并减小噪声，降低运行维护成本。由于该机型的转子采用永磁型结构，可自身励磁，没有了励磁绕组的损耗，大幅降低了电的损失，可以提高发电效率3% ～5%［23-24］。图4为直驱式永磁同步发电机结构图。

图4 直驱式永磁同步发电机结构图

从文献［25］可知，虽然相对于双馈发电机，直驱式永磁同步发电机有明显的优势，但也存在着一些缺点。由于省去了齿轮箱，发电机必须把转子全部转矩转化为电能，因此为了弥补转速只能增加发电机的半径，体积变大，给运输和安装带来了一定的难度。同时，变频器的容量必须与发电机的容量一致，这也导致变频器体积和重量的升高。此外，直驱式永磁同步风力发电机在过冷、过热下均没有优势，容易失磁。

3 结语

采用变速恒频技术，可以最大限度地捕获风能和提高发电效率。本文介绍了4种主要的变速恒频控制方案，它们在性能上各有利弊。

虽然双馈风力发电机在当今世界仍然是主流发电方式，但最近几年，直驱式永磁同步发电机在市场上占有的份额逐年提高，直驱机组对于齿轮箱设计机组是一种颠覆性的技术，在相同风况下，其发电量更大，而且较低的运行和维护成本让其优势更为突显。因此，直驱式永磁同步发电机将是未来世界风电技术的发展趋势之一。

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