风力发电并网变流器的研究与设计

李 元

内蒙古中广核风力发电有限公司

风力发电并网变流器的研究与设计

李 元

内蒙古中广核风力发电有限公司

目前，风力发电是新能源发电使用最多的方式之一，目前大量新建的风电场直接接入输电网，而风机是旋转设备，因此其对电力系统稳定运行一定会产生影响。对双馈感应电动机的模型及其控制装置进行了建模，并对其接入电力系统后，对电网的电压稳定性的影响进行了研究。仿真结果显示，风机的特征及控制将对电力系统的电压稳定性产生严重影响。

变流器；风力发电；控制

社会经济发展的势头日益迅猛，对各种可再生能源的开发与研究的速度也逐渐加快。风能作为可再生能源，受到各国的普遍关注，风力发电技术也在近几年快速发展。随着风能的逐渐开发，风力发电技术的进步，风力发电方式也经历了从恒速恒频到变速恒频的变化。变速恒频发电是一种新型的风力发电方式，它运用各种电力技术﹑转换技术和微机技术等等进行发电机的控制，让发电机可以实现变速运转，让风能的利用率达到最大，是一种新型的﹑高效率﹑高质量的发电方式。要想实现变速恒频发电，其中的核心部件就是发电机组的变流器，因此需要加强对发电机组的变流器技术的研究。

1 风力发电机组变流器的系统设计

1.1 变流器主系统的整体设计

根据上述技术指标的要求和风力发电系统的工作要求，结合变频器设计的相关方法可知，风力发电机组变流器主系统的设计主要包括六部分：首先是要选择合适的同步电机，这里为满足工作需要选用六项永磁同步电机；其次是变流器的选择，在第二部分的介绍中提到，现在使用比较普遍的是PWM变流器，这里为了更好地实现变流效果，选用双PWM变流器，采用背靠背的方式安装；在风力发电的过程中为了保持发电恒频，需要对发电机的电压进行调解，因此需要使用调压器；在变流器的输入端和输出度端需要安装滤波器，过滤掉谐波的影响；在风力发电过程完成之后需要将生产的电力输送到电网中，也就是要进行并网，因此要设计相应的并网装置和系统保护装置；使用定点DSP控制器控制功率模块的运行。各组成部分之间利用不同的方式实现联结：功率模块IGBT采用并联的方式进行组合，而且可以利用CAN通讯协议进行两个模块之间的数据传输交流；发电机侧和电网侧的两组控制器通过光纤把变流器中的驱动脉冲传输到被DSP控制的功率模块的驱动电路内，实现通信。

1.2 变流控制系统的整体设计

为了实现对变流系统的全面控制，对风力发电机组变流器系统的控制系统采用模块控制层﹑变流器组控制层和变流系统控制层三层结合的控制结构。

(1)模块控制层模块控制层主要是实现对变流器系统中各个模块单元的控制，实现模块单元的各种功能，比如说对功率器件的驱动﹑对风扇的启动控制﹑对变流器的调制等。模块控制层使用到的功能模块主要包括电源板﹑风扇控制板﹑DSP控制板和IGBT驱动板。(2)变流器组控制层变流器是发电机组变流系统的核心部件，要对变流器组进行单独控制。变流器组控制层要同时实现对发电机侧和网侧的准确控制。一方面要保护变流器组的正常运行，实现各个模块之间的数据传输以及对功率模块的指令传输等；另一方面要对变流器运行中的急停和非正常启动等现象做出有效的保护，避免变流器发生破坏。(3)变流系统控制层通过变流系统控制层实现对整个全功率变流系统的综合控制以及对运行状态的监测控制。三层控制结构中，模块控制层的控制模板与其他主要的模块单元组装在一起，统一安装在发电机组变流系统的功率单元柜中，平时便于管理，不会受到干扰，出现故障的时候能够快速发现问题所在进行及时的维修处理。变流器组控制层和变流系统控制层平时操作比较多，需要放置在便于操作的地方，因此将这两层控制结构布置在一个控制柜内。

2 风力发电系统变流技术的应用

2.1 直驱式风电系统网侧变换器

永磁直驱式风电并网系统中，主要包括以下设备：永磁同步发电机﹑三相整流器和三相逆变器以及输出滤波器等。作为该系统核心的并网变流技术一直是业内人士研究的重点课题，随着研究的不断深入，vSR(三相电压源型整流器)在该系统中获得了广泛应用。VSR有两种控制模式，一种是输出电流，另一种输出电压。前者是通过对并网电流大小的调节对并网的有功和无功功率进行控制，其特点是响应速度快﹑功率因数高。然而，因这种控制方式的输出具有电流源的特性，故此无法直接供给负载使用。后者是通过对输出电压进行控制对并网有功和无功功率进行调节，可直接为普通电力用户进行供电。下面基于这两种控制方式分别提出变流控制方法。

2.2 输出电压控制模式下风电并网系统的逆变器控制

通常情况下，以分布式的发电方式独立向电力用户提供电能时，会采用电压控制模式。在小型发配电系统当中，三相并网逆变器的主电路拓扑结构与常规逆变电源的主电路拓扑结构大体相同，两者之间并无较大差异，它们的逆变单元全都采用的是电压型全桥逆变主电路。

直驱式风电并网系统归属于闭环系统的范畴，对于这样的系统而言，合理的控制回路是确保其稳定﹑可靠运行的关键，也是使系统达到预期性能指标的前提和基础。在独立的供电系统当中，输出电压的控制目标主要是为了提高逆变器输出电压的稳态和动态性能。鉴于此，在输出电压模式下，直驱式风电并网系统可采用输出电压/电流瞬时双闭环控制策略，其中内环可采用电感电压瞬时调节环，它能使系统的动态性能获得进一步提升；而外环则可采用瞬时电压控制环，其能有效改善系统输出电压的波形，使系统的输出精度有所提升。在对控制器进行设计的过程中，为了避免P胡M逆变器dq轴变量相互祸合对控制效果的影响，可采用前馈解祸的控制策略进行设计。

风力发电在未来能源结构中占有重要地位，其变流器状态监测技术对于提高风电机组运行可靠性，降低运行成本具有重要作用，本文的一些分析理论希望可以给相关人员带来帮助。

[1]尹超.浅谈我国风力发电的现状和前景[J].山东电力高等专科学校学报，2008，12：74-76.

[2]崔建红，许建，刘京爱.我国风力发电的现状与趋势[J].科技情报开发与经济，2009，10：121-123.