风力发电系统变流技术的分析

高 峰

（内蒙古能源发电投资集团新能源有限公司，呼和浩特 010020）



风力发电系统变流技术的分析

高 峰

（内蒙古能源发电投资集团新能源有限公司，呼和浩特 010020）

［摘 要］本文首先对变流技术进行了简要介绍，在此基础上对风力发电系统中变流技术的应用进行论述。期望通过本文的研究能对风电并网系统的安全、稳定、可靠运行有所帮助。

［关键词］风力发电；变流技术；变换器；逆变器

1　变流技术简介

所谓的变流技术实质上就是电力电子器件的应用技术，该技术以电路理论为基础，以电力电子器件构成各种电力变换的电路，对电路进行控制，形成更复杂的装置或系统。变流技术是随着半导体器件的发展而出现的交叉新技术，从早期的以晶闸管为代表的分立器件，发展为功率集成器件，到现在的功率集成电路。目前，在器件结构上，已经开发出具有智能化功能的模块，而在器件的控制模式上，也从原本的电流型控制发展为电压型控制，由此不但降低了栅极的控制功能，还使器件导通与关断的转换速度大幅度提升，器件的工作频率随之提高。变流技术的应用范围涉及以下几个方面：一是整流，可实现AC/DC变换；二是逆变，可实现DC/AC变换；三是变频，可实现AC/AC(AC/DC/AC)变换；四是斩波，可实现DC/DC变换；五是静止式固态断路器，可实现无触点的开关与断路器功能，能控制电能的通断。现阶段，变流技术已经非常成熟，其以自身的特点，被广泛应用于电力系统当中，下面本文重点对变流技术在风力发电系统中的应用进行分析。

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输出电流控制模式下风电并网系统变换器控制

当直驱式风电机组向大电网并网发电时，网侧变换器能实现电能的双向流通。基于这一前提，使得变换器出现了以下两种工作状况，一种是变换器从电网当中吸收电能时，其处于整流运行状态；另一种是电网传输电能时，变换器处于有源逆变运行状态。

在直驱式风电并网系统当中，网侧PWM变换器从电网当中吸收的有功与无功功率可用下式表示。

在d轴电网电压定向的同步旋转坐标系当中，Pg=edid，Qg=-edid。当Pg＞0，表示网侧PWM变换器处于整流运行状态，其会从电网当中吸收能量；当Pg＜0，则表示变换器处于逆变运行状态，此时能量会馈入到电网中。当Qg＞0，表示网侧的PWM变换器呈现出感性的特征，此时变换器会从电网当中吸收超前无功功率；而当Qg＜0，则表示网侧的PWM变换器呈现出容性的特征，此时，变换器会从电网当中吸收滞后的无功功率。在不计任何损耗的情况下，可得到变换器交直流侧的功率平衡关系。对于直流侧电容母线而言，其电压能否保持稳定主要取决于发电系统的功率平衡关系，相关研究结果表明，直流侧输入功率高于交流侧输出功率时，多余的能量将会存储在母线的电容当中，由此会导致母线电压升高，反之则会导致母线电压降低。由此可知，对输出的有功电流分量进行快速控制，可使直流侧母线的电压保持稳定状态。鉴于此，可采用电流内环和直流侧电压外环的控制策略，实现直驱式风电并网系统网测有功功率与无功功率的独立控制，是直流侧的母线电压保持稳定状态。

2.3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PWM逆变器dq轴变量相互耦合对控制效果的影响，可采用前馈解耦的控制策略进行设计。

3　结 语

在风力发电并网系统中，变流器以其自身所具备的灵活控制等优越特性，成为系统控制的必然选择。本文以直驱式风电并网系统作为研究对象，分析了输出电流和输出电压两种控制模式下，变流技术的控制策略，结果表明，在输出电流控制模式下，可采用电流内环和直流侧电压外环的控制策略对系统的有功和无功功率进行控制；在输出电压模式下，则可电压/电流瞬时双闭环控制策略对系统进行控制。

主要参考文献

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［3］马洪飞,徐殿国,苗立杰.几种变速恒频风力发电系统控制方案的对比分析［J］.电工技术杂志,2011(10).

［收稿日期］2015-11-24

［中图分类号］F273；TM614

［文献标识码］A

［文章编号］1673-0194(2016)02-0068-01

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.02.054