双馈型风力发电变流器及控制研究

倪 铄，华成龙

(西安德纳检验检测有限公司，西安 710000)

0 引 言

随着社会主义市场经济的逐渐发展，电能在社会生产和群众生活质量提升等方面得到广泛应用，为保证电网的稳定性，各个电力企业不得不将各种发电技术引入日常电能生产中。其中双馈型风力发电变流器使风力发电的效率得到大幅提升，其不仅可以节约发电资源的消耗，还可以减少因发电而产生的环境污染。

1 双馈型风力发电变流器作用

1.1 基本原理

双馈型风力发电变流器的内部组成结构与感应电机存在一定的相似之处，该类型发电系统采取转子交流励磁的方式进行风力发电。现阶段，风力发电系统中应用的变流器主要包括恒速控制变流器和变速发电变流器。其中恒速控制变流器具有比较强的稳定性，另一种对自然感知能力较强可根据环境中的风力进行调整。不同环境下高效利用风力会产生比较好的发电效果，因此变速发电变流器在风力发电领域中更加常见。其主要是通过转子旋转而形成磁场，低速匀速磁场与设备机械的运行相结合待达到定子磁场转速将实现两者同步，在此期间风力发电机将感应到绕组电压。因变速型发电变流器以转速为基础，其功率在定子额和定功率中占据成分比较少，使变频器结构组成比较小巧，一定程度上降低了变频器的生产成本。对转子相对进行控制将实现变流器的灵活调节，促使发电设备得到更加稳定的运作[1]。

1.2 发电特性

双馈型风力发电机组构成中齿轮箱与发电机相连，转子转动期间的速率受到风力等外因的控制，为使频率更加稳定，相关工作人员应对转子的励磁电流进行调节，将频率控制在标准范围内保证变速恒频得到更好的发挥。

1.3 变流器作用

通过转变励磁电流的频率，进而调整发电机的转速，将达到交流调速的基本目的，按照最好的运作方式来调整发电机的运行功率(见表1)。以改变励磁电流相位的形式来改变发电机的空载电势与电网电压等矢量之间的相位，进而转变发电机功率。由此可知，通过调整励磁电流一方面可以调节发电机的无功功率，另一方面可以调整风力发电系统的有功功率。其中变流器分为网侧变流器和机侧变流器，前者可以形成稳定直流电流，后者可产生可变的交流电压。

表1 励磁电流频率

2 双馈型风力发电变流器控制

2.1 双馈型发电变流器组成

双馈变流器的组成相对而言比较复杂，主要包括断路器、DUT电抗、并网接触器、网侧滤波器、电源系统、预充电回路、控制回路以及低电压穿越回路等等组成部分。断路器配置在电网和定子中间，主要作用是断路保护。

并网接触器主要作用是控制定子并网，其机械寿命和电气寿命均比断路器久。

励磁接触器在网侧变流器供电和转子侧能量接入电网过程中起到控制分断作用。

DUT滤波器的作用主要是为了抑制长电缆寄生电容导致的电机绕组过电压现象的发生。

网侧滤波器的作用主要是减少变流器向电网输送电流谐波，确保较高质量的电能输入电网。

变流器运行之前直流母线没有电压，预充电回路为母线充电。其绕开励磁接触器在吸合前为母线充电，进而保护母线电容不受到电网电压冲击。

电源系统是装置的重要组成部分，其稳定和可靠的运行将直接影响整个装置。

控制回路主要使用24VDC和AC220 V供电的设备，使用机侧控制器、网侧控制器、光电转换板以及ASIC板和部分继电器将实现变流器保护。

低电压回路一般使用CROWBAR装置来实现控制功能。

2.2 变速恒频变流器的控制

2.2.1 运行状态

变流器的转子转速跟磁场内部定子转速密切相关，当转子的转速小于磁场内部的定子转速时，发电机的使用状态就无法达到标准，其可以称为亚同步状况。变换器需要为转子提供所需的励磁电流，从而保证磁场的稳定状态。此时，电子磁场可感应到电子的生成并将电能输送至电网中。若转子转速超过定子转速时，发电机的使用效用将超出电机的发电状态，此状态被称为超同步运行状况。此时，定子将不再单纯的向电网输送电能，转子也将作为发电部分融入电力传输过程中。当转子转速和定子转速相统一时，二者将形成同步运作状态，期间就是变速恒频发电变流器的最好运作状态，此时为保证转子的正常运作就需要PWM向转子运转状态提供励磁电流[2]。

2.2.2 转子侧变流器控制

转子侧变流器可实现有功功率状态下的解耦和无功功率状态下的控制。除此之外，转子侧变流器对无功和有关进行控制可更好的实现恒频输出。为实现解耦控制需对相关方程式进行计算，通常选用磁场都是选择矢量控制等方式。此后应构建PWM系统控制框架在系统框架中找到相关数据，根据数据计算出电流指令进而实现发电机转速操作。

2.2.3 网侧变流器的控制

使用网侧变流器主要是为了保证发电期间电压的稳定，电压稳定时功率能够按照设定因数开始变化，进而实现变流器系统的平稳运作。使用网侧变流器对电流的控制也采取矢量控制的方式，主要原因是电网在电流输送期间电压的幅值和相位一般保持在较为恒定的状态，不发生跃变。根据网侧变流器实时采集的电压电流幅值和相位信息，可以找到相应矢量控制信息，得到解耦控制函数，分解出电压电流的正序或负序或零序分量。根据实时采集的高采样率数据建立网侧变流器系统函数，根据不同指令值进行策略响应和控制指令下发，进而实现控制网侧变流器的目的。

2.3 变速恒频交流器并网控制策略

使用变速恒频交流器进行并网工作有很多种方式，该变流器可以根据输电网络形成柔性连接，根据风力对发电系统中的电压、转速等对励磁电流进行调整，进而使电路电压能够达到并网标准。

2.3.1 空载并网

根据空载并网含义得出将定子电流设定为零并根据频率等相关信息，对变速恒频变流器进行励磁调整，可保证上述信息与空载电子的电压保持一致。利用空载的方式实现并网需发电机正载运行并隔离发电机使用，避免发电设备能量的转化能对转子转速产生影响，期间主要参与设备就是原动机。

2.3.2 负载入网

负载入网的方式与上述空载并网恰好相反，进行入网前应保证变速恒频风力发电变流器的负载运作，收集相关电压的数据信息后对其进行调整。当电压信息控制达到入网需求时，即可对其进行入网工作。入网前变流器处于负载运作状态，所以电压信息提取将不再针对电网一侧还需将定子侧数据概括其中。

3 结束语

综上所述，双馈发电机组促使双馈型风力发电变流器得到广泛应用。由于发展时间较短，该技术还存在一定的不足，故障率比较高，应做好双馈性风力发电变流器系统的控制工作，降低故障率。争取有效利用双馈发电机组，促进低碳发电的发展，为双馈风力发电系统及变流器带来更加广阔的发展空间。