风力发电及双馈电机控制系统

风力发电及双馈电机控制系统摘要：文章首先指出了风力发电技术的巨大潜能。然后分析了风力发电的发展现状和趋势，由分析可知风力发电在未来具有广阔的前景，但是同样存在较大的技术挑战。接着根据风力发电系统技术向变速恒频发展的趋势比较了现有的鼠笼型感应电机、电励磁同步电机、永磁同步电机、双馈感应电机和无刷双馈电机几种变速恒频风力发电机组，从比较中总结了双馈发电机的优势。之后将重点放在目前应用较广的双馈感应电机主要控制问题研究现状分析。对双馈风力发电机组的最大风能跟踪问题、同步并网控制问题、转矩和功率控制问题以及低电压穿越问题研究情况进行了详细分析。最后分析了比双馈感应电机更加可靠但是目前技术尚未成熟的无刷双馈电机的控制方法的国内外研究现状。关键词：风力发电；变速恒频；双馈感应电机；无刷双馈电机0引言全球的可利用的风能约为2×107MW，比地球上可开发的水能总量大10倍，相当于1000一10000座100万瓦量级的原子能发电站。我国的风能资源比较丰富，全国可利用的风能资源为2.53亿kW，风能丰富地区的风能密度为200一300W/m2，有效风力出现时间概率为70%左右，风速大于3.5而s的全年累计时数在5000一7000h[1]。风能作为一种清洁的新能源，已经成为了具有广阔应用前景的发电方式之一。与其它一些新能源相比，风能的投资建设回报周期相对较短。与核能相比风能更加安全，与水力发电相比风力发电具有更大的开发潜能，与光伏发电相比风力发电的成本更低。经过多年的发展随着风力发电技术的进步产业化水平的提高风力发电产业已经逐渐成熟，使得风力发电技术有了大规模和商业化发展的巨大潜能[2]。1风力发电的发展现状和趋势持续增长的能源需求和化石能源消耗对环境的恶劣影响引起了全球范围内风能发电迅速增长。据全球风能理事会(GWEC)统计数据显示世界累计安装的风电机组容量从2001年的24GW增加到2014年的370GW，到2018年估计会正增长到596GW。亚洲连续17年成为全球最大的风电市场，2014年新增容量26GW。其中中国始终引领亚洲的发展，2014年新增容量23GW，累计安装容量达到114GW，风电装机容量为世界之最[2]。但是由于风能来源于空气的流动，空气密度小，导致风能量密度较低，另一方面气流变化频繁，风的脉动、日变化、季节变化等都十分明显，波动很大，具有季节性、随机性等特点存在，仍有待研究先进的风力发电机技术使得未来的风力发电系统比需要目前的技术更有效率，更健壮且成本更低[3]。为提高风力发电效率、降低成本、改善电能质量、减少噪声、实现稳定可靠运行，风电技术正朝着大容量、低成本、高效率、长寿命、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向发展。风电系统的主要发展趋势为：⑴风电机组由定桨矩失速型向变桨矩和变速恒频型发展；⑵电机馈型由单馈型向双馈型发展；⑶传动技术由有齿轮箱向无齿轮箱(直驱型、半直驱型)发展；⑷电机电刷由有刷型向无刷型发展；⑸励磁方式由电励磁向永磁方向发展；⑹新型电机在风电系统中的应用由少品种向多品种发展；⑺单机容量由小向大发展；⑻电机品种由单一型向大、中、小型风机系统并列发展；⑼运行方式由独立运行向并网大型化与离网分散化互补运行发展；⑽风电成本由高向低发展；⑾电机控制算法由传统控制向智能控制发展；⑿电机控制算法由传统控制向智能控制发展[4]。2变速恒频风力发电及双馈电机的优势早期的并网风力发电机组输出电压和频率受电网约束，其转速基本不变，属于恒速恒频发电方式。恒速恒频风力发电机组只有在某一特定风速下才能达到最高运行效率，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行点，导致风能转换效率下降，而且由于转速固定，风速的波动将会对叶片、齿轮箱和传动轴等机械设备造成冲击应力，缩短机械设备的寿命。另外，鼠笼式感应电机输出的电能质量比较差，功率因数比较低，而且当无穷大电网的假定不存在时，每一台风力机的运行状态调整都会对局部电网产生很大的影响，风速和风向的随机性和不稳定性都会导致发电机的输出电压、频率和功率发生变化。鉴于恒速恒频风力发电机组存在的各种问题，变速恒频风力发电机组越来越受到广泛的重视。变速恒频风力发电机组可以提高风能转换效率，消除传动链中的机械应力，改善输出电能质量和功率因数，而且在必要时能向电网提供电压和频率支撑，这对于电网中风电所占比重日益增加的发展趋势而言，显得非常重要[5-8]。目前变速恒频风力发电机组主要有以下几种类型：基于笼型感应电机的采用全功率变换器的齿轮箱增速型；基于永磁同步电机的采用全功率变换器的直驱型；基于双馈感应电机的采用滑差功率变换器的齿轮箱增速型；基于无刷双馈电机的采用滑差功率变换器的齿轮箱增速型[9]。2.1基于笼型感应电机的风力发电机组基于笼型感应电机的变速恒频风力发电机组由风力机、齿轮箱、发电机、整流器和逆变器构成，如图1所示。风力机经过齿轮箱增速后与笼型感应电机的转子联接，发电机的定子绕组通过全功率的交直交变换器接入电网。整流器将发电机输出的变频变压的交流电转换为直流电，再经逆变器转换为与电网同频同压的交流电，从而实现变速恒频发电。通过调节逆变器输出电流的幅值和相位，可以控制风力发电机组输出的有功功率和无功功率，并调节发电机的转速，使风力机在不同风速下始终处于最佳运行点。这类风力发电机组的功率变换器安装在主电路中，其容量必须大于等于发电机的容量，因此称为全功率变换器。由于大功率电力电子器件的价格较为昂贵，全功率变换器增加了风力发电机组的成本。另外，为了实现低速的风力机与高速的发电机的机械联接，需要使用增速齿轮箱。齿轮箱的存在也增加了风力发电机组的成本，并且降低了可靠性与机械传动效率。图1基于笼型感应电机的变速恒频风力发电机组2.2基于电励磁的同步发电机组电励磁同步发电机变速恒频直驱风力发电系统如图2所示，电压源型逆变器的直流侧提供电机转子绕组的励磁电流，发电机发出的是电压和频率都在变化的交流电，经整流逆变后变成恒压恒频的电能输网。通过调节逆变装置的控制信号可以改变系统输出的有功功率和无功功率，实时满足电网的功率需要。在变速恒频直驱风力发电机组中，整流逆变装置的容量需要与发电机容量相等。图2电励磁同步发电机直驱风力发电系统采取直驱方式，发电机运行在低速状态，其电磁转矩相对较大，同时发电机极对数较多，意味着发电机的体积也较大。但由于省去了齿轮箱，系统的效率和可靠性都得到了提高。变换器为全功率变换器，在整个调速范围能使并网电流平滑，具有噪声低、电网电压闪变小及功率因数高等优点。该系统主要缺点是系统成本较高，功率变换器损耗较大。2.3基于永磁同步电机的风力发电机组永磁同步发电机变速恒频直驱风力发电系统结构如图3所示，它采用的电机是永磁发电机，无需外加励磁装置，减少了励磁损耗；同时它无需电刷与滑环，因此具有效率高、寿命长、免维护等优点。在定子侧采用全功率变换器，实现变速恒频控制。系统省去了齿轮箱，这样可大大减小系统运行噪声，提高效率和可靠性，降低维护成本。所以，尽管直接驱动会使永磁发电机的转速很低，导致发电机体积很大，成本较高，但其运行维护成本却得到了降低。采用直接驱动永磁发电机具有传动系统简单、效率高以及控制鲁棒性好等优点，因此具有越来越大的吸引力。目前已有多家公司可以提供商业化的多极永磁风力发电机系统，如Enercon，WinWind等公司。该系统的主要缺点是永磁材料价格较高，且在高温下易被去磁，功率变换器容量与发电机容量相同，变换器成本较高。图3永磁同步发电机直驱风力发电系统2.4基于双馈感应电机的风力发电机组由双馈异步发电机(Doublyfedinductiongener—ator，DFIG)构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，如图4所示。流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分。一般来说，转差率为同步速附近30％左右，因此，与转子绕组相连的励磁变换器的容量也仅为发电机容量的30％左右，这大大降低了变换器的体积和重量。采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。图4双馈式变速恒频风力发电机系统相对于绕线式发电机，双馈发电机的转子能量没有被消耗掉，而是可以通过变换器在发电机转子与电网之间双向流通。变换器可以提供无功补偿，平滑并网电流。正是DFIG具有上述优点，目前大多数大可变速风力发电系统都采用这种方式，例如Ves—tas，Gamesa，GE，Nordex等公司都有此类产品。但其控制系统也相对复杂，尤其是双向变换器的DFIG励磁控制技术和双向并网发电控制技术，对于DFIG系统而言，是至关重要的难点之一。双馈发电机系统具有的缺点：存在多级齿轮箱及滑环、电刷，不可避免地带来摩擦损耗，增大了维护量及噪声等[10]。2.5基于无刷双馈电机的风力发电机组上述双馈感应电机实际上是一种交流励磁的绕线式感应电机，其转子绕组需通过电刷和滑环与功率变换器连接，为了解决电刷和滑环的磨损问题，国内外学者开始致力于无刷双馈电机的研究。基于无刷双馈电机的变速恒频风力发电机组在整体框架上与基于双馈感应电机的变速恒频风力发电机组非常相似，其区别主要在于发电机本身的结构。无刷双馈电机的定子上有极对数不同且正交的两套绕组，分别称为功率绕组和控制绕组，转子采用特殊设计的类鼠笼型结构或磁阻结构。无刷双馈电机的功率绕组直接接入电网，用于传递大部分功率，其作用相当于双馈感应电机的定子绕组，控制绕组由功率变换器励磁，只传递滑差功率，其作用相当于双馈感应电机的转子绕组。与双馈感应电机不同的是，无刷双馈电机的功率绕组和控制绕组在理论上没有直接的电磁联系，它们需通过转子实现耦合。无刷双馈电机具有双馈感应电机的所有优点，而且消除了滑环和电刷，可靠性更高，在理论上具有更好的应用前景。然而，为了在定子上同时嵌套两套绕组且相互间不能有直接的电磁耦合，使电机设计和加工制作的难度大大增加。此外，由于控制绕组、功率绕组和转子绕组的电流频率各不相同，因而存在效率与谐波等问题。由于无刷双馈电机目前尚处于实验室研究阶段，功率等级较低，且未实现产品化和规模化生产，目前的主流大功率变速恒频风力发电机组主要使用双馈感应电机。3双馈感应风力发电机组主要控制问题研究现状基于双馈电机的变速恒频风力发电机组，具有以下优点：可独立调节电磁转矩和无功功率、可实现最大风能捕获、传动链机械应力小、输出电能质量高、能向电网提供必要的电压和频率支撑。与其他变速恒频风力发电机组相比，其功率变换器只需传递滑差功率，从而降低了风力发电机组的成本。因此，双馈电机在风力发电领域得到了广泛的应用［11］。国内外许多学者对双馈感应风力发电机组的控制进行了多方面的深入研究，主要包括：最大风能捕获控制；额定风速以上的恒功率控制；同步并网控制；功率解耦、直接转矩和直接功率控制；低电压穿越控制；电网电压不平衡工况下的控制等。3.1最大风能捕获与恒功率控制由于风能的能量密度低，是否能最大程度地将风能转换为电能的问题也就是系统是否能实现对风力发电机组的最大功率点进行跟踪控制的问题是我们需要重点研究的问题。如图5所示变速恒频风力发电机组在正常运行时根据风速的不同有三种典型的运行状态，即恒功率系数、恒转速和恒功率[12]。当风速高于切入风速时，风力发电机组开始启动，首先进入恒功率系数运行状态，即图5中的区域I。风力机的转速跟随风速变化，以维持运行于最佳功率系数，从而实现最大风能捕获。在这个区域内，风力机的转速与风速呈线性关系，其输出功率随风速的增大而增大。图5风力发电机组的三个运行状态由于机械结构的强度限制，风力发电机组存在转速极限。当风速增加到一定程度时，风力机的转速达到极限，便进入恒转速运行状态，即图5所示的区域II。在这个区域内，由于风力机的转速恒定，其功率系数随风速的增大而减小，但风力发电机组的输出功率仍然随风速的增大而增大。由于电气负荷的容量限制，风力发电机组存在功率极限。当风速超过额定风