风力发电双馈异步发电机励磁控制变频器综述

上海输配电股份有限公司技术中心1风力发电双馈异步发电机励磁控制变频器综述禹华军上海输配电股份有限公司技术中心1．变速恒频风电系统结构风力发电机组通常由风力机、传动系统、发电机、偏航系统、变桨距系统和控制系统等部分组成。风力机的作用是将风能转换为机械能，通过传动系统，由齿轮箱增速，将机械能传递给发电机。发电机采用绕线式异步发电机，通过交流励磁控制，实现机械能向电能的转换，同时能实现风力机系统的变速恒频控制。机舱与塔架之间安装有偏航系统，使机舱对准来风的方向。变桨距系统通常在风速超过额定值时，对风力机转速和输出功率进行控制，保证系统机械和电气安全。控制系统是风力发电机组的“大脑”，由它自动完成机组的所有工作过程，并提供人机接口和远程监控的接口。对恒速风机来说，当风速跃升时巨大的风能将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力。如果上述过程频繁出现，会引起这些部件的疲劳损坏，因此设计时不得不加大安全系数，从而导致机组重量加大，制造成本增加。而当风力发电机采取变速运行时，由风速跃升所产生的巨大风能，其中部分被加速旋转的风轮所吸收，并以动能的形式存储于高速运转的风轮中，从而避免主轴以及传动机构承受过大扭矩和机械应力。当风速下降后，在相关电力电子装置调控下，将高速风轮所存储的动能释放出来并转变为电能送入电网，通过风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用，使风力机组内部能量传输部件应力变化平稳，防止破坏性机械应力产生，从而使风力机组运行更加平稳和安全。常用的变速恒频控制方法有：鼠笼型异步发电机变速恒频（包括定子侧串变频器），绕线型异步发电机变速恒频（改变转子外接电阻），同步发电机变速恒频（电磁式与永磁式），双10...24kV,f=50Hzor60Hz变压器发电机侧变流器齿轮箱抱闸倾斜控制转子齿轮主回路断路器变流控制风力发电机控制系统带滑环的异步发电机中压开关变频器线侧变流器图1风力发电系统结构示意图上海输配电股份有限公司技术中心2馈感应异步发电机（Doubly-FedInductionGenerator-DFIG）变速恒频（包括无刷型），磁场调制型变速恒频，开关磁阻发电机变速恒频等。新型的商业化MW级变速恒频风电机组的发电机大多采用双馈感应电机，通过调节励磁电流，不仅可以调节发电机的无功功率，也可以调节发电机的有功功率。额定风速以下，风力机按优化桨距角定桨运行，由发电机控制系统来控制转速，调节风力机叶尖速比，实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获；在额定转速以上风力机变桨距运行，由风力机控制系统通过调节浆距角来改变风能系数，从而控制风电机组的转速和功率，防止风电机组超出转速极限运行而引起事故。因此,额定风速以下运行是变速恒频发电运行的主要工作方式，变速恒频的目标是追踪与捕获最大风能。通过控制发电机输出有功功率，来控制其电磁阻转矩，从而实现机械速度调节。变速恒频双馈发电系统结构示意图如图1所示[1]。2．双馈异步发电机励磁控制变频器的功能在研究双馈异步发电机励磁控制变频器之前，首先需要了解风力机三种典型的运行状态，其过程用图2表示[2]。图中，rP为风力机输出功率，rV为风力机转速，pC为风能转换效率，CU为风力机切入风速，BU为允许转子最大转速时的风速，RU为额定风速，FU为风力机切出风速。1)低风速段实行变速运行，可保持一个恒定的Cp值(尽可能大，最好达到Betz极限值)，根据风速变化控制风力机转速，使叶尖速比λ不变，直到转速达到极限。这一过程通常称为最大风能跟踪运行区域，既可以由风力机调速实现，也可以由发电机调速实现。2)风速进一步加大时，风力机转速达到极限，为保证风力机旋转部分机械安全，此时风力机旋转速度不再增加，按恒定转速控制风力机运行，直到输出最大功率，此时的风力机功率系数Cp不一定是最大值。3)超过额定风速时，输出功率达到极限，按恒功率输出调节风力机。2．1变速恒频控制功能一般来说，当风力机运行在额定风速以下时，由双馈异步发电机对风力机进行调速，同时实现最大风能跟踪。而在额定风速以上时，由变桨距系统对风力机进行调速。事实上，在商用风电系统中，变桨距调速和发电机调速常常相互配合，变桨距调速相当于粗调，发电机调速相当于微调。由于变桨距调节响应较慢，在发电机额定功率和变频器容量允许的前提下，遇到风速变化较快的情况时，由发电机来进行速度调节。由于发电机定子侧与电网相连，其电压频率需与电网一致，通常电网电压频率变化较小，可视为恒定。因此双馈异步发电机不仅要实现变速运行，同时要保证定子侧频率不因转子转速变化而变化。通过转子侧变频器励磁控制，可以实现这一变速恒频功能。图2风力机典型运行过程曲线上海输配电股份有限公司技术中心32．2最大风能跟踪功能风力机组最大风能跟踪的原理是，通过双馈异步发电机对风力机进行调速，使得风力机运行在功率－风速曲线的峰值点。在同一风速下，不同的风力机转速对应不同的功率输出，其中存在一个最优转速使得风力机输出功率最大。不同的风速对应不同的功率－风速曲线，每条曲线都有各自的最大功率点，最大风能跟踪的目的就是使得风力机在不同风速情况下都能输出最大的功率。也就是找到一条最优功率曲线，使得风力机在任何风速下输出功率均为最大值。对于风力机而言，其最优功率曲线实际上已确定，因此在控制中可以采用设定最优功率曲线的方式实现最大风能跟踪。将功率－风速曲线制成数据表格存储在控制器内，运行中根据检测到的风速值查表，对应的功率值作为发电机变频器转子侧变换器控制的有功功率给定值。但是由于风力机各点风速并不一致，因此这种方法可能并不能得到真正的最大功率输出。通过简化风力机数学模型，可以得到风力机最优功率曲线的数学表达式，从而通过计算的方式进行最大风能跟踪。此外，通过对输出功率和风力机转速非线性关系的实时判断，同样可以找到其最大功率点。以上方法无一例外的都是通过发电机变频器励磁控制来实现。2．3双向潮流控制功能在风电系统中，发电机同步转速一定，而实际运行时转子转速随风速变化。当转子转速低于同步速时，变频器需要转子提供超前的励磁电流，能量由电网通过变频器提供给转子。当转子转速高于同步速时，变频器需向转子提供滞后的励磁电流，也就是转子侧能量向变频器方向流动，并回馈给电网。由此，变频器必须具有能量双向流动功能，这就是双馈发电机励磁控制采用双PWM变换器的原因。2．4功率因数调节功能考虑到风电系统的功率扰动以及电网本身的供电质量问题，我们希望风力发电系统发电机输出有功功率可调节，同时还能改变输出功率因数。通过转子侧变频器励磁控制，可以实现风力发电机组在稳定状态下的总有功功率和转差率不随功率因数设定值的变化而变化。其总有功功率由机组的风机功率特性与风况决定，同时，发电机的转差率由风力机组的总有功功率和转速控制特性决定，与发电机输出无功功率无关。3．双馈异步发电机励磁控制变频器工作原理3．1变速恒频控制原理根据同步转速下定转子磁场相对静止时的频率关系式（1），当风速变化引起发电机转速变化，也即转子机械频率mf变化时，需控制转子电流的励磁电流频率2f，以保持定子输出频率1f恒定。21fpffm（1）式中p为发电机极对数。对应发电机有三种运行状态，取n为发电机转子转速，1n（pfn/*6011）为气隙同步上海输配电股份有限公司技术中心4旋转磁场的转速：1）当n＜1n时，发电机处于亚同步速运行，此时变频器向发电机转子提供正相序励磁，式（1）取正号；2）当n＞1n时，发电机处于超同步速运行，此时变频器向发电机转子提供负相序励磁，式（1）取负号；3）当n＝1n时，发电机处于同步速运行，02f，变频器向转子提供直流励磁。以上即是DFIG励磁控制变频器变速恒频控制的工作原理。3．2最大风能跟踪控制根据风力机最优功率曲线，风力机最大输出功率可用下式表示[3]（2）式中，。其中，m为风力机转速，R为风轮半径，maxpC为最大风能转换效率，opt为最佳叶尖速比。对于一台确定的风力机，在风速和桨距角一定时，总存在一个最佳叶尖速比opt对应着一个最大的风能转换系数maxpC。因此，在任何风速下，只要调节风力机转速，使其叶尖速比（opt）保持不变，就可以维持风力机在maxpC下运行，这就是风力机最大风能捕获的运行原理。3．3双向潮流控制原理DFIG变频器结构框图如图3所示。根据发电机的运行状态不同，变频器能量流向也不同。1）发电机亚同步状态运行时，转差率s0（11nnns），变频器向转子绕组输入电功率（即滑差功率）。此时，图3中转子侧PWM变换器处于逆变状态，电网侧PWM变换器处于整流状态。2）发电机超同步状态运行时，转差率s0，转子绕组向变频器输入电功率（即滑差功上海输配电股份有限公司技术中心5率）。此时，图3中转子侧PWM变换器处于整流状态，电网侧PWM变换器处于逆变状态。3）发电机同步状态运行时，转差率s=0，变频器向转子提供直流电流。3．4功率因数调节原理通过转子电流的解耦控制，调节转子电流的转矩分量，即可控制发电机输出的有功功率；调节转子电流的励磁分量，即可控制发电机输出的无功功率。目前大多数文献所述的励磁控制模型都是从基于同步坐标轴系下的数学模型推导出来的。当定子取发电机惯例,转子取电动机惯例时，其dq同步坐标轴系的数学模型如式（3）所示[4]。rqrdsqsdrqrdsqsdiiiipLRLMpMLpLRMMpMpMpLRLMMpLpLRuuuu22222222221111111111（3）)(rqsdrdsqemiiiiMT（4）该数学模型简单,可以方便地推导出各种励磁控制模型,从而导出DFIG的有功功率、无功功率独立稳态解耦控制算法。4．双馈异步发电机励磁控制变频器控制策略4．1矢量控制在基于同步电动机变频调速的矢量控制策略中，由于转子接变频器的结构特点，目前应用在DFIG的励磁控制中主要有两大类，即基于气隙磁场定向的矢量控制策略和基于定子磁场定向的矢量控制策略[5]。4．1．1基于气隙磁场定向的矢量控制策略将同步轴线d轴与气隙磁场向量重合，忽略定子漏阻抗和转子漏感，并近似认为气隙磁链不变，得到解耦的有功和无功分量如下：图3电压源型双PWM变换器上海输配电股份有限公司技术中心6MuiuQiuPmsqrdsqrqsq/11（5）222/)(/RuuiRuimsqrqrqrdrd（6）该励磁控制模型在推导中忽略定子漏阻抗和转子漏感，同时近似地认为气隙磁链为常数，使得模型精度下降，定子端电压矢量和矢量参考轴之间有较大的相位差，同时有功和无功分量的计算变得相当复杂，影响系统的实时性处理。因此目前较多采用定子磁场定向的矢量控制方法。4．1．2基于定子磁场定向的矢量控制策略将同步轴线d轴与定子磁场向量重合，推导出解耦有功和无功分量方程。1111/)(/LMiuQLiuPrdssqrqsq（7）这一方法可以解决气隙磁场定向带来的定子电压矢量与参考轴之间的相位差问题，在现有双馈风力发电系统中得到广泛应用。当采用定子磁链定向控制并维持定子磁链恒定时，DFIG的转矩和定子侧有功功率可通过转子电流的转矩分量rqi控制，而定子侧的无功功率可以通过转子电流的励磁分量rdi控制。由于DFIG在小转差率范围内运行，转子侧电压较低，转子侧补偿无功所需的容量较小。功率因数不随发电机发出的有功功率变化，可实现较好的功率因数控制。4．2直接功率控制直接功率控制是从异步电机直接转矩控制思想中演变而来的，不同于矢量控制，直接转矩控制不需要进行坐标变换。直接功率控制采用空间矢量的概念来分析双馈电机的数学模型和控制其物理量，从控制发电机定子侧有功功率和无功功率的角度出发，分析转子侧变频器输出的6个非零电压空间矢量和2个零电压空间矢量，分别在次同步速和超同步速运行状态对转子磁链矢量相位和幅值的影响，确定直接功率控制策略所需的电压矢量选择表。其具体实现与直接