變頻技術(shù)變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

    采用繞線異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)并對(duì)其轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行控制，是變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)形式之一。主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括交流勵(lì)磁控制，轉(zhuǎn)子斬波調(diào)阻以及由上述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合發(fā)展而來(lái)的混合結(jié)構(gòu)。

    1.交流勵(lì)磁結(jié)構(gòu)

    交流勵(lì)磁控制通過(guò)變頻裝置向轉(zhuǎn)子提供三相滑差頻率的電流進(jìn)行勵(lì)磁，這種方式的變頻裝置通常使用交交變頻器，矩陣變換器或交直交變頻器。

    交交變頻器采用晶閘管自然換流方式，工作穩(wěn)定，可靠，適合作為雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的變頻器電源，交交變頻的最高輸出頻率是電網(wǎng)頻率的1/3-1/2，在大功率低頻范圍有很大的優(yōu)勢(shì)。交交變頻沒(méi)有直流環(huán)節(jié)，變頻效率高，主回路簡(jiǎn)單，不含直流電路及濾波部分，與電源之間無(wú)功功率處理以及有功功率回饋容易。雖然交交變頻雙饋系統(tǒng)得到了普遍的應(yīng)用，但因其功率因數(shù)低，高次諧波多，輸出頻率低，變化范圍窄，使用元件數(shù)量多使之應(yīng)用受到了一定的限制。

    矩陣式變頻器是一種交交直接變頻器，由九個(gè)直接接于三相輸入和輸出之間的開(kāi)關(guān)陣組成。矩陣變換器沒(méi)有中間直流環(huán)節(jié)，輸出由三個(gè)電平組成，諧波含量比較小；其功率電路簡(jiǎn)單、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負(fù)載電壓；矩陣變換器的輸入功率因數(shù)可控，可在四象限工作。雖然矩陣變換器有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在其換流過(guò)程中不允許存在兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的或者關(guān)斷的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。矩陣變換器最大輸出電壓能力低，器件承受電壓高也是此類(lèi)變換器一個(gè)很大缺點(diǎn)。應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電中，由于矩陣變換器的輸入輸出不解耦，即無(wú)論是負(fù)載還是電源側(cè)的不對(duì)稱(chēng)都會(huì)影響到另一側(cè)。另外，矩陣變換器的輸入端必須接濾波電容，雖然其電容的容量比交直交的中間儲(chǔ)能電容小，但由于它們是交流電容，要承受開(kāi)關(guān)頻率的交流電流，其體積并不小。

    交直交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件設(shè)計(jì)等各種因素，電壓型逆變器應(yīng)用比較廣泛。傳統(tǒng)的電流型交直交變頻器采用自然換流的晶閘管作為功率開(kāi)關(guān)，其直流側(cè)電感比較昂貴，而且應(yīng)用于雙饋調(diào)速中，在過(guò)同步速時(shí)需要換流電路，在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用的不多。采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點(diǎn)，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量，并且該結(jié)構(gòu)通過(guò)直流母線側(cè)電容完全實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的分離。電壓型交直交變頻器的雙饋發(fā)電機(jī)定子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于風(fēng)機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤的發(fā)電機(jī)有功和無(wú)功的解耦控制，是目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)代表方向。

    此外，還有一種并聯(lián)的交直交逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要思想是通過(guò)一個(gè)交直交電流型和一個(gè)交直交電壓型變頻器并聯(lián)，電流型逆變器作為主逆變器負(fù)責(zé)功率傳輸，電壓型逆變器作為輔逆變器負(fù)責(zé)補(bǔ)償電流型逆變器諧波。這種結(jié)構(gòu)主逆變器有較低的開(kāi)關(guān)頻率，輔逆變器有較低的開(kāi)關(guān)電流。同上面提到的交直交電壓型逆變器相比較，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有低開(kāi)關(guān)損耗，整個(gè)系統(tǒng)的效率比較高。其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，大量電力電子器件的使用導(dǎo)致成本的上升以及更加復(fù)雜的控制算法，另外該種結(jié)構(gòu)電壓利用率比較低。

    2.斬波調(diào)阻結(jié)構(gòu)

    上個(gè)世紀(jì)90年代中期丹麥的Vestas公司采用了一種轉(zhuǎn)子電流控制結(jié)構(gòu)（OptiSlip），也稱(chēng)為斬波調(diào)阻結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)的基本思想是采用一個(gè)可控電力電子開(kāi)關(guān)，以固定載波頻率的PWM方法控制繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加電阻接入時(shí)間的長(zhǎng)短，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的幅值，控制滑差約在10%的范圍之內(nèi)。該結(jié)構(gòu)依靠外部控制器給出的電流基準(zhǔn)值和電流的測(cè)量值計(jì)算出轉(zhuǎn)子回路的電阻值，通過(guò)電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)子回路的電阻值。這種結(jié)構(gòu)電力電子裝置的機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是其定子側(cè)功率因數(shù)比較低，且只能在發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行，是一種受限制的變速恒頻系統(tǒng)。    

    3.混合結(jié)構(gòu)