變頻技術(shù)變速恒頻異步風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用

    采用繞線異步電機作為發(fā)電機并對其轉(zhuǎn)子電流進行控制，是變速恒頻異步風力發(fā)電系統(tǒng)的主要實現(xiàn)形式之一。主要的拓撲結(jié)構(gòu)包括交流勵磁控制，轉(zhuǎn)子斬波調(diào)阻以及由上述兩種拓撲結(jié)構(gòu)結(jié)合發(fā)展而來的混合結(jié)構(gòu)。

    1.交流勵磁結(jié)構(gòu)

    交流勵磁控制通過變頻裝置向轉(zhuǎn)子提供三相滑差頻率的電流進行勵磁，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。交交變頻沒有直流環(huán)節(jié)，變頻效率高，主回路簡單，不含直流電路及濾波部分，與電源之間無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，由九個直接接于三相輸入和輸出之間的開關(guān)陣組成。矩陣變換器沒有中間直流環(huán)節(jié)，輸出由三個電平組成，諧波含量比較小；其功率電路簡單、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負載電壓；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，但是在其換流過程中不允許存在兩個開關(guān)同時導通的或者關(guān)斷的現(xiàn)象，實現(xiàn)起來比較困難。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變換器一個很大缺點。應用在風力發(fā)電中，由于矩陣變換器的輸入輸出不解耦，即無論是負載還是電源側(cè)的不對稱都會影響到另一側(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能電容小，但由于它們是交流電容，要承受開關(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計等各種因素，電壓型逆變器應用比較廣泛。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關(guān)，其直流側(cè)電感比較昂貴，而且應用于雙饋調(diào)速中，在過同步速時需要換流電路，在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風力發(fā)電中應用的不多。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)簡單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機的運行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量，并且該結(jié)構(gòu)通過直流母線側(cè)電容完全實現(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)電機定子磁場定向矢量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于風機最大功率點跟蹤的發(fā)電機有功和無功的解耦控制，是目前變速恒頻風力發(fā)電的一個代表方向。

    此外，還有一種并聯(lián)的交直交逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要思想是通過一個交直交電流型和一個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責功率傳輸，電壓型逆變器作為輔逆變器負責補償電流型逆變器諧波。這種結(jié)構(gòu)主逆變器有較低的開關(guān)頻率，輔逆變器有較低的開關(guān)電流。同上面提到的交直交電壓型逆變器相比較，該拓撲結(jié)構(gòu)具有低開關(guān)損耗，整個系統(tǒng)的效率比較高。其缺點也是顯而易見的，大量電力電子器件的使用導致成本的上升以及更加復雜的控制算法，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)

    上個世紀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可控電力電子開關(guān)，以固定載波頻率的PWM方法控制繞線電機轉(zhuǎn)子回路中附加電阻接入時間的長短，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值和電流的測量值計算出轉(zhuǎn)子回路的電阻值，通過電力電子器件的導通和關(guān)斷來調(diào)整轉(zhuǎn)子回路的電阻值。這種結(jié)構(gòu)電力電子裝置的機構(gòu)相對簡單，但是其定子側(cè)功率因數(shù)比較低，且只能在發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速以上運行，是一種受限制的變速恒頻系統(tǒng)。    

    3.混合結(jié)構(gòu)