變頻技術在變速恒頻風電系統(tǒng)的應用

2.斬波調阻結構
    上個世紀90年代中期丹麥的Vestas公司采用了一種轉子電流控制結構（OptiSlip），也稱為斬波調阻結構，如圖1所示。這種結構的基本思想是采用一個可控電力電子開關，以固定載波頻率的PWM方法控制繞線電機轉子回路中附加電阻接入時間的長短，從而調節(jié)轉子電流的幅值，控制滑差約在10%的范圍之內。該結構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子回路的電阻值，通過電力電子器件的導通和關斷來調整轉子回路的電阻值。這種結構電力電子裝置的機構相對簡單，但是其定子側功率因數(shù)比較低，且只能在發(fā)電機的同步轉速以上運行，是一種受限制的變速恒頻系統(tǒng)。
               

3.混合結構
    為了降低變流器的成本并且能夠實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)的寬轉速范圍運行，有文獻提出一種基于雙饋電機斬波調阻與交流勵磁控制策略多功能變流器拓撲結構,將整流器、斬波器和逆變器結合在一起，該結構的巧妙之處在于斬波器和逆變器共用了一組可控的電力電子開關，但是由于引入了四個接觸器型的受控開關，導致該結構的主回路結構復雜，很難實現(xiàn)同步速切換過程的過渡，而且在高于同步速運行情況下難以改善發(fā)電機的功率因數(shù)。此外，還有文獻提出了新型轉子電流混合控制的電路拓撲結構及其控制策略，該控制方法兼?zhèn)浣涣鲃畲趴刂坪娃D子斬波調阻法的優(yōu)點，能顯著降低轉子變流器的硬件成本以及控制技術的復雜性，并且可以實現(xiàn)發(fā)電機的寬轉速范圍運行，無需在同步速點過渡，在整個允許的速度范圍內都可以進行定子輸出有功、無功功率獨立調節(jié)，同時發(fā)電機輸出功率因數(shù)可控，缺點是輸入側功率因數(shù)低，風能轉換效率低。
三、基本控制算法
    交流勵磁結構即雙饋變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)得到了非常廣泛的應用，在其發(fā)展過程中出現(xiàn)了很多控制策略，主要包括矢量控制、標量控制以及直接功率控制等。
    1.矢量控制
    德國工程師F.Blashke在上世紀七十年代提出的矢量控制原理，使得交流調速技術發(fā)生了一次質的飛躍，應用在雙饋調速上，獲得了令人振奮的動靜態(tài)性能。矢量控制的理論基礎是磁場定向原理，通過引入坐標變換，將原來復雜的雙饋電機模型等效為d-q模型的基礎上，對坐標軸的交叉耦合信號進行有效的補償，可以得到類似直流調速的效果。
    雙饋系統(tǒng)的矢量控制結構通常將轉子交流量分解成有功分量和無功分量，并對之進行閉環(huán)控制。通常為了簡化雙饋矢量控制系統(tǒng)的電磁轉矩和其他矢量之間的復雜關系，需要使坐標軸定向在某個矢量上。一般的，在雙饋系統(tǒng)可以選擇的定向矢量為定子磁鏈、氣隙磁鏈、定子電壓以及轉子電流等。其中，比較常用的是以定子磁鏈和氣隙磁鏈為定向矢量的控制方法。
    2.多標量控制
    基于多標量模型的雙饋電機控制方法通過多標量模型變換電機系統(tǒng)到兩個獨立的線性子系統(tǒng)中，利用PI調節(jié)器控制定子的有功和無功。在該方案中，定義轉子轉速，定子磁鏈幅值的平方，定子磁鏈和轉子電流的叉積和點積四個標量，并根據(jù)上述四個標量電機的微分方程，在忽略定子電阻的情況下，對定子磁通做歸一化處理后，電機的有功功率以及無功功率可以解耦控制。
    3.直接功率控制