肖世華

華電(福清)風(fēng)電有限公司

淺析變頻器在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

肖世華

華電(福清)風(fēng)電有限公司

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)于節(jié)能的要求也逐漸提高。變頻器調(diào)速技術(shù)在發(fā)電機(jī)中的節(jié)能應(yīng)用也同樣被關(guān)注，要想使得變頻器調(diào)速技術(shù)能夠發(fā)揮其重要的作用，需要對(duì)變頻器調(diào)速原理及特點(diǎn)進(jìn)行了解。為此，針對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變頻器的原理進(jìn)行分析，同時(shí)要保證發(fā)電機(jī)組能跟上風(fēng)速的頻繁變化，從而有效降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊，這才是研究的重點(diǎn)?；诖耍恼戮妥冾l器在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析，希望可以提供一個(gè)有效的借鑒。

變頻器；雙饋異步；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；應(yīng)用

1.變頻器

變頻器是通過電力半導(dǎo)體器件的通斷將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。目前使用的變頻器主要采用交-直-交方式(VVF變頻或矢量控制變頻)，先將工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再將直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源，以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、逆變、中間直流環(huán)節(jié)和控制4個(gè)部分組成，其中，整流部分為三相橋式不可控整流器；逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形；中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無功功率。

2.雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理

雙饋異步發(fā)電機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種繞線式轉(zhuǎn)子電機(jī)，由于其定、轉(zhuǎn)子都能向電網(wǎng)饋電，故簡(jiǎn)稱雙饋電機(jī)。雙饋電機(jī)雖然屬于異步機(jī)的范疇，但是由于其具有獨(dú)立的勵(lì)磁繞組，可以象同步電機(jī)一樣施加勵(lì)磁，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，所以又稱為交流勵(lì)磁電機(jī)。

交流勵(lì)磁電機(jī)的可調(diào)量有三個(gè)：一是可調(diào)節(jié)的勵(lì)磁電流幅值；二是可改變勵(lì)磁頻率；三是可改變相位。這說明交流勵(lì)磁電機(jī)比同步電機(jī)多了兩個(gè)可調(diào)量。改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的相位時(shí)，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在氣隙空間的位臵上有一個(gè)位移，這就改變了發(fā)電機(jī)電勢(shì)與電網(wǎng)電壓相量的相對(duì)位移，也就改變了電機(jī)的功率角。這說明電機(jī)的功率角也可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以交流勵(lì)磁不僅可調(diào)節(jié)無功功率，還可以調(diào)節(jié)有功功率。

在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子以變化的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，只要在轉(zhuǎn)子的三相對(duì)稱繞組中通入轉(zhuǎn)差頻率(即f1S)的電流，則在雙饋電機(jī)的定子繞組中就能產(chǎn)生50Hz的恒頻電勢(shì)。所以根據(jù)上述原理，只要控制好轉(zhuǎn)子電流的頻率就可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電了。

根據(jù)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，雙饋發(fā)電機(jī)可有以下三種運(yùn)行狀態(tài)：1)亞同步運(yùn)行狀態(tài)：在此種狀態(tài)下n＜n1，由轉(zhuǎn)差頻率為f2的電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速；

n2與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速方向相同，變流器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，定子輸出電能給電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)吸收能量；

2)超同步運(yùn)行狀態(tài)：在此種狀態(tài)下n＞n1，改變通入轉(zhuǎn)子繞組的頻率為f2的電流相序，則其所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n2與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速方向相反，發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子同時(shí)向電網(wǎng)輸出能量；3)同步運(yùn)行狀態(tài)：在此種狀態(tài)下n=n1，這表明此時(shí)通入轉(zhuǎn)子繞組的電流頻率為0，也即直流電流，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，與普通的同步電機(jī)一樣。

3.帶變頻器的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)

3.1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

在風(fēng)力發(fā)電過程中讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而變化，通過其他控制方法來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻發(fā)電。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)可以定子直接上網(wǎng)，通過改變轉(zhuǎn)子電流的相位和幅值來調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，它采用雙向變頻器通過對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行勵(lì)磁，定子側(cè)直接輸出與電網(wǎng)電壓頻率和相位相同的電能，無需在接入電網(wǎng)之前加變頻轉(zhuǎn)換裝置。另一種并網(wǎng)方式是發(fā)電機(jī)的定子繞組通過變頻器與電網(wǎng)相連接，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著變化，發(fā)電機(jī)發(fā)出的為變頻交流電，必須通過變頻器的轉(zhuǎn)換后才能與電網(wǎng)相連，交一直一交變頻器可以用來進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，以直接驅(qū)動(dòng)的風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)為例，在變頻恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)直接與發(fā)電機(jī)相連，不需要通過齒輪機(jī)升速，同步發(fā)電機(jī)的定子繞組通過變頻器與電網(wǎng)相連。交一直一交變頻器的主電路包括整流和逆變兩部分。整流電路把來自交流發(fā)電機(jī)的交流電變成直流，經(jīng)電容或電感濾波，再由逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為交流電送給電網(wǎng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

3.2 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)

PWM技術(shù)是通過控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，把直流電壓變?yōu)橐幌盗蟹迪嗟榷鴮挾炔幌嗟鹊拿}沖，按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度和脈沖序列周期進(jìn)行調(diào)制，從而控制逆變器的輸出電壓和頻率。

由于電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和電力電子器件制作水平的不斷成熟，變頻器在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。

3.3 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)

在變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕捉，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而變化，發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電為變頻交流電，通過變頻器變頻后獲得可以與電網(wǎng)直接相連的恒頻交流電，需要變頻器作為一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置接入系統(tǒng)，由于同步發(fā)電機(jī)通過變頻器與電網(wǎng)相連，并網(wǎng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大的電流沖擊，由于發(fā)電機(jī)的頻率和電網(wǎng)的頻率是相互獨(dú)立的，因此并網(wǎng)過程比較平坦，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行造成太大影響，但是由于變頻器的接入，就會(huì)向電網(wǎng)注入高次諧波，這會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，另外，電力電子裝置的價(jià)格一般較高，控制較為復(fù)雜，這就需要電力電子技術(shù)的更加進(jìn)步和電力電子器件制作水平的不斷提高來完善。

4.雙饋?zhàn)冾l系統(tǒng)的性能分析

4.1 轉(zhuǎn)矩

啟動(dòng)、低速運(yùn)行時(shí)，可以最大程度吸收風(fēng)輪機(jī)械功率。由于可無級(jí)調(diào)節(jié)電壓和頻率，發(fā)電機(jī)低速運(yùn)行功率利用率高。

4.2 諧波

通過失量控制算法，將功率變換裝置和發(fā)電機(jī)作為整體，在實(shí)現(xiàn)高性能調(diào)速的前提下，可對(duì)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、網(wǎng)側(cè)諧波、發(fā)電機(jī)定子側(cè)功率因數(shù)等系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行調(diào)控，所以幾乎不存在諧波污染，無功補(bǔ)償、諧波治理等投資成本較低。

4.3 功率因數(shù)

雙饋控制所具有的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電機(jī)在調(diào)速的同時(shí)能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)定子側(cè)無功功率，改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，功率因數(shù)調(diào)節(jié)范圍大，提高了設(shè)備對(duì)電網(wǎng)容量資源的利用率，減少了因無功電流引起的線路損耗。

4.4 擴(kuò)展能力

電控系統(tǒng)采用DSP控制器，能靈活實(shí)現(xiàn)原系統(tǒng)中所有控制功能，留有各種通信接口，可隨時(shí)提高其控制性能指標(biāo)，加強(qiáng)保護(hù)功能。

5.針對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變頻器的應(yīng)用

5.1 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速

為了制止發(fā)生風(fēng)力發(fā)電的偏差出現(xiàn)，我們要從研究轉(zhuǎn)速開始，逐步將具體操作規(guī)劃好。我們?cè)陬A(yù)測(cè)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，就得將變頻器的轉(zhuǎn)速設(shè)定在可控的范圍內(nèi)，從而有利于風(fēng)力發(fā)電變頻器的使用過程嚴(yán)格依照規(guī)劃進(jìn)行運(yùn)作。一定的運(yùn)作時(shí)間，可以有效的保障發(fā)電機(jī)的借助風(fēng)力進(jìn)行運(yùn)作。如果出現(xiàn)了風(fēng)速過高或者風(fēng)速過低，都會(huì)影響到發(fā)電機(jī)輸出功率的大小，通常在具體的調(diào)整過程中，會(huì)依據(jù)額定功率，這樣做的目的是為了降低風(fēng)力發(fā)電的消耗，解決好發(fā)電機(jī)運(yùn)行的合理狀態(tài)。這也是我們?nèi)菀装l(fā)生忽略的地方，往往會(huì)使得電網(wǎng)輸出功率減少。為了將機(jī)組的額定功率調(diào)整在合理狀態(tài)，我們必須依靠發(fā)電機(jī)輸出功率來控制好電阻。這對(duì)于變槳距機(jī)構(gòu)的動(dòng)作滯后有一定的阻止作用，其實(shí)，為了使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，我們必須將變頻器調(diào)整在輸出功率不大的區(qū)間內(nèi)，這是做好在風(fēng)速瞬時(shí)下降過程中采取的有力措施。從而實(shí)現(xiàn)有效的保障發(fā)電機(jī)正常的運(yùn)作的目的。

5.2 機(jī)組并網(wǎng)控制

為了將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的程序做好，就得依據(jù)頻率與電網(wǎng)頻率進(jìn)行分析，通過對(duì)電壓與電網(wǎng)電壓等具有相同性的分析后，產(chǎn)生一定的效率會(huì)有效的調(diào)節(jié)機(jī)組并網(wǎng)的發(fā)生，我們?cè)谧龊脵C(jī)組并網(wǎng)過程時(shí)，要緊緊抓住風(fēng)力發(fā)電的能量不放松，有效的結(jié)合電勢(shì)差的情況，通過結(jié)合轉(zhuǎn)子接觸器形成瞬間過電流的情況來處理好風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速大小，從而使得變頻器在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生誤差，這對(duì)于頻率和相位是否相同有重要的作用。

5.3 調(diào)節(jié)無功、濾波和過電壓保護(hù)

為了減少勵(lì)磁電流的幅值，我們要依據(jù)發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)電壓大小來有效的控制，從而利用好無功功率的調(diào)節(jié)來限制大小。這往往會(huì)在發(fā)生風(fēng)力動(dòng)能時(shí)，發(fā)生電機(jī)變頻器在利用整流、濾波、逆變、再濾波等這些情況的發(fā)生。只有將電壓控制在一定的范圍內(nèi)，再利用好電網(wǎng)的諧波干擾，這樣可以促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作效率。我們?cè)谘芯孔冾l器中的Crowbar電路調(diào)整時(shí)，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落產(chǎn)生的電阻是有效抑制定子電流的交流暫態(tài)分量，達(dá)到有效的促進(jìn)直流母線電容器進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的有力措施。

結(jié)束語

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變頻器在其應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用。在發(fā)電機(jī)設(shè)備中應(yīng)用變頻器調(diào)速技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造后，用電量大幅度下降，節(jié)能效果非常顯著因此，在實(shí)際中，要結(jié)合具體情況，合理采取相應(yīng)的節(jié)能方式。

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