一、引言

中國的風(fēng)能資源十分豐富，目前已經(jīng)探明的風(fēng)能儲量約為3226GW，其中可利用風(fēng)能約為253GW，主要分布在西北、華北和東北的草原和戈壁以及東部和東南沿海及島嶼上。根據(jù)統(tǒng)計，截至到2006年底，中國大陸地區(qū)已建成并網(wǎng)型風(fēng)電場91座，累計運行風(fēng)力發(fā)電機組3311臺，總?cè)萘窟_259.

9萬kW（以完成整機吊裝作為統(tǒng)計依據(jù)）。已經(jīng)建成并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)場主要分布在新疆、內(nèi)蒙、廣東、浙江、遼寧等16個省區(qū)。根據(jù)電監(jiān)會公布的數(shù)據(jù)，截至2006年底，中國發(fā)電裝機容量達到62200萬kW，風(fēng)力發(fā)電占全國總裝機容量的0.42%。截至到2006年底，全世界總風(fēng)電裝機容量已經(jīng)達到7390.4萬kW，其中德國總裝機容量2062.2萬kW，位居世界第一，中國2006年風(fēng)電新增裝機容量僅次于美國、德國、印度和西班牙，列第五位；總裝機容量列世界第六位。因此，風(fēng)力發(fā)電將成為我國最具大規(guī)模開發(fā)前景的新能源之一。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)兩大類。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般使用同步電機或者鼠籠式異步電機作為發(fā)電機，通過定槳距失速控制的風(fēng)輪機使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值繼而保證發(fā)電機端輸出電壓的頻率和幅值的恒定，其運行范圍比較窄，只能在一定風(fēng)速下捕獲風(fēng)能，發(fā)電效率較低。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用永磁同步電機或者雙饋電機作為發(fā)電機，通過變槳距控制風(fēng)輪使整個系統(tǒng)在很大的速度范圍內(nèi)按照最佳的效率運行，是目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。對于風(fēng)機來說，其調(diào)速范圍一般在同步速的50%～150％之間，如果采用普通鼠籠異步電機系統(tǒng)或者永磁同步電機系統(tǒng)，變頻器的容量要求與所拖動的發(fā)電機容量相當，這是非常不經(jīng)濟的。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定子和電網(wǎng)直接相連接，轉(zhuǎn)子和功率變換器相連接，通過變換器的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率，這是各種傳動系統(tǒng)中效率比較高的，該結(jié)構(gòu)適合于調(diào)速范圍不寬的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是大、中容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

本文將從變速恒頻異步風(fēng)力系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)及其控制技術(shù)兩個方面對變頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用進行綜述，以反映變頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的發(fā)展情況。

二、變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓撲。

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(fēng)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。

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(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(dǎo)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(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(shè)計等各種因素，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(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(fēng)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(fēng)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(zé)功率傳輸，電壓型逆變器作為輔逆變器負責(zé)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(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(dǎo)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)

為了降低變流器的成本并且能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的寬轉(zhuǎn)速范圍運行，有文獻提出一種基于雙饋電機斬波調(diào)阻與交流勵磁控制策略多功能變流器拓撲結(jié)構(gòu)，將整流器、斬波器和逆變器結(jié)合在一起，該結(jié)構(gòu)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(guān)，但是由于引入了四個接觸器型的受控開關(guān)，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的主回路結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhuǎn)子電流混合控制的電路拓撲結(jié)構(gòu)及其控制策略，該控制方法兼?zhèn)浣涣鲃畲趴刂坪娃D(zhuǎn)子斬波調(diào)阻法的優(yōu)點，能顯著降低轉(zhuǎn)子變流器的硬件成本以及控制技術(shù)的復(fù)雜性，并且可以實現(xiàn)發(fā)電機的寬轉(zhuǎn)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(nèi)都可以進行定子輸出有功、無功功率獨立調(diào)節(jié)，同時發(fā)電機輸出功率因數(shù)可控，缺點是輸入側(cè)功率因數(shù)低，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率低。

三、基本控制算法

交流勵磁結(jié)構(gòu)即雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)得到了非常廣泛的應(yīng)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(diào)速技術(shù)發(fā)生了一次質(zhì)的飛躍，應(yīng)用在雙饋調(diào)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(chǔ)是磁場定向原理，通過引入坐標變換，將原來復(fù)雜的雙饋電機模型等效為d-q模型的基礎(chǔ)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(diào)速的效果。

雙饋系統(tǒng)的矢量控制結(jié)構(gòu)通常將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和其他矢量之間的復(fù)雜關(guān)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)器控制定子的有功和無功。在該方案中，定義轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，定子磁鏈幅值的平方，定子磁鏈和轉(zhuǎn)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

矢量控制的雙饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能受電機參數(shù)影響，受到異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的啟發(fā)，有的學(xué)者致力于研究變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的直接功率控制。應(yīng)用在變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的直接功率控制不同于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制，它通過檢測定子端的量來控制轉(zhuǎn)子端的開關(guān)動作，但控制方法不使用轉(zhuǎn)子PWM電壓的積分，因此可以穩(wěn)定工作在零頻率附近，而且該方法不要位置傳感器以及對參數(shù)魯棒性強。不同于矢量控制技術(shù)，直接功率控制不需要復(fù)雜的坐標變換，而是通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相對于定子磁鏈位置，繼而可以通過有功功率和無功功率的PI調(diào)節(jié)器跟蹤參考值來控制發(fā)電機輸出的有功功率和無功功率。

四、其他研究熱點

除了上面提到的一些雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本控制策略以外，雙饋變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還有許多研究熱點包括：

1.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的軟并網(wǎng)軟解列研究

軟并網(wǎng)和軟解列是目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個重要部分。一般的，當電網(wǎng)容量比發(fā)電機的容量大得多的時候，可以不考慮發(fā)電機并網(wǎng)的沖擊電流，鑒于目前并網(wǎng)運行的發(fā)電機組已經(jīng)發(fā)展到兆瓦級水平，所以必須要限制發(fā)電機在并網(wǎng)和解列時候的沖擊電流，做到對電網(wǎng)無沖擊或者沖擊最小。

2.無速度傳感器技術(shù)在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的研究

近年，雙饋電機的無位置以及速度傳感器控制成了風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的一個重要研究方向，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中需要知道電機轉(zhuǎn)速以及位置信息，但是速度以及位置傳感器的采用提高了成本并且?guī)砹艘恍┎槐?。理論上可以通過電機的電壓和電流實時計算出電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)無速度傳感器控制。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，無傳感器控制帶來了以下優(yōu)點：采用無傳感器使發(fā)電機和逆變器之間連線消除，降低了系統(tǒng)成本，增強了控制系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性，另外可以減少了電機的軸向尺寸，降低硬件復(fù)雜性、總成本以及維護要求。

3.電網(wǎng)故障狀態(tài)下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不間斷運行等方面

并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的定子繞組連接電網(wǎng)上，在運行過程中，各種原因引起的電網(wǎng)電壓波動，跌落甚至短路故障會影響發(fā)電機的不間斷運行。電網(wǎng)發(fā)生突然跌落時，發(fā)電機將產(chǎn)生較高的瞬時電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率，可能造成發(fā)電機系統(tǒng)的機械損壞或熱損壞，所以三相電網(wǎng)電壓突然跌落時的系統(tǒng)持續(xù)運行控制策略的研究是目前研究熱點。

此外，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定以及無功極限方面也是目前研究的熱點。

五、QHVERT-DFIG-1500B風(fēng)力發(fā)電用變流器

北京清能華福風(fēng)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的適配于1.5MW級變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的QHVERT-DFIG-1500B型變頻器使用三相背靠背電壓型變流器，采用“基于雙DSP的全數(shù)字化矢量控制策略”技術(shù)對雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組進行勵磁，通過引入坐標變換，將轉(zhuǎn)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，從而實現(xiàn)對發(fā)電機有功和無功的解耦控制 從上面的介紹可以看出，我國的變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)用變流器的產(chǎn)業(yè)化工作正邁著堅實的步伐大踏步的前進著，這對實現(xiàn)兆瓦級風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的國產(chǎn)化有著重要而且積極的意義。

六、結(jié)束語

隨著變頻技術(shù)的蓬勃發(fā)展，變速恒頻異步發(fā)電技術(shù)特別是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得以快速實用，其單機容量已經(jīng)達到兆瓦級，迅速成為風(fēng)電場的主力機型。近二十年來，在風(fēng)力風(fēng)電的變頻技術(shù)上取得了許多非常有意義的成果，我國在變頻器的產(chǎn)業(yè)化上也取得了很大的進展。我們相信雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)必將在未來相當長一段時間在風(fēng)電領(lǐng)域扮演非常重要的角色。