大功率风力发电机组并网控制技术的研究
摘要：本文综合了几种常用风力发电机的并网控制技术，分析比较了它们各自应用于风力发电上的优缺点，并指出风力发电技术今后的发展趋势为：无刷双馈发电机将在变速恒频风力发电系统中得到广泛应用，最后对在鄱阳湖风力发电机组中应用无刷双馈发电机的具体案例进行了分析。
关键词：风力发电 并网技术 无刷双馈电机
一． 引言
近年来，全球化能源危机日趋严重，资源短缺和环境恶化，使各国开始重视开发和利用可再生、无污染的能源。风能，是当今可再生的、资源丰富的清洁能源。由于电力电子技术的飞速发展和广泛应用，使许多新的风力发电系统技术不断提出，如异步发电机、同步发电机、磁阻电机等，但由于这些系统成本比较高，在增加风能捕获能力的同时，要求系统增加更多成本，是的额外的捕获风能变得意义不大。目前，交流励磁变速恒频发电技术在理论上是最优化的一种调节技术。此方法通过在双馈发机转自侧施加三相交流电进行励磁，来调节励磁电流的幅值、频率和相位，使定子侧输出恒频恒压。这样不但可以大大提高能量转换效率，还能实现有功和无功功率的解耦控制，提高电力系统的调节能力和稳定性。因此，运用该技术进行风力发电系统的并网控制，具有非常重要的意义。
二．风力发电机组的并网控制技术
1. 同步发电机组的并网
在并网发电系统中普遍应用的是同步发电机。它在运行中，既能输出有功功率，又能提供无功功率，输出的电能质量高，已被电力系统广泛应用。不过，把它移植到风力发电机组使用时，效果却不够理想，这是因为风速随机变化，作用在转子上的转矩很不稳定，
使得并网时其调速性能达不到期望的精度，使得并网比较难。图1为其常见的原理图。
图1 同步发电机并网结构图
2. 异步发电机的并网
异步发电机投入运行时，由于靠转差率来调整负荷，因此对机组的调速精度要求不高，只要转速接近同步转速就可并网，而且并网后不会产生震荡和失步，运行非常稳定。同时也存在一些问题，如直接并网时产生的过大冲击电流造成电压大幅度下降，对系统安全运行构成威胁；它本身不发无功功率，需要无功补偿等。图2为其总体发电结构图。
图2 异步电机并网结构图
3. 无刷双馈发电机的并网
无刷双馈电机（BDFM）作为一种新型电机，结构与运行机理异于传统电机。它的定子上有两套级数不同的绕组。一个为功率绕组，直接接电网；另一个为控制绕组，通过双向变频器接电网。其转子结构为笼型结构，无需电刷和滑环，但流过定子励磁绕组的功率仅为无刷双馈电机总功率的一小部分。采用无刷双馈发电机的控制方案后，不仅可实现变速恒频控制，降低变频器的容量，还可在矢量控制策略下实现有功和无功的灵活控制，起到无功补偿的作用。无刷双馈发电机取消了电刷和滑环，结构简单，坚固可靠，适用于风力发电的工作环境，保障了并网后风力发电机组的安全运行。输出侧直接接电网而不经过变频器，使得并网后的电能质量更好。图3为无刷双馈电机风力发电系统的原理图。
图3 无刷双馈电机风力发电系统的原理图
如上图所示，无刷双馈发电机的变速恒频控制，就是根据风力机转速的变化相应的控制转子励磁电流的频率，使无刷双馈发电机输出的电压频率与电网保持一致。传统的风力发电机组多采用异步发电机，并网时对电网的冲击大，而无刷双馈发电机可通过对转子励磁电流的控制，实现软并网，避免并网时发生电流冲击和电压波动。在并网前用电压传感器分别检测出电网和发电机功率绕组的频率、幅值、相位和相序，并通过双向变流器调节控制绕组的励磁电流，使功率绕组输出的电压与电网相应电压频率、幅值和相位一致，这就满足了自动并网运行。
三． 无刷双馈发电机在鄱阳湖风力发电机组中的应用
1. 无刷双馈发电机的发电系统原理图
图4 无刷双馈发电机的发电系统原理图
由图4可知，整个发电系统由风机、齿轮箱、无刷双馈发电机、变换器及其控制构成。其中无刷双馈发电机和变换器是发电系统的主要部分。
2. 变换器电路的结构
图5为变换器的结构图。
图5 变换器电路拓扑结构
3. 发电系统的网侧变换器
图6为网侧变换器的结构图。
图6 变换器的结构图
由图可知，变流器结构包括6个电力电子开关器件组成的逆变环节、输出滤波器和其它辅助控制环节。
4. 无刷双馈电机调速系统的仿真
（1）仿真模型的建立
图7为假想的鄱阳湖风力发电机组调速系统的仿真模型。由该图可知，本系统是双闭环串级调速系统，它由速度调节器、电流调节器、触发电路、速度变换等部分组成，其中整流器和逆变器是主要电能转换部分。
图7 无刷双馈电机的调速系统仿真模型
其中子系统为变流器和电机部分的仿真图。结构如图8所示。
图8 变流器及电机的仿真模型
（2）仿真结果
参数设置：假定给定转速n=1500r/min,转矩T=15N*m,电压u=220v交流电。仿真结果如图9所示。从上到下为转速n和转子电流i的波形。由图可知，在1s时进行了调速，使转速n下降，转子电流i基本保持不变。
图9 仿真结果
四． 结论
本文对三种不同的大功率风力发电机组并网控制技术进行了分析，指出了它们各自的优缺点。在此基础上，提出无刷双馈发电机将在变速恒频风力发电领域得到广泛的应用。最后，假想无刷双馈发电机在鄱阳湖风力发电机组中的应用，并对此进行了分析，还对无刷双馈发电机的双闭环串级调速系统进行了仿真研究。由仿真结果可知，发电机转速急速上升并趋于稳速运行，在t=1s时另加一突增恒值负载，发电机转速即可下落，直到与此负载相对应的转速便稳定运行。这说明系统实际速度能够实现对给定输入与扰动输入信号的良好跟踪。由于采用PI调节器的转速—电流双闭环结构，具有良好的动态过程。
