變頻技術(shù)變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用（2）
2.多標(biāo)量控制
基于多標(biāo)量模型的雙饋電機(jī)控制方法通過多標(biāo)量模型變換電機(jī)系統(tǒng)到兩個(gè)獨(dú)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(diǎn)積四個(gè)標(biāo)量，并根據(jù)上述四個(gè)標(biāo)量電機(jī)的微分方程，在忽略定子電阻的情況下，對(duì)定子磁通做歸一化處理后，電機(jī)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(jī)參數(shù)影響，受到異步電機(jī)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(cè)定子端的量來控制轉(zhuǎn)子端的開關(guān)動(dòng)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(duì)參數(shù)魯棒性強(qiáng)。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(biāo)變換，而是通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相對(duì)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(jī)輸出的有功功率和無功功率。
四、其他研究熱點(diǎn)
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?zhàn)兯俸泐l異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還有許多研究熱點(diǎn)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(gè)重要部分。一般的，當(dāng)電網(wǎng)容量比發(fā)電機(jī)的容量大得多的時(shí)候，可以不考慮發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的沖擊電流，鑒于目前并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組已經(jīng)發(fā)展到兆瓦級(jí)水平，所以必須要限制發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)和解列時(shí)候的沖擊電流，做到對(duì)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(jī)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(gè)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(jī)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(jī)的電壓和電流實(shí)時(shí)計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)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(diǎn)：采用無傳感器使發(fā)電機(jī)和逆變器之間連線消除，降低了系統(tǒng)成本，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性，另外可以減少了電機(jī)的軸向尺寸，降低硬件復(fù)雜性、總成本以及維護(hù)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(yùn)行等方面
并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的定子繞組連接電網(wǎng)上，在運(yùn)行過程中，各種原因引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)，跌落甚至短路故障會(huì)影響發(fā)電機(jī)的不間斷運(yùn)行。電網(wǎng)發(fā)生突然跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生較高的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率，可能造成發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械損壞或熱損壞，所以三相電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)的系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行控制策略的研究是目前研究熱點(diǎn)。
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(diǎn)。
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(jí)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(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵(lì)磁，通過引入坐標(biāo)變換，將轉(zhuǎn)子交流量分解成有功分量和無功分量，并對(duì)之進(jìn)行閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)有功和無功的解耦控制。其主回路如圖2所示。
QHVERT-DFIG-1500B變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器通過對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行勵(lì)磁。雙饋發(fā)電機(jī)的定子側(cè)輸出與電網(wǎng)電壓頻率和相位相同，并且可根據(jù)需要進(jìn)行有功和無功的獨(dú)立解耦控制。QHVERT-DFIG-1500B型變流器控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟并網(wǎng)發(fā)電，減小雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)沖擊電流對(duì)電機(jī)和電網(wǎng)造成的不利影響。QHVERT-DFIG-1500B型變流器提供多種通信接口，用戶可利用這些接口方便的實(shí)現(xiàn)變流器與風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)控制器及風(fēng)場遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的集成控制。
圖3至圖5為在上海某電機(jī)廠地面實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)波形，圖中從上到下，依次為CH1-CH6，CH1為電網(wǎng)電流A相，流向電網(wǎng)為正；CH2為定子電流A相，定子繞組流出為正；CH3為轉(zhuǎn)子電流A相，變流器流出為正；CH4為整流電流A相，流入變流器為正；CH5為電網(wǎng)電壓BC相，（CH9）CH6為定子電壓BC相。
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(jiān)實(shí)的步伐大踏步的前進(jìn)著，這對(duì)實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)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(shí)用，其單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到兆瓦級(jí)，迅速成為風(fēng)電場的主力機(jī)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(jìn)展。我們相信雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電技術(shù)必將在未來相當(dāng)長一段時(shí)間在風(fēng)電領(lǐng)域扮演非常重要的角色。(end)
基于多標(biāo)量模型的雙饋電機(jī)控制方法通過多標(biāo)量模型變換電機(jī)系統(tǒng)到兩個(gè)獨(dú)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(diǎn)積四個(gè)標(biāo)量，并根據(jù)上述四個(gè)標(biāo)量電機(jī)的微分方程，在忽略定子電阻的情況下，對(duì)定子磁通做歸一化處理后，電機(jī)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(jī)參數(shù)影響，受到異步電機(jī)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(cè)定子端的量來控制轉(zhuǎn)子端的開關(guān)動(dòng)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(duì)參數(shù)魯棒性強(qiáng)。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(biāo)變換，而是通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相對(duì)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(jī)輸出的有功功率和無功功率。
四、其他研究熱點(diǎn)
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?zhàn)兯俸泐l異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還有許多研究熱點(diǎn)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(gè)重要部分。一般的，當(dāng)電網(wǎng)容量比發(fā)電機(jī)的容量大得多的時(shí)候，可以不考慮發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的沖擊電流，鑒于目前并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組已經(jīng)發(fā)展到兆瓦級(jí)水平，所以必須要限制發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)和解列時(shí)候的沖擊電流，做到對(duì)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(jī)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(gè)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(jī)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(jī)的電壓和電流實(shí)時(shí)計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)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(diǎn)：采用無傳感器使發(fā)電機(jī)和逆變器之間連線消除，降低了系統(tǒng)成本，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性，另外可以減少了電機(jī)的軸向尺寸，降低硬件復(fù)雜性、總成本以及維護(hù)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(yùn)行等方面
并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的定子繞組連接電網(wǎng)上，在運(yùn)行過程中，各種原因引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)，跌落甚至短路故障會(huì)影響發(fā)電機(jī)的不間斷運(yùn)行。電網(wǎng)發(fā)生突然跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生較高的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率，可能造成發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械損壞或熱損壞，所以三相電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)的系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行控制策略的研究是目前研究熱點(diǎn)。
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(diǎn)。
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(jí)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(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵(lì)磁，通過引入坐標(biāo)變換，將轉(zhuǎn)子交流量分解成有功分量和無功分量，并對(duì)之進(jìn)行閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)有功和無功的解耦控制。其主回路如圖2所示。
QHVERT-DFIG-1500B變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器通過對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行勵(lì)磁。雙饋發(fā)電機(jī)的定子側(cè)輸出與電網(wǎng)電壓頻率和相位相同，并且可根據(jù)需要進(jìn)行有功和無功的獨(dú)立解耦控制。QHVERT-DFIG-1500B型變流器控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟并網(wǎng)發(fā)電，減小雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)沖擊電流對(duì)電機(jī)和電網(wǎng)造成的不利影響。QHVERT-DFIG-1500B型變流器提供多種通信接口，用戶可利用這些接口方便的實(shí)現(xiàn)變流器與風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)控制器及風(fēng)場遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的集成控制。
圖3至圖5為在上海某電機(jī)廠地面實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)波形，圖中從上到下，依次為CH1-CH6，CH1為電網(wǎng)電流A相，流向電網(wǎng)為正；CH2為定子電流A相，定子繞組流出為正；CH3為轉(zhuǎn)子電流A相，變流器流出為正；CH4為整流電流A相，流入變流器為正；CH5為電網(wǎng)電壓BC相，（CH9）CH6為定子電壓BC相。
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(jiān)實(shí)的步伐大踏步的前進(jìn)著，這對(duì)實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)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(shí)用，其單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到兆瓦級(jí)，迅速成為風(fēng)電場的主力機(jī)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(jìn)展。我們相信雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電技術(shù)必將在未來相當(dāng)長一段時(shí)間在風(fēng)電領(lǐng)域扮演非常重要的角色。(end)
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