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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。但风力发电系 统在技术和管理上都出现了一些特殊问题。随着电力电子技 术的飞速发展和广泛应用，风力发电技术也得到了长足的发 展。自20世纪80年代以来，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，使得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。此方法通过在双馈电机转子侧施加三相交流 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 力及稳定性。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、恒速恒频风力发电机组的并网控制技术 1.同步发电机的并网 在并网发电系统中普遍运用的同步发电机，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 已被电力系统广泛采用。不过，把它移植到风力发电机组使 用时，效果却不甚理想。这是由于风速随机变化，作用在转 子上的转矩很不稳定，使得并网时其调速性能很难达到期望 的精度。当重载情况下并网，若不进行有效的控制，常会发 生严重的无功振荡和失步，对系统造成严重的影响。用于 风力发电的同步发电机与电网并联运行时，常采用自动准同 步并网和自同步并网方式。前者由于风速的不确定性，通过 该方法并网比较困难；后者的并网操作相对简单，使并网在 短时间内完成，但要克服合闸时有冲击电流的缺点。常见的 的原理结构，如下图所示：

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。显然，风力发电机组配用异步发电机不仅控制装置简 单，而且并网后不会产生振荡和失步，运行非常稳定。然而 异步发电机并网也存在一些特殊问题，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；本身不发无功功率，需要无功补偿等等。所以运行时必 须采取相应的有效措施才能保障风力发电机组的安全运行。 基于异步发电机的风力发电机组总体结构如图2所示。

图3双馈异步发电机并网结构

交流励磁变速恒频发电机采用双馈型异步发电机，与传 统的直流励磁同步发电机及通常的异步发电机相比其并网过 程有所不同。同步发电机与电力系统之间为”刚性连接” 发电机输出频率完全取决于原动机的速度，与其励磁无关。 并网之前发电机必须经过严格的整步和（准）同步，并网后 也须严格保持转速恒定。异步发电机的并网对机组的调速精 度要求低，并网后不会震荡失步，但它们都要求在转速接近 同步速（90%～100%）时进行并网操作，对转速仍有一定的 限制。采用交流励磁后，双馈发电机和电力系统之间构成了 柔性连接”，即可根据电网电压和发电机转速来调节励磁 电流，进而调节发电机输出电压来满足并网条件，因而可在 变速条件下实现并网。 定子定压控制的目标是：要求定子电压与电网电压同频、 同相、同幅值。文献[3]、[4]里面，对定子电压控制的原理作 了详细的说明。如图4所示，由发电机系统输出的端电压 即定子观测器侧出的电压，经过3/2变换后得到静止坐标系 下的定子电压。然后通过极坐标变换(K/P），得到电压矢量的 位置角0。由于发电机定子磁链矢量w超前于定子端电压 U90°，所以经定子磁链观测器得到电压矢量U的相角0之 后，需要再加上90°即：0,=0+90”。经过这一角度转换，保 证了定子电压相位与电网电压相位的一致性。通过光电编码 器，测量得到转子的角速度0，，再经过积分器获得转子空间 位置角0，，用于进行随后的旋转坐标变换。再根据电网的信 息来调节变流器，从而使发电机输出电压符合并网的要求 2.变速恒频直驱型永磁同步风力发电机组的并网 在传统的变速恒频风力发电系统里，机械系统结构通常 包含三个主要部分：风力机，增速箱和发电机。风力机转速

在20一200r/min，而传统风力发电机转速为1000一 1500r/min，就意味着风力机和发电机之间必须用增速箱联 接。然而，增速箱不仅增加了机组的重量，而且会产生噪音 需要定期维护以及增加损耗等缺点，因此增加了风机的维护 成本。 在新型的变速恒频风力发电系统里，采用永磁同步发电 机直接联接风力机，能使风力机与发电机之间取消增速箱 成为无增速箱的直接驱动型，其结构如下图所示。

图5直接驱动风力发电结构图

在图5中，控制系统要对三个参数进行详细的分析。三 个参数分别为：1，发电系统检测出的功率(有功和无功功率）； 2，发电机转子的角速度；3，逆变器和电网之间，采用锁相环 PLL检测到的电网电压相位角。通过对以上三个参数的分析 得到风机转叶角度的控制方案，即对尖速比的最优控制，使 其得到最大的风能，也就是最大风能的捕获。直驱型永磁同 步发电机没有了励磁绕组，因而节省了电机的用铜量。永磁 同步电机结构简单，无电刷，无滑环，消除了转子损耗，运 行可靠，多应用于要求快速转矩相应的高性能运行场合。特 别在风力发电系统中，可做到风力机与发电机的直接耦合， 省去变速箱，提高可靠性，减少系统噪声，降低了维护成本。 3.无刷双馈发电机的并网 （1）无刷双馈电机 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。目前国内对无刷双馈电机的研究主要 还只是停留在对电机的原理、性能以及电机建模方面的一些 理论研究，很少进入实验研究阶段；国外对用于风力发电 上的无刷双馈发电机的研究，也不多见。 无刷双馈电机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。如下图所示：

图6无刷双馈电机的结构

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 用了无刷双馈发电机的控制方案后，除了可实现变速恒频控 制，降低变频器的容量外，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。发电机本身没有 滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可 靠性。相比于双馈异步发电机，无刷双馈发电机取消了电刷 和滑环，结构简单dbj61-48-2008标准下载，坚固可靠，适于风力发电这样恶劣工作 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7无刷双馈变速恒频风力发电系统的原理图

（2）无刷双馈变速恒频风力发电机系统 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地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。在文献[7] 中，给出了一个变速恒频的控制系统。在这控制系统当中， 它采用DSP进行信号的快速处理。它根据所要求的控制策 略，由测量电机的参数，如：主副绕组电压和电流、变频器 直流侧电压以及电机转速，计算对控制绕组双向变频器应当 施加的控制信号，通过PWM驱动电路控制变频器的输出。 在该系统中，变频器可采用矩阵式变换器。文献[8]、[9]里对 矩阵变换器的性能和设计作出了详细的研究。由于该变换器 能够实现能量的双向流动，其容量仅为电机容量的几分之一。 矩阵变换器能够在四象限运行，能量可双向流动，并取消了 大容量的储能器件，使该变换器较传统交直交的变换器更加 紧凑，便于与电机集成在一起，另外通过适当的调制，可使

何智星等：风力发电机组并网控制技术研究

矩阵变换器的输入电流波形接近正弦波，减小对电网的谐波 污染。基于矩阵变换器的上述优点，把它应用到无刷双馈变 速恒频风力发电系统中，能减少发电机系统的成本，提高输 出的电能质量。可见，基于矩阵变换器的无刷双馈变速恒频 风力发电系统具有非常理想的发展前景。 （3）无刷双馈电机空载并网控制 传统的风力发电机组多采用异步发电机，并网时对电网 的冲击较大。与双馈电机类似，无刷双馈电机可通过对转子 励磁电流的调节，实现软并网，避免并网时发生的电流冲击 和过大的电压波动。变速恒频风力发电机空载并网控制的实 质是根据电网的信息来调节发电机的励磁，使发电机输出电 压符合并网的要求。因此，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电压的频率、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，满足了并 网的条件时自动并网运行。 四、结束语 通过上述并网控制技术的对比，在采用双馈异步发电机 交流励磁变速恒频风力发电系统中，发电机和电网之间是 种柔性连接，尤其对无刷双馈电机而言，对发电机转子侧交 流励磁电流的调节与控制，就可在变速运行的任何转速下满 足并网条件，实现变速恒频无冲击电流的高效并网。其励磁 绕组与电网间的双向变频器功率，仅为发电机系统的一小部 分功率。可以预见，在未来几年内，无刷双馈电机在变速恒 频发电系统中将会获得厂泛的应用，对至国的风力发电等机 电产品的更新换代起推动作用，产生显著的经济和社会效益。