摘要：变速恒频异步风力发电技术，特别是双馈异步发电技术中到了广泛应用。本文阐述变频技术风力发电系统应用基础上，对变速恒频异步风力发电系统不同拓扑结构和控制策略进行了分析，并介绍了变速恒频双馈异步风力发电技术研究热点以及北京清能华福风电技术有限公司产品QHVERT-DFIG-1500B型变流器。 

　关键字：、变速恒频、变频技术 

　一、引言 

　中国风能资源十分丰富，目前已经探明风能储量约为3226GW，其中可利用风能约为253GW，主要分布西北、华北和东北草原和戈壁以及东部和东南沿海及岛屿上。统计，截至到2006年底，中国大陆区已建成并网型风电场91座，累计运行风力发电机组3311台，总容量达259.9万kW（以完成整机吊装作为统计依据）。已经建成并网发电风场主要分布新疆、内蒙、广东、浙江、辽宁等16个省区。电监会公布数据，截至2006年底,中国发电装机容量达到62200万kW，风力发电占全国总装机容量0.42%。截至到2006年底，全世界总风电装机容量已经达到7390.4万kW，其中德国总装机容量2062.2万kW，位居世界{dy}，中国2006年风电新增装机容量仅次于美国、德国、印度和西班牙，列第五位；总装机容量列世界第六位。，风力发电将成为我国{zj1}大规模开发前景新能源之一。 

　风力发电系统主要有恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。恒速恒频风力发电系统一般使用同步电机鼠笼式异步电机作为发电机，定桨距失速控制风轮机使发电机转速保持恒定数值继而保证发电机端输出电压频率和幅值恒定，其运行范围比较窄，只能一定风速下捕获风能，发电效率较低。变速恒频风力发电系统一般采用永磁同步电机双馈电机作为发电机，变桨距控制风轮使整个系统很大速度范围内{zj0}效率运行，是目前风力发电技术发展方向。风机来说，其调速范围一般同步速50%～150％之间，采用普通鼠笼异步电机系统永磁同步电机系统，变频器容量要求与所拖动发电机容量相当，这是非常不经济。双馈异步风力发电系统定子和电网直接相连接，转子和功率变换器相连接，变换器功率仅仅是转差功率，这是各种传动系统中效率比较高，该结构适合于调速范围不宽风力发电系统，尤其是大、中容量风力发电系统。 

　本文将从变速恒频异步风力系统拓扑结构及其控制技术两个方面对变频技术风力发电中应用进行综述，以反映变频技术风力发电中发展情况。 

　二、变速恒频异步风力发电系统拓扑。 

　采用绕线异步电机作为发电机并对其转子电流进行控制，是变速恒频异步风力发电系统主要实现形式之一。主要拓扑结构包括交流励磁控制，转子斩波调阻以及由上述两种拓扑结构结合发展而来混合结构。 

　1.交流励磁结构 

　交流励磁控制变频装置向转子提供三相滑差频率电流进行励磁，这种方式变频装置通常使用交交变频器，矩阵变换器或交直交变频器。 

　交交变频器采用晶闸管自然换流方式，工作稳定，可靠，适合作为双馈电机转子绕组，交交变频{zg}输出频率是电网频率1/3-1/2，大功率低频范围有很大优势。交交变频没有直流环节，变频效率高，主回路简单，不含直流电路及滤波部分，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈容易。交交变频双馈系统到了普遍应用，但因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄，使用元件数量多使之应用受到了一定限制。 

　矩阵式变频器是一种交交直接变频器，由九个直接接于三相输入和输出之间开关阵组成。矩阵变换器没有中间直流环节，输出由三个电平组成，谐波含量比较小；其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控正弦负载电压；矩阵变换器输入功率因数可控，可四象限工作。矩阵变换器有很多优点，其换流过程中不允许存两个开关同时导通关断现象，实现起来比较困难。矩阵变换器{zd0}输出电压能力低，器件承受电压高也是此类变换器一个很大缺点。应用风力发电中，矩阵变换器输入输出不解耦，即是负载电源侧不对称都会影响到另一侧。另外，矩阵变换器输入端必须接滤波电容，其电容容量比交直交中间储能电容小，但它们是交流电容，要承受开关频率交流电流，其体积并不小。 

　交直交变频器又可以分为电压型和电流型两种，控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。传统电流型交直交变频器采用自然换流晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，应用于双馈调速中，过同步速时需要换流电路，低转差频率条件下性能也比较差，双馈异步风力发电中应用不多。采用电压型交直交变频器这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点，可以明显改善双馈发电机运行状态和输出电能质量，该结构直流母线侧电容xx实现了网侧和转子侧分离。电压型交直交变频器双馈发电机定子磁场定向矢量控制系统，实现了基于风机{zd0}功率点跟踪发电机有功和无功解耦控制，是目前变速恒频风力发电一个代表方向。 

　此外，还有一种并联交直交逆变器拓扑结构。这种结构主要思想是一个交直交电流型和一个交直交电压型变频器并联，电流型逆变器作为主逆变器负责功率传输，电压型逆变器作为辅逆变器负责补偿电流型逆变器谐波。这种结构主逆变器有较低开关频率，辅逆变器有较低开关电流。同上面提到交直交电压型逆变器相比较，该拓扑结构具有低开关损耗，整个系统效率比较高。其缺点也是显而易见，大量电力电子器件使用导致成本上升以及更加复杂控制算法，另外该种结构电压利用率比较低。 

　2.斩波调阻结构 

　上个世纪90年代中期丹麦Vestas公司采用了一种转子电流控制结构（OptiSlip），也称为斩波调阻结构，如图1所示。这种结构基本思想是采用一个可控电力电子开关，以固定载波频率PWM方法控制绕线电机转子回路中附加电阻接入时间长短，调节转子电流幅值，控制滑差约10%范围之内。该结构依靠外部控制器给出电流基准值和电流测量值计算出转子回路电阻值，电力电子器件导通和关断来调整转子回路电阻值。这种结构电力电子装置机构相对简单，其定子侧功率因数比较低，且只能发电机同步转速以上运行，是一种受限制变速恒频系统。 

　3.混合结构

　降低变流器成本能够实现风力发电系统宽转速范围运行，有文献提出一种基于双馈电机斩波调阻与交流励磁控制策略多功能变流器拓扑结构，将整流器、斩波器和逆变器结合一起，该结构巧妙之处斩波器和逆变器共用了一组可控电力电子开关，引入了四个接触器型受控开关，导致该结构主回路结构复杂，很难实现同步速切换过程过渡，高于同步速运行情况下难以改善发电机功率因数。此外，还有文献提出了新型转子电流混合控制电路拓扑结构及其控制策略，该控制方法兼备交流励磁控制和转子斩波调阻法优点，能显著降低转子变流器硬件成本以及控制技术复杂性，可以实现发电机宽转速范围运行，无需同步速点过渡，整个允许速度范围内都可以进行定子输出有功、无功功率独立调节，同时发电机输出功率因数可控，缺点是输入侧功率因数低，风能转换效率低。

　三、基本控制算法

　交流励磁结构即双馈变速恒频风力发电系统到了非常广泛应用，其发展过程中出现了很多控制策略，主要包括矢量控制、标量控制以及直接功率控制等。

　1.矢量控制

　德国工程师F.Blashke上世纪七十年代提出矢量控制原理，使交流调速技术发生了一次质飞跃，应用双馈调速上，获了令人振奋动静态性能。矢量控制理论基础是磁场定向原理，引入坐标变换，将原来复杂双馈电机模型等效为d-q模型基础上，对坐标轴交叉耦合信号进行有效补偿，可以到类似直流调xx果。

　双馈系统矢量控制结构通常将转子交流量分解成有功分量和无功分量，并对之进行闭环控制。通常简化双馈矢量控制系统电磁转矩和其他矢量之间复杂关系，需要使坐标轴定向某个矢量上。一般，双馈系统可以选择定向矢量为定子磁链、气隙磁链、定子电压以及转子电流等。其中，比较常用是以定子磁链和气隙磁链为定向矢量控制方法。

　2.多标量控制

　基于多标量模型双馈电机控制方法多标量模型变换电机系统到两个独立线性子系统中，利用PI调节器控制定子有功和无功。该方案中，定义转子转速，定子磁链幅值平方，定子磁链和转子电流叉积和点积四个标量，并上述四个标量电机微分方程，忽略定子电阻情况下，对定子磁通做归一化处理后，电机有功功率以及无功功率可以解耦控制。

　3.直接功率控制

　矢量控制双馈系统结构复杂，性能受电机参数影响，受到异步电机直接转矩控制启发，有学者致力于研究变速恒频发电系统直接功率控制。应用变速恒频发电系统直接功率控制不同于传统直接转矩控制，它检测定子端量来控制转子端开关动作，但控制方法不使用转子PWM电压积分，可以稳定工作零频率附近，该方法不要位置传感器以及对参数鲁棒性强。不同于矢量控制技术，直接功率控制不需要复杂坐标变换，控制转子磁链幅值和相定子磁链位置，继而可以有功功率和无功功率PI调节器跟踪参考值来控制发电机输出有功功率和无功功率。

　四、其他研究热点

    上面提到一些双馈异步风力发电系统基本控制策略以外，双馈变速恒频异步风力发电系统还有许多研究热点包括：

　1.风力发电系统软并网软解列研究

　软并网和软解列是目前风力发电系统一个重要部分。一般，当电网容量比发电机容量大多时候，可以不考虑发电机并网冲击电流，鉴于目前并网运行发电机组已经发展到兆瓦级水平，必须要限制发电机并网和解列时候冲击电流，做到对电网无冲击冲击最小。

　2.无速度传感器技术双馈异步风力发电系统应用研究

　近年，双馈电机无位置以及速度传感器控制成了风力发电领域一个重要研究方向，双馈异步风力发电系统中需要知道电机转速以及位置信息，速度以及位置传感器采用提高了成本带来了一些不便。理论上可以电机电压和电流实时计算出电机转速，实现无速度传感器控制。风力发电系统中，无传感器控制带来了以下优点：采用无传感器使发电机和逆变器之间连线xx，降低了系统成本，增强了控制系统抗干扰性和可靠性，另外可以减少了电机轴向尺寸，降低硬件复杂性、总成本以及维护要求。

　3..电网故障状态下风力发电系统不间断运行等方面

　并网型双馈风力发电机系统定子绕组连接电网上，运行过程中，各种原因引起电网电压波动，跌落短路故障会影响发电机不间断运行。电网发生突然跌落时，发电机将产生较高瞬时电磁转矩和电磁功率，可能造成发电机系统机械损坏或热损坏，三相电网电压突然跌落时系统持续运行控制策略研究是目前研究热点。

　此外，双馈风力发电系统频率稳定以及无功极限方面也是目前研究热点。

　五、QHVERT-DFIG-1500B风力发电用变流器

　北京清能华福风电技术有限公司生产适配于1.5MW级变速恒频双馈异步风力发电系统QHVERT-DFIG-1500B型变频器使用三相背靠背电压型变流器，采用“基于双DSP全数字化矢量控制策略”技术对双馈风力发电机转子绕组进行励磁，引入坐标变换，将转子交流量分解成有功分量和无功分量，并对之进行闭环控制，实现对发电机有功和无功解耦控制。其主回路如图2所示：

　QHVERT-DFIG-1500B变速恒频双馈异步风力发电机变流器对双馈风力发电机转子侧进行励磁。双馈发电机定子侧输出与电网电压频率和相位相同，可需要进行有功和无功独立解耦控制。QHVERT-DFIG-1500B型变流器控制双馈风力发电机实现软并网发电，减小双馈风力发电机并网冲击电流对电机和电网造成不利影响。QHVERT-DFIG-1500B型变流器提供多种通信接口，用户可利用这些接口方便实现变流器与风力机系统控制器及风场远程监控系统集成控制。

　图3至图5为上海某电机厂面实验试验波形，图中从上到下，依次为CH1-CH6，CH1为电网电流A相，流向电网为正；CH2为定子电流A相，定子绕组流出为正；CH3为转子电流A相，变流器流出为正；CH4为整流电流A相，流入变流器为正；CH5为电网电压BC相，（CH9）CH6为定子电压BC相。

　从上面介绍可以看出，我国变速恒频双馈异步风力发电系统用变流器产业化工作正迈着坚实步伐大踏步前进着，这对实现兆瓦级风力发电设备国产化有着重要积极意义。

　六、结束语

　变频技术蓬勃发展，变速恒频异步发电技术特别是双馈异步风力发电技术以快速实用，其单机容量已经达到兆瓦级，迅速成为风电场主力机型。近二十年来，风力风电变频技术上取了许多非常有意义成果，我国变频器产业化上也取了很大进展。我们相信双馈变速恒频风力发电技术必将未来相当长一段时间领域扮演非常重要角色。