摘要：风力发电是一种再生清洁能源，无污染物的排放，不消耗化石燃料。风力发电机组的配套设备较少，装机投产规模灵活，受制约条件较少。现有技术投入使得风力发电机组运行稳定可靠，寿命高于火力发电机组。而在其工作中，变频技术本着其一定的特点几优势，在风电设备中得到了广泛应用，实现了真正意义上的低碳与节能，在安全上也有着重要的意义。因此，本文就将着重分析探讨变频技术在风电设备中的具体应用。
关键词：变频技术；风力发电；应用
1 前言
变频技术的诞生不仅在很大程度上改变了我们的生活，与此同时在工业生产上更是带来了巨大的便利。变频技术的操作原理指的是在电压不变的前提下，通过改变交流电频率的方式，来实现对设备的自动化控制。其中变频器是通过利用电力半导体器件的通断作用将频率无法改变的交流电转换成了可以改变的交流电，从而实现了变频调速。
2 变速恒频双馈异步风力发电机系统主要的实现手段之一是对其转子进行交流励磁变换控制。交流励磁控制方式常见的变频装置主要有双PWM变换器(两电平电压型双PWM变换器)、交—直—交电压源和电流源并联型变频器、交—交直接变频器和矩阵式变换器等几种。双PWM变换器是通过直流母线连接两个完全相同的两电平电压型三相PWM变换器组成。在设备运行中，两个PWM变换器的状态来回变换。它主要的优点有:技术成熟，并且市面上具有相应的功率模块，使用成本低，软硬件开发周期短;两个变换器能够无干扰的独立控制，对电网故障的适应性较强;电压型的PWM变换器能够较强的控制输出电压等。缺点是使用寿命相对短、需要在网侧PWM变换器处加谐波滤波器、功率开关器件的损耗较大。
交—直—交电压源和电流源并联型变频器中电流源作为主变换器，承担主要的功率流动且其功率元器件的开关频率很低;电压源作为辅助变换器，起辅助作用，流经其功率元器件的电流少。这种变频器的最大优势是能够减少开关的功率损耗。功率开关采用晶闸管的电流型交直交变频器，其直流侧的电感较为昂贵且在转差频率低的情况下性能一般。此类变频器由多个独立的变频器构成，每一个都有自己的独立控制系统，使得控制软件变得复杂及硬件成本大大提高。
交—交直接变频器的开关器件选择是晶闸管，主要利用晶闸管在交流电压的正负变化时导通和关断的性能;这种依据电压相变控制，实现交—交变频器的变压变频，运行可靠稳定。其特点是输出电压仅有一些较小的谐波产生，并且其频率低于交流电源的输入电压频率，适合工作在功率大频率低的范围内。不足之处在电压输出低时，功率因数也低，且有较多难以抑制的高次谐波，输出频率低，变化范围窄，控制电路复杂。
矩阵式变换器属于交—交直接变频器的一种，能够获得双向输入电流及频率可调节的输出电压波形。矩阵式变换器中功率开关所受热应力均等，能够很好处理散热问题。但是缺点有其电压传输比不高，最大输出电压能力低，功率开关耐压力差;换流时两个功率开关的关断和打开之间存在时间差，造成刹那间的短路，需要另选方法解决。
上述讨论的四种常见的交流励磁控制方式各有优缺点，综合比较，我们可以选定双PWM变频方式作为交流励磁控制的变换器。
3 控制算法
在双馈变速恒频风力发电系统，发电机转子采用两电平电压型双PWM变频方式进行交流励磁变换控制，可以完成风力发电机组在较大风速范围内捕获外界风能和调节定子的输出功率。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆完整的双PWM变换器交流励磁变速恒频风力发电系统还包含有两个控制单元即网侧PWM变换器和转子侧PWM变换器，网侧PWM变换器的功能主要是稳定控制直流电压和获得最佳的输入性能;而整个变速恒频风力发电系统高性能是通过转子侧PWM变换器的控制是否有效获得的。
3.1 网侧变换器电流调节控制算法
网侧变换器电流调节控制选用PR控制器(即由比例环节和广义积分环节组成)，因为它能实现补偿低次谐波，且无需坐标变换就可对输入的交流信号进行无稳态误差跟踪。直流母线电压经前期短时间调节后达到持续稳定状态，完成稳定网侧PWM变换器直流电压的任务。我们分别取不含谐波补偿和包含谐波补偿的稳定电网电流，经过对其进行时域及频域分析，对比电网电流频谱图验证PR控制器具有良好的谐波补偿性能。
3.2 转子侧PWM变换器的控制算法
转子侧PWM变换器的控制的主要任务是能够完成对风力发电机有用功率和无用功率的解耦。我们选择控制策略为自适应PR控制。自适应PR控制能够在无需坐标变换的情况下无静差的调节其设置的谐振频率的交流信号，实现对转子电流的自适应调节。
为了能够使系统实现捕获最大风能，转子电流d、q轴分量指令由功率外环给定，经过MATLAB仿真，我们可以得出发电机转子电流能够快速的跟踪给定值的变化。自适应PR控制方略能够完成对风力发电机有用功率和无用功率的解耦。对控制策略进行仿真研究，结果表明，双PWM变频方式作为交流励磁控制结合适合的控制技术能够有效的抑制直流母线电压波动，解耦风力发电机有用/无用功率，提高风电设备运行的可靠性，提升发电效率。
4 变频技术的应用及发展前景
变频节能技术主要在交流异步电动机中应用的最为广泛，交流异步电动机主要通过对机械负载进行拖动而产生一定的功率，对交流异步电动机进行变频调速主要是通过电机在磁场中的转速进行相应的调整，在不改变转差率的情况下来达到节能的目的。对于交流的电动机而言，要保证电机恒转矩输出，就要保证在电机的定子侧通过旋转磁场的作用进行电机功率的输出，并且使得功率的输出达到相应的转子侧，电机在整个功率的输送过程中保持恒定的数值，如果对转子回路中的电阻进行增大，就会有效的降低相应的转速，进而产生一定的功率损耗。通常情况下，变频节能技术的核心部分就是变频器，而应用变频节能技术的主要目的就是有效的节约能源。
而变频节约能源的主要引用领域就是在工业生产领域中。因为在工业领域对于能源的使用量相对加大，因此通过应用变频节能技术来对工业生产中的机械运行电能进行有效的节约，进而能够节省大量的能源。节能的主要手段就是通过对运转的电机进行运转速率的调整，但是调整的精度没有特别严格的要求，这样就可以更容易实现。
而目前工业生产领域中的电机，因为是恒转速的异步电机，因此在对其变频调速的过程中，将变频器介入到电网中即可。这样就能够通过变频器来对电机的运转速率进行相应的调整，进而达到节能的目的。对电机进行调速的过程中，虽然调速的方法有很多种，但是归其本质主要就是对交流电机进行同步转速的调整和不调整两种方式。在工业生产领域中，通常采用的都是不调整交流异步电机的同步转速这种方式，这种方式主要是通过对交流异步电机中的转子串电阻进行调整、串级调速等途径实现同步转速的调整。
5 结语
本文对双PWM变换器交流励磁变速恒频风力发电系统的两个控制单元——网侧PWM变换器和转子侧PWM变换器进行了控制策略分析及仿真，取得了很好的效果。随着能源变革不断深入，变频技术不断发展，我们相信变频技术在风电设备领域的应用会在很长一段时间起到至关重要的作用。
参考文献
[1]杨征.变频技术在机电设备控制中的应用[J].现代企业教育，2014，24:568-569.
[2]王践伟.浅析变频技术在煤矿机电设备中的应用[J].山东煤炭科技，2012，05:233-234.
论文作者:于强
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/11
标签：变换器论文; 电压论文; 功率论文; 转子论文; 变频器论文; 电流论文; 谐波论文; 《电力设备》2017年第32期论文;