一、引言 中國的風(fēng)能資源十分豐富，目前已經(jīng)探明的風(fēng)能儲量約為3226GW，其中可利用風(fēng)能約為253GW，主要分布在西北、華北和東北的草原和戈壁以及東部和東南沿海及島嶼上。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至到2006年底，中國大陸地區(qū)已建成并網(wǎng)型風(fēng)電場91座，累計(jì)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3311臺，總?cè)萘窟_(dá)259.9萬kW（以完成整機(jī)吊裝作為統(tǒng)計(jì)依據(jù)）。已經(jīng)建成并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)場主要分布在新疆、內(nèi)蒙、廣東、浙江、遼寧等16個(gè)省區(qū)。根據(jù)電監(jiān)會公布的數(shù)據(jù)，截至2006年底,中國發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到62200萬kW，風(fēng)力發(fā)電占全國總裝機(jī)容量的0.42%。截至到2006年底，全世界總風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到7390.4萬kW，其中德國總裝機(jī)容量2062.2萬kW，位居世界第一，中國2006年風(fēng)電新增裝機(jī)容量僅次于美國、德國、印度和西班牙，列第五位；總裝機(jī)容量列世界第六位。因此，風(fēng)力發(fā)電將成為我國最具大規(guī)模開發(fā)前景的新能源之一。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)兩大類。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般使用同步電機(jī)或者鼠籠式異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，通過定槳距失速控制的風(fēng)輪機(jī)使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值繼而保證發(fā)電機(jī)端輸出電壓的頻率和幅值的恒定，其運(yùn)行范圍比較窄，只能在一定風(fēng)速下捕獲風(fēng)能，發(fā)電效率較低。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用永磁同步電機(jī)或者雙饋電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，通過變槳距控制風(fēng)輪使整個(gè)系統(tǒng)在很大的速度范圍內(nèi)按照最佳的效率運(yùn)行，是目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。對于風(fēng)機(jī)來說，其調(diào)速范圍一般在同步速的50%～150％之間，如果采用普通鼠籠異步電機(jī)系統(tǒng)或者永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，變頻器的容量要求與所拖動的發(fā)電機(jī)容量相當(dāng)，這是非常不經(jīng)濟(jì)的。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定子和電網(wǎng)直接相連接，轉(zhuǎn)子和功率變換器相連接，通過變換器的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率，這是各種傳動系統(tǒng)中效率比較高的，該結(jié)構(gòu)適合于調(diào)速范圍不寬的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是大、中容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 本文將從變速恒頻異步風(fēng)力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制技術(shù)兩個(gè)方面對變頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，以反映變頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的發(fā)展情況。 二、變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)? 采用繞線異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)并對其轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行控制，是變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)形式之一。主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括交流勵(lì)磁控制，轉(zhuǎn)子斬波調(diào)阻以及由上述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合發(fā)展而來的混合結(jié)構(gòu)。 1.交流勵(lì)磁結(jié)構(gòu) 交流勵(lì)磁控制通過變頻裝置向轉(zhuǎn)子提供三相滑差頻率的電流進(jìn)行勵(lì)磁，這種方式的變頻裝置通常使用交交變頻器，矩陣變換器或交直交變頻器。 交交變頻器采用晶閘管自然換流方式，工作穩(wěn)定，可靠，適合作為雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的變頻器電源，交交變頻的最高輸出頻率是電網(wǎng)頻率的1/3-1/2，在大功率低頻范圍有很大的優(yōu)勢。交交變頻沒有直流環(huán)節(jié)，變頻效率高，主回路簡單，不含直流電路及濾波部分，與電源之間無功功率處理以及有功功率回饋容易。雖然交交變頻雙饋系統(tǒng)得到了普遍的應(yīng)用，但因其功率因數(shù)低，高次諧波多，輸出頻率低，變化范圍窄，使用元件數(shù)量多使之應(yīng)用受到了一定的限制。 矩陣式變頻器是一種交交直接變頻器，由九個(gè)直接接于三相輸入和輸出之間的開關(guān)陣組成。矩陣變換器沒有中間直流環(huán)節(jié)，輸出由三個(gè)電平組成，諧波含量比較小；其功率電路簡單、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負(fù)載電壓；矩陣變換器的輸入功率因數(shù)可控，可在四象限工作。雖然矩陣變換器有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在其換流過程中不允許存在兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的或者關(guān)斷的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。矩陣變換器最大輸出電壓能力低，器件承受電壓高也是此類變換器一個(gè)很大缺點(diǎn)。應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電中，由于矩陣變換器的輸入輸出不解耦，即無論是負(fù)載還是電源側(cè)的不對稱都會影響到另一側(cè)。另外，矩陣變換器的輸入端必須接濾波電容，雖然其電容的容量比交直交的中間儲能電容小，但由于它們是交流電容，要承受開關(guān)頻率的交流電流，其體積并不小。 交直交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件設(shè)計(jì)等各種因素，電壓型逆變器應(yīng)用比較廣泛。傳統(tǒng)的電流型交直交變頻器采用自然換流的晶閘管作為功率開關(guān)，其直流側(cè)電感比較昂貴，而且應(yīng)用于雙饋調(diào)速中，在過同步速時(shí)需要換流電路，在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用的不多。采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點(diǎn)，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量，并且該結(jié)構(gòu)通過直流母線側(cè)電容完全實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的分離。電壓型交直交變頻器的雙饋發(fā)電機(jī)定子磁場定向矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于風(fēng)機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤的發(fā)電機(jī)有功和無功的解耦控制，是目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)代表方向。 此外，還有一種并聯(lián)的交直交逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要思想是通過一個(gè)交直交電流型和一個(gè)交直交電壓型變頻器并聯(lián)，電流型逆變器作為主逆變器負(fù)責(zé)功率傳輸，電壓型逆變器作為輔逆變器負(fù)責(zé)補(bǔ)償電流型逆變器諧波。這種結(jié)構(gòu)主逆變器有較低的開關(guān)頻率，輔逆變器有較低的開關(guān)電流。同上面提到的交直交電壓型逆變器相比較，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有低開關(guān)損耗，整個(gè)系統(tǒng)的效率比較高。其缺點(diǎn)也是顯而易見的，大量電力電子器件的使用導(dǎo)致成本的上升以及更加復(fù)雜的控制算法，另外該種結(jié)構(gòu)電壓利用率比較低。 2.斬波調(diào)阻結(jié)構(gòu) 上個(gè)世紀(jì)90年代中期丹麥的Vestas公司采用了一種轉(zhuǎn)子電流控制結(jié)構(gòu)（OptiSlip），也稱為斬波調(diào)阻結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)的基本思想是采用一個(gè)可控電力電子開關(guān)，以固定載波頻率的PWM方法控制繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加電阻接入時(shí)間的長短，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的幅值，控制滑差約在10%的范圍之內(nèi)。該結(jié)構(gòu)依靠外部控制器給出的電流基準(zhǔn)值和電流的測量值計(jì)算出轉(zhuǎn)子回路的電阻值，通過電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷來調(diào)整轉(zhuǎn)子回路的電阻值。這種結(jié)構(gòu)電力電子裝置的機(jī)構(gòu)相對簡單，但是其定子側(cè)功率因數(shù)比較低，且只能在發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行，是一種受限制的變速恒頻系統(tǒng)。 3.混合結(jié)構(gòu) 為了降低變流器的成本并且能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的寬轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行，有文獻(xiàn)提出一種基于雙饋電機(jī)斬波調(diào)阻與交流勵(lì)磁控制策略多功能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將整流器、斬波器和逆變器結(jié)合在一起，該結(jié)構(gòu)的巧妙之處在于斬波器和逆變器共用了一組可控的電力電子開關(guān)，但是由于引入了四個(gè)接觸器型的受控開關(guān)，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的主回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)同步速切換過程的過渡，而且在高于同步速運(yùn)行情況下難以改善發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。此外，還有文獻(xiàn)提出了新型轉(zhuǎn)子電流混合控制的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略，該控制方法兼?zhèn)浣涣鲃?lì)磁控制和轉(zhuǎn)子斬波調(diào)阻法的優(yōu)點(diǎn)，能顯著降低轉(zhuǎn)子變流器的硬件成本以及控制技術(shù)的復(fù)雜性，并且可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的寬轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行，無需在同步速點(diǎn)過渡，在整個(gè)允許的速度范圍內(nèi)都可以進(jìn)行定子輸出有功、無功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)，同時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率因數(shù)可控，缺點(diǎn)是輸入側(cè)功率因數(shù)低，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率低。