2.斩波调阻结构
上个世纪90年代中期丹麦的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。这种结构的基本思想是采用一个可控电力电子开关,以固定载波频率的PWM方法控制绕线电机转子回路中附加电阻接入时间的长短,从而调节转子电流的幅值,控制滑差约在10%的范围之内。该结构依靠外部控制器给出的电流基准值和电流的测量值计算出转子回路的电阻值,通过电力电子器件的导通和关断来调整转子回路的电阻值。这种结构电力电子装置的机构相对简单,但是其定子侧功率因数比较低,且只能在发电机的同步转速以上运行,是一种受限制的变速恒频系统。
3.混合结构
为了降低变流器的成本并且能够实现风力发电系统的宽转速范围运行,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在一起,该结构的巧妙之处在于斩波器和逆变器共用了一组可控的电力电子开关,但是由于引入了四个接触器型的受控开关,导致该结构的主回路结构复杂,很难实现同步速切换过程的过渡,而且在高于同步速运行情况下难以改善发电机的功率因数。此外,还有文献提出了新型转子电流混合控制的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的优点,能显著降低转子变流器的硬件成本以及控制技术的复杂性,并且可以实现发电机的宽转速范围运行,无需在同步速点过渡,在整个允许的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得到了非常广泛的应用,在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在上世纪七十年代提出的矢量控制原理,使得交流调速技术发生了一次质的飞跃,应用在双馈调速上,获得了令人振奋的动静态性能。矢量控制的理论基础是磁场定向原理,通过引入坐标变换,将原来复杂的双馈电机模型等效为d-q模型的基础上,对坐标轴的交叉耦合信号进行有效的补偿,可以得到类似直流调速的效果。
双馈系统的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。通常为了简化双馈矢量控制系统的电磁转矩和其他矢量之间的复杂关系,需要使坐标轴定向在某个矢量上。一般的,在双馈系统可以选择的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,比较常用的是以定子磁链和气隙磁链为定向矢量的控制方法。
2.多标量控制
基于多标量模型的双馈电机控制方法通过多标量模型变换电机系统到两个独立的线性子系统中,利用PI调节器控制定子的有功和无功。在该方案中,定义转子转速,定子磁链幅值的平方,定子磁链和转子电流的叉积和点积四个标量,并根据上述四个标量电机的微分方程,在忽略定子电阻的情况下,对定子磁通做归一化处理后,电机的有功功率以及无功功率可以解耦控制。
3.直接功率控制