雙饋式風力發(fā)電機運行原理及發(fā)電控制技術研究

刁帥

摘要：隨著全球各國的工業(yè)發(fā)展速度加快，化石燃料儲存量隨之減少，因此風能發(fā)電技術愈加重要。因為電力企業(yè)的風能發(fā)電需求，風力發(fā)電機得到廣泛運用。現(xiàn)階段，我國在風力發(fā)電機的發(fā)展速率、技術運用和推廣力度方面和國外相比存在一定差距。為推動風力發(fā)電機快速發(fā)展、運用，文章從雙饋式風力發(fā)電機角度分析了其運行原理及發(fā)電控制技術。

關鍵詞：雙饋式風力發(fā)電機；運行原理；發(fā)電控制技術；矢量控制；模糊控制 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM614 文章編號：1009-2374（2016）20-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.069

根據(jù)相關調(diào)查顯示，在全球各國中，因風力發(fā)電項目，每年投入1000億元資金總額，約有100個國家開始研究、運用風力發(fā)電技術。因此，隨著化石燃料逐漸減少，社會生產(chǎn)需要太陽能技術、發(fā)電技術和水利技術，這些技術也有可能代替火力發(fā)電技術。對于風力發(fā)電技術，加強風力發(fā)電機研究和運用具有十分重要的現(xiàn)實意義，大多數(shù)選擇雙饋式設計方式。筆者結合自身多年的風電企業(yè)的從業(yè)經(jīng)驗，立足雙饋式風力發(fā)電機角度，分析其運行原理、發(fā)電控制技術。

1 雙饋式風力發(fā)電機的結構、特點

雙饋式風力發(fā)電機是由英國學者的設想而來，在自級聯(lián)導發(fā)電機研發(fā)基礎上，逐漸研發(fā)而來，雙饋式發(fā)電機與繞線異步電機有著結構類似性，因定子、轉(zhuǎn)子兩部分均可以饋出、饋入電能，所以稱之為雙饋。另外，因雙饋式發(fā)電機利用轉(zhuǎn)子形成交流，因此，雙饋式發(fā)電機又叫做交流勵磁發(fā)電機。

雙饋式風力發(fā)電機，雙饋主要指電機定子、轉(zhuǎn)子，都能完成電力供應。通常而言，雙饋式發(fā)電機是由接線盒、轉(zhuǎn)子、定子、冷卻系統(tǒng)、滑環(huán)系統(tǒng)和傳動結構構成。轉(zhuǎn)子結構一般為散嵌繞組、半線圈與成型繞組構成。滑環(huán)系統(tǒng)包含滑環(huán)座、維護罩、碳刷、風扇等構成，滑環(huán)環(huán)氧澆注式、熱套式類型，冷卻系統(tǒng)包含水冷式和風冷式方式。

從某種性質(zhì)來看，雙饋式發(fā)電機屬于異步式發(fā)電機范圍，這類發(fā)電機具有同步式發(fā)電機的勵磁繞組，一般用于功率因素、勵磁過程的調(diào)控，所以雙饋式發(fā)電機具有異步、同步兩種優(yōu)點。

針對雙饋式發(fā)電機定子貼心，有相同形狀凹槽的均勻分布，主要是用于嵌入定子繞組，通過定子三相電流，產(chǎn)生一定旋轉(zhuǎn)磁場。在轉(zhuǎn)子中，利用嵌入絕緣導線，可組成三相繞組。在轉(zhuǎn)子上引出三相線，再連接轉(zhuǎn)軸的集電環(huán)，通過電刷引出。通常而言，定子和工頻電網(wǎng)能夠直接連接，轉(zhuǎn)子通過變換器與電網(wǎng)連接，以便于轉(zhuǎn)子的交流勵磁。

同時，雙饋式發(fā)電機的成本較低、體積較小，調(diào)節(jié)方式為無功率調(diào)節(jié)，且抗電磁的干擾能力強，具有簡便易行的特點。發(fā)電機勵磁過程和供電網(wǎng)絡沒有直接聯(lián)系，由轉(zhuǎn)子即可直接完成所處電路。所以雙饋式發(fā)電機的輸出能量較為穩(wěn)定，在工作過程中，電網(wǎng)通常不會發(fā)生較大的波動幅度。雙饋式發(fā)電機系統(tǒng)利用電機勵磁過程的控制，能夠準確和快速地調(diào)節(jié)運轉(zhuǎn)狀態(tài)、功率因素。此外，對于風力變化影響，雙饋式發(fā)電機適應能力較強，可保持穩(wěn)定的輸出能力。

2 雙饋式風力發(fā)電機的運行原理分析

對于雙饋式發(fā)電機，定子連接供電網(wǎng)絡后，轉(zhuǎn)子連接雙脈沖調(diào)制變流器，接著介入到相應網(wǎng)絡。所以在雙饋式風力發(fā)電機的定子端，如果電力參數(shù)沒有發(fā)生變化，利用雙脈沖變流器，即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子端電流。此外，在雙饋式發(fā)電機的運行流程中，轉(zhuǎn)子部分利用交流，即可完成勵磁過程，確保發(fā)電機具有較強適應能力、足夠穩(wěn)定性，對降低發(fā)電成本十分重要。按照定子和轉(zhuǎn)子的磁場轉(zhuǎn)動速率，雙饋式發(fā)電機主要包含以下三種運轉(zhuǎn)模式：

2.1 超同步模式

如果定子磁場處于一種轉(zhuǎn)動狀態(tài)且低于轉(zhuǎn)子磁場的轉(zhuǎn)動效率，轉(zhuǎn)軸輸出功率，則高于定子磁場功率。對于轉(zhuǎn)子所處電路，就無需直流勵磁電流。借助雙脈沖調(diào)制變流器，即可為供電網(wǎng)絡供電，所以處于該種模式狀態(tài)，發(fā)電機通過定子與轉(zhuǎn)子，向所處電路傳輸電能，即雙饋式發(fā)電機的正常工作模式。

2.2 同步模式

處于定子磁場轉(zhuǎn)動狀態(tài)下，如果和轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)動速率相等，則轉(zhuǎn)軸出功率和電子功率也基本相同。雙饋式發(fā)電機就只能運用定子所處電路，為供電網(wǎng)絡輸送電能，轉(zhuǎn)子所處電路無法參與其中，主要接受直流勵磁電流。處于這種狀態(tài)中，三者的轉(zhuǎn)動速率基本相同，所以雙饋式發(fā)電機能夠?qū)崿F(xiàn)同步模式工作。

2.3 亞同步模式

如果定子磁場處于一種轉(zhuǎn)動狀態(tài)，且低于轉(zhuǎn)子磁場速率，轉(zhuǎn)軸輸出功率低于定子磁場功率。因此，在該種模式狀態(tài)下，必須依靠雙脈沖變流器，方可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子供電網(wǎng)絡的電能供給。電能輸出需依靠定子電路承擔，又稱之為補償發(fā)電。在發(fā)電機實際過程中，環(huán)境因素決定了發(fā)電機工作模式。若風力變化較小，則雙饋式發(fā)電機處于亞同步模式。如果風力充足，則雙饋式發(fā)電機處于正常工作模式。

2.4 模式分析

對于上述三種工作模式，筆者以變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)為例，處于該系統(tǒng)中，發(fā)電機定子與電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子通過兩個背靠背連接，通過PWM變換器，交直交變換器連接電網(wǎng)。對于雙饋電機工作，主要分為超同步、同步階段，加上轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)差功率傳遞方向存在一定區(qū)別。雙饋式發(fā)電機功率主要分為4個不同狀態(tài)，次同步電動、次同步發(fā)電、超同步電動、超同步發(fā)電。假設將定子側(cè)功率設定為P1，轉(zhuǎn)子側(cè)設定為P2，電機機械功率設定為PJ，按照規(guī)定，如果定子為電網(wǎng)輸送電能，P1值就為正值，由電網(wǎng)吸收電能，則P1值為負值。如果轉(zhuǎn)子通過電網(wǎng)饋送電能，P2值為正值，由電網(wǎng)吸收電能，P2值為負值。如果電機吸收機械功率，PJ值為正值，電機輸出機械功率，PJ值為負值。

3 雙饋式風力發(fā)電機控制技術

近些年來，隨著人們?nèi)找婵释偕茉矗匾暱茖W技術進步，風電能源受到了社會各界關注，在整個電力系統(tǒng)的重要性也日益凸顯。風力產(chǎn)生是風力推動槳葉轉(zhuǎn)動后，推動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，使風能轉(zhuǎn)化為電能。但風速處于恒定不變狀態(tài)，進而增加了槳葉轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定性，使得發(fā)電機電能頻率、電能波動，所以如何保證風力發(fā)電機穩(wěn)定性，控制好風力發(fā)電機的輸出電能，是風電系統(tǒng)的重要研究問題。在風力作用下，槳葉處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，所產(chǎn)生，動能能夠推動發(fā)電機轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。按照定子、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速率，通過轉(zhuǎn)子磁場的轉(zhuǎn)動對轉(zhuǎn)子電流頻率、轉(zhuǎn)動速率進行調(diào)節(jié)，即可完成雙饋式發(fā)電機的基本控制。一般而言，雙饋式發(fā)電機主要包含以下控制技術：

3.1 矢量控制

矢量控制技術的核心在于，按照定子相位值、電流頻率值構建電流矢量參數(shù)，通過控制算法，能夠?qū)⒅绷髁哭D(zhuǎn)化成交流量。進而控制發(fā)電機的工作狀態(tài)與功率因素，提高能量轉(zhuǎn)化效率，保證電能輸入穩(wěn)定性、可靠性。一般來說，矢量控制技術適用于風力較小地區(qū)。

3.2 模糊控制

模糊控制技術是一種智能化控制技術，通常利用軟件對人類思維方式進行模擬，借助相關經(jīng)驗、處理辦法，根據(jù)風向變化和風力變化，做出相應動作反應。處于各種情況下，所獲得控制數(shù)據(jù)，能夠保證系統(tǒng)順利運轉(zhuǎn)，與系統(tǒng)最優(yōu)值最為接近。因此，該類控制技術運用狀況對預設控制、開發(fā)人員經(jīng)驗具有顯著依賴性。該種控制技術在風力較大區(qū)域適用。

3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制技術關鍵是通過輸入轉(zhuǎn)矩的調(diào)控，根據(jù)相關分析理論，對發(fā)電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行控制，通過各種技術，在簡單矢量建模、不復雜運算基礎上，能夠直接計算出轉(zhuǎn)矩參數(shù)，對輸出電能穩(wěn)定性、參數(shù)具有控制作用。同時，雙饋式風力發(fā)電機的控制技術有著多種類型，如滑膜變結構等。

3.4 變速恒頻控制

對于風力發(fā)電系統(tǒng)，因風速呈現(xiàn)時變性質(zhì)，因此利用風能發(fā)電具有一定難度，所以提升風力發(fā)電技術可有效提升風機效率，實現(xiàn)風能資源優(yōu)化利用。通常而言，供電網(wǎng)絡對于電能質(zhì)量，主要是有上網(wǎng)電壓頻率變化量、變化率的要求，這兩個量和上網(wǎng)有功、無功相關。因此。針對發(fā)電機輸出電壓控制十分重要。雙饋式發(fā)電機控制，是通過變頻器控制勵磁相位與幅值，再控制電流頻率，通過三個量的控制調(diào)節(jié)，對勵磁控制器給定值進行控制，以滿足變速恒頻控制的目的。

4 結語

綜上所述，雙饋式風力發(fā)電機具備了異步式、同步式的優(yōu)點，為供電網(wǎng)絡能夠提供可靠、高效和穩(wěn)定的電能供應，運用、推廣前景十分廣泛。近些年來，隨著發(fā)電機制造工藝、控制技術的不斷發(fā)展、優(yōu)化，在風力發(fā)電領域，雙饋式風力發(fā)電機得到了廣泛運用。同時，對于風力發(fā)電機的研究人員來說，還需加強進一步產(chǎn)品研發(fā)，提高發(fā)電機的控制性能，為我國工業(yè)生產(chǎn)、社會發(fā)展創(chuàng)造更多的能源。

參考文獻

[1] 趙陽.風力發(fā)電系統(tǒng)用雙饋感應發(fā)電機矢量控制技術研究[D].華中科技大學，2008.

[2] 王大偉.雙饋風力發(fā)電機運行控制技術研究[D].華北電力大學（北京），2011.

[3] 刁統(tǒng)山.新型永磁雙饋發(fā)電機及其控制策略研究[D].山東大學，2013.

[4] 郝欣.雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)無速度傳感器控制策略研究[D].合肥工業(yè)大學，2013.

[5] 鄧友漢.雙饋風力發(fā)電機最大風能捕捉及低電壓運行技術研究[D].武漢大學，2014.

[6] 房若民.雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)運行控制技術研究及其監(jiān)控系統(tǒng)設計[D].浙江工業(yè)大學，2009.