變速恒頻雙饋風力發電機勵磁控制技術分析

李享

【摘 要】雙饋電機變速恒頻（VSCF）風力發電系統在變速恒頻控制方面，主要是通過對轉子繞組勵磁電流的相位、幅值、相序及頻率的調節來實現的。本文首先簡要分析了雙饋電機的運行原理，指出了其勵磁控制方法，設計了以80C196MC單片機為基礎勵磁控制試驗系統。最后探討了動態轉換控制技術思路，望能經此論述為此領域研究有所借鑒。

【關鍵詞】變速恒頻；雙饋；風力發電機；勵磁控制

中圖分類號： TM614 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0184-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.085

Analysis of excitation control technology of variable speed constant frequency doubly-fed wind generator

LI Xiang

（Fujian ningde nuclear power co.，LTD.，fujian ningde 355200，China）

【Abstract】The VSCF wind power system for double-fed motor control is mainly realized by adjusting the phase， amplitude， phase sequence and frequency of the rotor winding excitation current in VSCF control. This paper first briefly analyzes the operation principle of the doubly-fed motor， points out its excitation control method， and designs an excitation control test system based on the 80C196MC microcontroller. Finally， the idea of dynamic conversion control technology is discussed. It is hoped that the research in this field can be used for reference.

【Key words】Variable speed constant frequency；Double feed；Wind turbine；Excitation control

風力發電憑借其可再生且無污染特性，在世界范圍內得到越來越廣泛的應用。相比于傳統恒速恒頻風力發電系統，基于雙饋電機的變速恒頻風力發電系統優勢明顯，比如能夠最大程度吸收由風速突然變化所產生的能量波動，以此來避免傳動機構及主軸可能要承受的瞬時應力與扭矩，比較高的風能利用系數等。針對變速恒頻雙饋風力發電系統來講，其其關鍵技術就是以電力電子、計算機控制為基礎的交流勵磁控制技術。本文遵照雙饋電機運行原理，以80C196MC單片機為基礎，就VSCF雙饋風力發電機相應勵磁控制試驗系統的具體設計思路作一探討。

1 VSCF風力發電機的工作原理分析

1.1 雙饋電機VSCF控制原理分析

針對VSCF風力發電系統來講，其由多部分構成，如控制器、雙饋發電機、風力機、雙向變流器及增速箱等。對于雙饋發電機而言，其定子繞組與電網相連；由于轉子繞組具有能夠可根據實際需要調節頻率的三相電源激勵，因此，通常情況下，系統會選用兩種供電方式，其一為交-交變流器供電，其二為交-直-交變流器供電。針對雙饋發電機而言，其無論在何種轉速下，均能保持運行狀態，并且其轉速能夠隨著風速的改變而進行調整，因而能使風力機始終維持在最佳運行狀態，始終獲得最佳的風能利用率。如果電機的轉速、負載發生改變時，通過對饋入轉子繞組的電流進行適當調節，除了可以保障定子持續輸出穩定不變的頻率與電壓外，還能根據實際需要，對發電機的功率因數進行合理調節。依據感應電機轉子繞組、定子繞組電流能夠產生相對靜止的旋轉磁場的原理得知，VSCF風力發電機的轉速與轉子繞組、定子繞組的電流頻率之間存在如下關系：

f1=/60±f2（1）

在此公式中，f1表示定子電流頻率，f2表示轉子電流頻率，n表示發電機的轉速，p表示發電機的極對數。由此公式可知，如果轉速n改變，并對f2的變化進行調節，能夠使f1維持在恒定不變的狀態，也就是始終一致于電網頻率，以此達到有效控制風力發電機的目的。如果風力發電機維持在一種亞同步速運行狀態，那么將上述公式取正號；如果風力發電機維持在超同步速運行狀態，那么上述公式可取負號；如果是同步速運行，則f2=0，變流器會將直流激勵磁電流提供給轉子。

1.2 各種運行方式下轉子繞組功率的流向分析

如果將電機損耗忽略，且將定子當作發電機慣例，而轉子當作電動機慣例時，那么此時的發電機定子輸出功率P1，與電機軸上輸入機械功率Pmech+轉子輸入電功率P2之和對等。依據感應電機的基本原理，針對轉子繞組的電功率而言，可用公式表示為P2=sP1 （2）；而電機軸上的機械功率可用公式表示為Pmech=（1-s）P1（3）。在公式當中，s表示的是轉差率。綜合分析上述公式可知，如果發電機的運行處于亞同步速狀態時，則s>0，需將電功率饋入至轉子繞組，轉子向定子傳遞的電磁功率是sP1，而風力機向定子傳遞的電功率僅為（1-s）P1。如果的運行處于超同步速狀態，則s<0，此時，轉子繞組會持續向外供電，也就是定子與轉子同時發電，風力機向發電機供電的功率增加到（1+s）P1。因高或低于同步速各種運行方式下，轉子繞組會有不同的功率流向，所以，需選用雙向變流器。

2 勵磁控制系統硬件設計

2.1 勵磁控制系統功能

為了更好的滿足雙饋電機的各種工況要求，即低于同步速、相同于同步速及高于同步速運行等，雙向變流器需要滿足輸出電壓頻率、幅值、相位的可調性。通過對勵磁電流相位、幅值的相應控制，能實現對發電機無功功率的合理調節；而通過對勵磁電流的頻率進行控制，則能根據實際需要，調節發電機的有功功率，可以將發電機勵磁控制與風力機變槳距控制相融合，根據實際運作情況，按最佳方式來合理調節發電機轉速。

2.2 勵磁控制系統的構成

針對VSCF雙饋風力發電機模擬試驗系統而言，其由繞線轉子感應電機（額定功率2.8kW）、調壓器、直流拖動電動機、光電編碼器、電壓傳感器、PC機、80C196MC單片機、雙向變流器等構成。

3 勵磁控制技術

3.1 變速恒頻控制

針對雙饋風力發電機開展針對性的變速恒頻控制，實際就是依據風力機轉速方面的改變，來實現對轉子勵磁電流頻率的有效控制，使雙饋發電機所輸出的電壓頻率一致于電網。通常情況下，控制變速恒頻的方法主要有兩種，其一為有轉速傳感器變速恒頻控制，其二為無轉速傳感器控制。針對前者而言，其控制起來比較容易，但需增設光電編碼器；而對于后者，則需要相對復雜的控制技術。將電機的極對數設定為p=2，而將其定子電流頻率設為f1=50Hz。把這些數值均帶入到公式（1）中，便可得到電機轉速檢測信號與勵磁電流頻率f2之間的關系式。當電機處于亞同步速時，饋入轉子的電流頻率用公式可表示為f2=50-kp/10（4）；而處于超同步速狀態時，饋入轉子的電流頻率可用公式表示為：f2=kp/10-50（5）。在公式中，kp所表示的是每10ms中計數器所記錄下的光電編碼器相應輸出脈沖數。可依據光電編碼器每轉輸出2000個脈沖，將電機轉速與kp之間的關系計算出來。當雙饋發電機相比于同步速運行，處于偏低狀態時，轉子繞組電流便會隨著轉速的不同，而對頻率波形進行調節。因此，依據公式（1）的規律變化，可將轉子電流的頻率求出，最終達到控制雙饋發電機變速恒頻的目的。

3.2 雙饋發電機并網控制

針對以往類型的風力發電機而言，其大多運用的是異步發電機，并網時會對電網產生較大沖擊。而對于雙饋發電機來講，可根據實際情況，對轉子勵磁電流進行調節，以此來實現軟并網，防止并網過程中可能出現的電壓波動過大或電流沖擊過大的情況。針對勵磁控制系統來講，在將要并網前，先用電壓傳感器將發電機電壓以及電網的幅值、頻率、相序及相位計算出來，利用雙向變流器對轉子勵磁電流進行調節，促使發電機輸出電壓一致于電網幅值、電壓頻率及相位，當滿足并網條件時，可以自動并網運行。如果并網后，定子電流出現震蕩情況，究其原因，可能是并網試驗中未選用無功與有功功率閉環控制所致，可選用閉環控制后，發電機功效保持不變，這便能有效解決電流震蕩問題。

4 結語

綜上，針對跨越同步速來講，其乃是整個變速恒頻雙饋風力發電機勵磁控制操作的核心技術，可以根據實際需要，選擇交-交控制模式，或者是交-直-交模式，可實現超同步、同步與亞同步等運行方式間的實時轉換。而并網操作為其另外一關鍵技術，可采用各種并網方式，但需要先將并網過程可能出現的電壓波動、電流沖擊問題解決掉。

【參考文獻】

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