變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制策略分析

王延峰

摘 要：本文通過對變速恒頻雙饋風(fēng)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、重要性、技術(shù)分析和優(yōu)點(diǎn)的研究，進(jìn)而圍繞著變速恒頻系統(tǒng)之一的交流勵磁雙饋發(fā)電系統(tǒng)提出了解決變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制的策略。如VSCF原理分析，和對交流勵磁雙饋發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組;頻率控制;策略分析

引言：

風(fēng)力能源是世界公認(rèn)的一種清潔且能夠可再生的綠色能源，相比于水力發(fā)電和火力發(fā)電具有用之不盡、取之不竭的優(yōu)勢。而且可以實(shí)現(xiàn)節(jié)省常規(guī)石油煤炭等不可再生能源的效果。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不僅可以并網(wǎng)運(yùn)行也可以離網(wǎng)運(yùn)行十分靈活。雙饋電機(jī)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)在此之上優(yōu)勢更多，因此對其進(jìn)行研究是有益的。

1簡述變速恒頻雙饋風(fēng)電技術(shù)

1.1風(fēng)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在我國，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是重點(diǎn)研究對象。眾所周知，風(fēng)力發(fā)電是一種優(yōu)秀的能源，是可再生能源，是國家支持的綠色環(huán)保發(fā)電方法。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，對此投入了大量的人力、物力和財力進(jìn)行研究。目前我國的風(fēng)力發(fā)電量數(shù)量之多已然登上世界的尖峰，我國同樣是使用風(fēng)力發(fā)電量最多的國家。我國風(fēng)能資源較為豐富，平常走在路上就能感受到的風(fēng)，竟然可以帶來電力供應(yīng)。風(fēng)電的使用主要分布在新疆、內(nèi)蒙古和沿海地區(qū)，全國風(fēng)力系統(tǒng)安裝超過2.5億KW[1]。但是由于我國目前的風(fēng)力發(fā)電仍處于發(fā)展階段，因此產(chǎn)生大風(fēng)會對普通人的生活和發(fā)電造成不良影響，因此要對風(fēng)電技術(shù)繼續(xù)進(jìn)行研究。

1.2變速風(fēng)電技術(shù)重要性

根據(jù)發(fā)電機(jī)的不同，風(fēng)力發(fā)電可以根據(jù)發(fā)電機(jī)不同進(jìn)行區(qū)分，一般分為兩種，第一種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電。其中變速恒頻風(fēng)力系統(tǒng)能夠使風(fēng)車轉(zhuǎn)速根據(jù)風(fēng)速不同而相應(yīng)的發(fā)生變化，從科學(xué)的角度實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電。在風(fēng)電機(jī)組容量越來越大的今天，其配置問題優(yōu)化是具有重要意義的。

1.3變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)分析

因當(dāng)代恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足我們的需求，變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的需求量便開始增加。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其可以自動調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，不再需要手動調(diào)整，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行效率大大提升。現(xiàn)階段有兩種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，一種是無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)，另外一種是交流勵磁雙饋發(fā)電系統(tǒng)[2]。

1.4變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以使發(fā)電系統(tǒng)以最大功率運(yùn)行，對于發(fā)電量的提升是十分顯著的。而且變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)使運(yùn)行功率一直保持最大化，對于效率的提高也有明顯幫助。此外，其還對使用壽命、成本、噪音生產(chǎn)等方面有優(yōu)勢。

2變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制策略

本文設(shè)計主要圍繞交流勵磁雙饋發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行。

2.1VSCF控制原理

風(fēng)電技術(shù)是由增速箱、雙饋發(fā)電機(jī)、雙流變速器、控制機(jī)和風(fēng)力機(jī)等內(nèi)容組成，在此裝置的運(yùn)作過程中，要實(shí)現(xiàn)三相電源激勵，是通過雙饋發(fā)電機(jī)帶動有調(diào)節(jié)頻率的轉(zhuǎn)子繞組實(shí)現(xiàn)的[3]。根據(jù)交流-直流-交流或交流變速供電原理，雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會在不同轉(zhuǎn)速情況下產(chǎn)生不同變化，同時也會自動產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)行情況調(diào)整，使整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一直是穩(wěn)定的狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到風(fēng)能高效利用的效果。

根據(jù)感應(yīng)電機(jī)定子、繞組電流相對靜止原理，磁場與電流轉(zhuǎn)速存在相關(guān)性，圖1反映了VSCF的定轉(zhuǎn)子繞組頻率關(guān)系。該圖反映了勵磁控制的實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)速雖然產(chǎn)生的變動，但是定子電流恒定不變，電網(wǎng)頻率能夠保持一致。

可以假設(shè)電機(jī)損耗對風(fēng)電機(jī)整體不產(chǎn)生影響，將定子慣例認(rèn)為是電動機(jī)慣例，在設(shè)置輸出功率裝置的輸出功率數(shù)值時使其與輸出功率和電機(jī)軸輸出功率相同，那么在遵循感應(yīng)電機(jī)原理下可以認(rèn)為電機(jī)軸機(jī)械功率與轉(zhuǎn)子繞組電功率存在相關(guān)性。通過轉(zhuǎn)差率的兩種不同結(jié)果得出結(jié)論，如果大于0，那么風(fēng)力傳子與定子電子電功率下降;如果小于0，就需要定子對外發(fā)電。再通過進(jìn)行雙饋發(fā)電機(jī)不同情況下的輸出輸入功率關(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)需要使用雙向變流器才能滿足生產(chǎn)的要求。

2.2硬件設(shè)計

技術(shù)人員進(jìn)行勵磁頻率控制研究時，要結(jié)合勵磁控制系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)。圍繞特點(diǎn)，想要使雙饋發(fā)電機(jī)達(dá)到不同步速工況運(yùn)行的目標(biāo)，就要對輸出振幅和輸出電壓的研究著重進(jìn)行。在把握重點(diǎn)同時，保證相序相位的調(diào)動與互換。

通過研究發(fā)現(xiàn)，控制勵磁電流的相關(guān)信息可使發(fā)動機(jī)勵磁電流與無功功率得到控制，更好的保護(hù)功率的效果。對于勵磁電流頻率的控制使發(fā)電機(jī)的有功功率可以根據(jù)實(shí)際需要得到相應(yīng)的調(diào)節(jié)。如圖2示例，將發(fā)電機(jī)風(fēng)力機(jī)變槳和勵磁融合同樣不影響最佳方式對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣的VSCF雙饋電發(fā)電機(jī)組的組成是由額定功率2.8KW的感應(yīng)電機(jī)、電動機(jī)和調(diào)壓器、聯(lián)合80C196MC單片機(jī)以及光電編碼器。

2.3內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)圖二的實(shí)驗內(nèi)容，結(jié)合光電編碼器和80C196MC單片機(jī)，可以對勵磁控制技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行研究。

2.3.1變速恒頻控制

依據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，更好地去控制這些轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率，以達(dá)到與電網(wǎng)電壓頻率一致的發(fā)電機(jī)輸出頻率。有轉(zhuǎn)速傳感器變速恒頻控制以及無轉(zhuǎn)速傳感器控制是主要的兩種控制變速恒頻的手段。有轉(zhuǎn)速傳感器變速恒頻，控制起來相比于另外的，它的難易程度要低一些，但其有光電編碼器設(shè)置的硬性要求;無轉(zhuǎn)速傳感器控制的技術(shù)相對于前者更難。如果把定子電流頻率設(shè)定成f1=50Hz，同時設(shè)置電機(jī)極對數(shù)為p=2，將數(shù)值帶入f1=/60±f2中，可以得出f2與電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測信號之間的關(guān)系式。饋入轉(zhuǎn)子電流頻率用公式表示為f2=50-kp/10。在超同步速狀態(tài)中，饋入轉(zhuǎn)子電流頻率是f2=kp/10-50。亞同步速中，公式表示為f2=50-kp/10。Kp的意思是每10ms計數(shù)器記錄的由光電編碼器輸出的脈沖數(shù)。根據(jù)光電編碼器每轉(zhuǎn)能夠產(chǎn)生2000脈沖，進(jìn)一步仔細(xì)的來計算出電機(jī)轉(zhuǎn)速和kp之間存在的關(guān)系。根據(jù)以上公式和f1=/60±f2的規(guī)律，最終可以實(shí)現(xiàn)控制雙饋發(fā)電機(jī)變速頻率目標(biāo)。

2.3.2恒定電壓控制

從整體來看，由于雙饋發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行概率高，定子繞組電壓數(shù)值也持續(xù)不斷地波動，因此有效值會產(chǎn)生一定的變動。為了保障定子繞組電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，不同轉(zhuǎn)速下需要控制電子繞組的勵磁電流。如果定子電流反應(yīng)磁場對發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行產(chǎn)生了影響，漏電抗壓以及定子繞組變動，最終使繞組電壓變動。針對這種問題，需要達(dá)到勵磁電流實(shí)現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，使發(fā)電機(jī)電壓不論遭受什么突發(fā)情況，或者是任何影響都能保持穩(wěn)定。一般的做法是用電壓反饋調(diào)節(jié)的方式。

2.3.3雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制

在過去的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)時會對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊，雙饋發(fā)電機(jī)也會在進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行時定子電流受到影響。并網(wǎng)的電壓傳感器對于發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)的相位相序和電壓頻率都能進(jìn)行檢測，這可通過雙向變流器的調(diào)節(jié)進(jìn)行裝置的勵磁電流，得到輸出電壓與電網(wǎng)電壓頻率統(tǒng)一，相位等也滿足并網(wǎng)條件，最終自動化運(yùn)行。對于定子電流受影響的原因應(yīng)與有功、無功功率閉環(huán)的未采用有關(guān)，這使電流震蕩。這一問題可以通過使用閉環(huán)控制來解決，此時發(fā)電機(jī)功效不能改變，就可以解決好電流震蕩問題。

2.3.4多狀態(tài)轉(zhuǎn)速控制

日常生活中隨處可見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都有一個共同特征，那就是這些發(fā)電機(jī)都暴露在自然環(huán)境當(dāng)中。自然環(huán)境的變化比如氣溫的變化、風(fēng)向的變化、風(fēng)俗的變化、天氣情況的變化，還有雷擊、沙塵、暴雨暴雪等情況的發(fā)生，使其充滿了隨機(jī)性和差異性。且不同地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可能會面臨著不同的氣候與災(zāi)害。所以系統(tǒng)的選擇也需要加以考慮。比如對于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在大風(fēng)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速控制，可以通過變流器會向轉(zhuǎn)子繞組饋入交流勵磁電流，而迫使小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在超過其負(fù)荷的情況下同步。在亞同步情況當(dāng)中，變速器便起了作用，其會對繞組直流電造成影響。

結(jié)論：通過變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率進(jìn)行控制，未來的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)會更好的應(yīng)用在更多地區(qū)。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的改進(jìn)，使未來我國電能供給和環(huán)境保護(hù)工作更加順利地進(jìn)行。也能使我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域登上世界舞臺。

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