李享

【摘 要】雙饋電機變速恒頻（VSCF）風力發(fā)電系統(tǒng)在變速恒頻控制方面，主要是通過對轉(zhuǎn)子繞組勵磁電流的相位、幅值、相序及頻率的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)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(shè)計了以80C196MC單片機為基礎(chǔ)勵磁控制試驗系統(tǒng)。最后探討了動態(tài)轉(zhuǎn)換控制技術(shù)思路，望能經(jīng)此論述為此領(lǐng)域研究有所借鑒。

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

1 VSCF風力發(fā)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(fā)電系統(tǒng)來講，其由多部分構(gòu)成，如控制器、雙饋發(fā)電機、風力機、雙向變流器及增速箱等。對于雙饋發(fā)電機而言，其定子繞組與電網(wǎng)相連；由于轉(zhuǎn)子繞組具有能夠可根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵，因此，通常情況下，系統(tǒng)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(fā)電機而言，其無論在何種轉(zhuǎn)速下，均能保持運行狀態(tài)，并且其轉(zhuǎn)速能夠隨著風速的改變而進行調(diào)整，因而能使風力機始終維持在最佳運行狀態(tài)，始終獲得最佳的風能利用率。如果電機的轉(zhuǎn)速、負載發(fā)生改變時，通過對饋入轉(zhuǎn)子繞組的電流進行適當調(diào)節(jié)，除了可以保障定子持續(xù)輸出穩(wěn)定不變的頻率與電壓外，還能根據(jù)實際需要，對發(fā)電機的功率因數(shù)進行合理調(diào)節(jié)。依據(jù)感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子繞組、定子繞組電流能夠產(chǎn)生相對靜止的旋轉(zhuǎn)磁場的原理得知，VSCF風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子繞組、定子繞組的電流頻率之間存在如下關(guān)系：

f1=/60±f2（1）

在此公式中，f1表示定子電流頻率，f2表示轉(zhuǎn)子電流頻率，n表示發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，p表示發(fā)電機的極對數(shù)。由此公式可知，如果轉(zhuǎn)速n改變，并對f2的變化進行調(diào)節(jié)，能夠使f1維持在恒定不變的狀態(tài)，也就是始終一致于電網(wǎng)頻率，以此達到有效控制風力發(fā)電機的目的。如果風力發(fā)電機維持在一種亞同步速運行狀態(tài)，那么將上述公式取正號；如果風力發(fā)電機維持在超同步速運行狀態(tài)，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(zhuǎn)子。

1.2 各種運行方式下轉(zhuǎn)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(fā)電機慣例，而轉(zhuǎn)子當作電動機慣例時，那么此時的發(fā)電機定子輸出功率P1，與電機軸上輸入機械功率Pmech+轉(zhuǎn)子輸入電功率P2之和對等。依據(jù)感應(yīng)電機的基本原理，針對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)差率。綜合分析上述公式可知，如果發(fā)電機的運行處于亞同步速狀態(tài)時，則s>0，需將電功率饋入至轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)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(tài)，則s<0，此時，轉(zhuǎn)子繞組會持續(xù)向外供電，也就是定子與轉(zhuǎn)子同時發(fā)電，風力機向發(fā)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(zhuǎn)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(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 勵磁控制系統(tǒng)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(diào)性。通過對勵磁電流相位、幅值的相應(yīng)控制，能實現(xiàn)對發(fā)電機無功功率的合理調(diào)節(jié)；而通過對勵磁電流的頻率進行控制，則能根據(jù)實際需要，調(diào)節(jié)發(fā)電機的有功功率，可以將發(fā)電機勵磁控制與風力機變槳距控制相融合，根據(jù)實際運作情況，按最佳方式來合理調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

2.2 勵磁控制系統(tǒng)的構(gòu)成

針對VSCF雙饋風力發(fā)電機模擬試驗系統(tǒng)而言，其由繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機（額定功率2.8kW）、調(diào)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(gòu)成。

3 勵磁控制技術(shù)

3.1 變速恒頻控制

針對雙饋風力發(fā)電機開展針對性的變速恒頻控制，實際就是依據(jù)風力機轉(zhuǎn)速方面的改變，來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率的有效控制，使雙饋發(fā)電機所輸出的電壓頻率一致于電網(wǎng)。通常情況下，控制變速恒頻的方法主要有兩種，其一為有轉(zhuǎn)速傳感器變速恒頻控制，其二為無轉(zhuǎn)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(shè)光電編碼器；而對于后者，則需要相對復(fù)雜的控制技術(shù)。將電機的極對數(shù)設(shè)定為p=2，而將其定子電流頻率設(shè)為f1=50Hz。把這些數(shù)值均帶入到公式（1）中，便可得到電機轉(zhuǎn)速檢測信號與勵磁電流頻率f2之間的關(guān)系式。當電機處于亞同步速時，饋入轉(zhuǎn)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(tài)時，饋入轉(zhuǎn)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(shù)器所記錄下的光電編碼器相應(yīng)輸出脈沖數(shù)?？梢罁?jù)光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出2000個脈沖，將電機轉(zhuǎn)速與kp之間的關(guān)系計算出來。當雙饋發(fā)電機相比于同步速運行，處于偏低狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子繞組電流便會隨著轉(zhuǎn)速的不同，而對頻率波形進行調(diào)節(jié)。因此，依據(jù)公式（1）的規(guī)律變化，可將轉(zhuǎn)子電流的頻率求出，最終達到控制雙饋發(fā)電機變速恒頻的目的。

3.2 雙饋發(fā)電機并網(wǎng)控制

針對以往類型的風力發(fā)電機而言，其大多運用的是異步發(fā)電機，并網(wǎng)時會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊。而對于雙饋發(fā)電機來講，可根據(jù)實際情況，對轉(zhuǎn)子勵磁電流進行調(diào)節(jié)，以此來實現(xiàn)軟并網(wǎng)，防止并網(wǎng)過程中可能出現(xiàn)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(tǒng)來講，在將要并網(wǎng)前，先用電壓傳感器將發(fā)電機電壓以及電網(wǎng)的幅值、頻率、相序及相位計算出來，利用雙向變流器對轉(zhuǎn)子勵磁電流進行調(diào)節(jié)，促使發(fā)電機輸出電壓一致于電網(wǎng)幅值、電壓頻率及相位，當滿足并網(wǎng)條件時，可以自動并網(wǎng)運行。如果并網(wǎng)后，定子電流出現(xiàn)震蕩情況，究其原因，可能是并網(wǎng)試驗中未選用無功與有功功率閉環(huán)控制所致，可選用閉環(huán)控制后，發(fā)電機功效保持不變，這便能有效解決電流震蕩問題。

4 結(jié)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(fā)電機勵磁控制操作的核心技術(shù)，可以根據(jù)實際需要，選擇交-交控制模式，或者是交-直-交模式，可實現(xiàn)超同步、同步與亞同步等運行方式間的實時轉(zhuǎn)換。而并網(wǎng)操作為其另外一關(guān)鍵技術(shù)，可采用各種并網(wǎng)方式，但需要先將并網(wǎng)過程可能出現(xiàn)的電壓波動、電流沖擊問題解決掉。

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