彭 睿

（國家電投集團廣西興安風電有限公司，廣西 桂林541000）

風力發(fā)電是我國新能源開發(fā)的重點對象，風力發(fā)電的特點在于無污染和可再生特點，在現(xiàn)代生活中受到我國電力產(chǎn)業(yè)的重點關(guān)注。近年來，在信息化和科技生產(chǎn)的帶動下，我國的電力生產(chǎn)技術(shù)獲得飛速發(fā)展，對比風力發(fā)電機，雙饋電類型的發(fā)電機對風能的利用率更高，而且可以迅速吸收風速的突變能量，也能夠避免或者減少轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩和應(yīng)力，最大程度改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。

1 簡述風力發(fā)電技術(shù)

風力發(fā)電技術(shù)屬于我國現(xiàn)代可再生能源研究的重點，如今我國正投入大量的資金、技術(shù)、人力資源研發(fā)風力發(fā)電技術(shù)，進而減少現(xiàn)代能源危機影響，為我國的新能源產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。從能源的現(xiàn)有利用情況以及能源的分布情況來看，在綜合多因素建設(shè)影響下，我國的水力發(fā)電技術(shù)、核能發(fā)電技術(shù)雖然在早期的投入中顯露了較大的優(yōu)勢，但是從這些技術(shù)的實際運行效果來看，水力發(fā)電的容量有限，還在研發(fā)中，同時核能發(fā)電條件苛刻，新能源發(fā)電需求也亟待解決。風能發(fā)電在當前的可再生能源中運用范圍雖然不廣，但是在很多特殊地區(qū)依舊是能源生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，且該技術(shù)有望成為水電、火電之后的第三大發(fā)電電源。而且風能發(fā)電技術(shù)效能高，技術(shù)成熟，對部分地區(qū)的用電做出了重大的貢獻。

從風能發(fā)電現(xiàn)狀來看，我國風能資源豐富且可開發(fā)的裝機容量超過了2.5億kW，列居世界首位，風能發(fā)電主要運用在沿海地區(qū)、新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)。按照發(fā)電機的運行方式可以將風力發(fā)電系統(tǒng)分為恒速恒頻風力發(fā)電、變速恒頻風力系統(tǒng)。其中恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)是由控制系統(tǒng)檢測分數(shù)，若風速大于起動風速時，控制系統(tǒng)就可以啟動風機發(fā)電；這種處理方式十分便捷、高效、操作簡單、實用性強，但是缺點在于風能資源利用率不高，因此在實際的系統(tǒng)運行管理中都采用大小兩套發(fā)電機配合發(fā)電，而風速較低時候小容量風機獨立發(fā)電，風速較大的時候可實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電；變速恒頻風力系統(tǒng)中風車轉(zhuǎn)速會隨著風速變化而有所變化，通過科學的調(diào)頻可實現(xiàn)變速恒頻風力發(fā)電。因為風機和電機轉(zhuǎn)速范圍廣，一旦風速改變就需要適時調(diào)整風機轉(zhuǎn)速并最大程度利用風能，這種裝置的優(yōu)勢在于可以優(yōu)化機組的運行效率，同時增加系統(tǒng)的發(fā)電效率，該技術(shù)也是國外主流的建設(shè)系統(tǒng)，也是我國如今研發(fā)的重要方向。此外，風力發(fā)電還能夠按照發(fā)電機不同分為垂直式、水平式等類型；為了保證風力發(fā)電的有效性，相關(guān)技術(shù)人員需要做好設(shè)計研究，因地制宜設(shè)計機組，確保發(fā)電效能。

2 簡述雙饋電機風力發(fā)電勵磁控制技術(shù)的設(shè)計理念

從技術(shù)的特點來看，變速恒頻雙饋風力發(fā)電技術(shù)融合了計算機控制技術(shù)和電力電子技術(shù)，屬于一種特殊的交流勵磁控制技術(shù)。為了保證雙饋電設(shè)計的合理性，可針對其進行仿真模型和非參數(shù)的非真實性、控制算法的非實時性研究測試，進而實現(xiàn)理論分析和計算機驗證的統(tǒng)一；整體而言，通過一些有效的技術(shù)來實現(xiàn)模擬研究，本文以雙饋電機的運行特點和勵磁控制技術(shù)要點，提出80C196MC的VSCF勵磁控制的系統(tǒng)，探討其運行可行性。目前，我國流行的雙饋電機恒頻風力發(fā)電技術(shù)多是運用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組來實現(xiàn)變速恒頻控制，可對電流的頻率、幅值和相序、相位進行積極調(diào)整。通過分析雙饋電機的運行原理和勵磁控制方法可實現(xiàn)變頻恒頻、恒壓以及并網(wǎng)控制、同步速和超同步多種狀態(tài)的生產(chǎn)運行。通過研究該技術(shù)也可以為兆瓦級變速恒頻雙饋風力的勵磁系統(tǒng)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。本文針對電機的運行特點，結(jié)合其實際運行需求設(shè)計出了基于80C196MC的VSCF勵磁控制系統(tǒng)，現(xiàn)將相關(guān)設(shè)計研究內(nèi)容闡述如下。

3 探討雙饋電機的基本工作原理

3.1 VSCF控制原理

一個完整的風力發(fā)電技術(shù)的組成內(nèi)容包括了增速箱、雙饋發(fā)電機、雙流變速器、控制器和風力機等，整個裝置運行中，雙饋發(fā)電機帶動有調(diào)節(jié)頻率的轉(zhuǎn)子繞組實現(xiàn)三相電源激勵；可采用交流變速器或者是交流-直流-交流變速器供電。在不同的轉(zhuǎn)速下，雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)速會發(fā)生變化，且隨著發(fā)電機的風速變化，整個運行情況也會有所調(diào)整，保證整個風力發(fā)電機組保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)。進而提升風能的利用率，而整個風力機也會處于最佳狀態(tài)來維護風能的利用率。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組的電流可改善電機的轉(zhuǎn)速和負載，此時也能夠一并調(diào)節(jié)發(fā)電機組性能，還能夠保證定制輸出的電壓恒定，頻率也不會發(fā)生改變。

結(jié)合感應(yīng)電機的定子、繞組電流的相對靜止原理，電流轉(zhuǎn)速和磁場有相關(guān)性，VSCF的定轉(zhuǎn)子繞組頻率關(guān)系下，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，可保證定子電流恒定不變，此時電網(wǎng)的頻率確實是保持一致的，實現(xiàn)了勵磁控制（見圖1）。

圖1 發(fā)電系統(tǒng)原理圖

3.2 不同運轉(zhuǎn)情況下轉(zhuǎn)子繞組的功率流向

若忽略電機損耗對整個風力發(fā)電機的影響，且將定子慣例當做電動機慣例。定制輸出功率裝置輸出功率值和輸出功率、電機軸輸出功率保持一致，遵循感應(yīng)電機原理，轉(zhuǎn)子繞組電功率和電機軸的機械功率有關(guān)聯(lián)性。如發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率大于零，表示裝置繞組虧如電功率，風力傳給定子電子電功率下降，若同步超速運行轉(zhuǎn)差率小于零，需要定子對外發(fā)電。

整個風力供給發(fā)電機的功率有明顯提升。對比雙饋發(fā)電機和同步速不同運行方式的輸出輸入功率關(guān)系來看，需要采用雙向變流器來滿足這一生產(chǎn)需求。

4 勵磁控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 對于勵磁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計研究

結(jié)合勵磁控制系統(tǒng)的運行特點來看，為了讓雙饋發(fā)電機滿足不同步速的工況運行要求，技術(shù)人員要將雙向變流器的輸出電壓、幅值作為研究對象，進而保證相序和相位調(diào)動互換。研究可知，相關(guān)技術(shù)人員可控制勵磁電流的相關(guān)信息來調(diào)節(jié)發(fā)動機的勵磁電流和無功功率，保證其功率效果，如將發(fā)電機的勵磁和風力機變槳融合在一起也可運用最佳的方式來調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速（見圖2）。

圖2 硬件設(shè)計圖

4.2 勵磁控制系統(tǒng)的組成

VSCF雙饋電發(fā)電機組的模擬實驗系統(tǒng)包括，設(shè)置額定功率為2.8kW感應(yīng)電機、調(diào)壓器和電動機、聯(lián)合80C196MC單片機、光電編碼器。

5 勵磁控制技術(shù)的內(nèi)容研究

整體而言，雙饋發(fā)電機組的勵磁控制技術(shù)涉及的內(nèi)容較多，結(jié)合80C196MC單片機、光電編碼器，在實際的變頻控制中，有變速恒頻控制、恒定電壓控制、雙饋發(fā)電機并網(wǎng)控制、多狀態(tài)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等，現(xiàn)將其分析總結(jié)如下。

5.1 變速恒頻控制研究

因為風力發(fā)電機的變速控制系統(tǒng)的內(nèi)容較多，在實際的操作中結(jié)合風力機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的勵磁電流頻率，保證雙饋發(fā)電機輸出頻率和電網(wǎng)保持同步，進而完成變速恒頻的控制目標。一般傳感器需要光電編碼器聯(lián)合使用，整個系統(tǒng)的操作方式較為輕松；無轉(zhuǎn)速傳感器的變速恒頻控制的操作技術(shù)操控難度較大，需要配合其他技術(shù)。

以上可知，勵磁控制系統(tǒng)多采用帶速度的變速恒頻控制系統(tǒng)，可設(shè)置定子電流的頻率為50Hz，可獲得勵磁電流頻率，和電機轉(zhuǎn)速的檢測信號有關(guān)聯(lián)。

一般而言，可通過計算光電編碼器輸出脈沖計算電機、轉(zhuǎn)速數(shù)值的關(guān)系。

計算結(jié)果可知，同步速定子繞組電流要比雙饋發(fā)電機組更高，整個電流頻率會伴隨著調(diào)節(jié)頻率發(fā)生波動，進而實現(xiàn)雙饋發(fā)電機的變速恒頻控制目標。

5.2 恒定電壓的控制技術(shù)

整個電子繞組運行時，雙饋發(fā)電機大多是空載運行，且整個定子繞組的電壓數(shù)值也會處于波動中，有效值會發(fā)生變化。

整體而言，在不同的轉(zhuǎn)速下，只要控制電子繞組的勵磁電流就可以保證定子繞組的電壓穩(wěn)定，若發(fā)電機負載運行受到定子電流的反應(yīng)磁場的影響，就算是整個勵磁電流值不發(fā)生變化，但是定子繞組和漏電抗壓會受影響，導致電子繞組電壓發(fā)生波動；一般可以采用電壓反饋調(diào)節(jié)方式來讓裝置勵磁電流實現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，進而保證不同的運行環(huán)境下發(fā)電機的電壓穩(wěn)定。經(jīng)過試驗表明，轉(zhuǎn)速從每分鐘1300轉(zhuǎn)到每分鐘1500轉(zhuǎn)，定子繞組的電壓波動值在±0.1v之內(nèi)，表示電壓得到恒定控制。

5.3 雙饋發(fā)電機并網(wǎng)控制研究

從整體勵磁控制系統(tǒng)來看，因為并網(wǎng)的電壓傳感器可以檢測出電網(wǎng)和發(fā)電機的電壓頻率、相位和相序，可通過調(diào)節(jié)雙向變流器來調(diào)節(jié)裝置的勵磁電流，讓發(fā)電機的輸出電壓和電網(wǎng)都具有相同的電壓頻率，整個輻值和相位也能保持一致，滿足并網(wǎng)的各個條件，實現(xiàn)自動運行；實際上，雙饋發(fā)電機在并網(wǎng)運行時定子電流可能會受到影響，導致電流振搗問題，分析原因可能是并網(wǎng)實驗組中沒有采用有功、無功功率閉環(huán)所導致的?？梢圆捎瞄]環(huán)控制方法讓發(fā)電機穩(wěn)定，將電流振蕩問題降到最低。

整體研究可知，并網(wǎng)發(fā)電機的電壓都比電網(wǎng)高，經(jīng)過并網(wǎng)后，發(fā)電機的電壓可作為電網(wǎng)的電壓，負載電流也饋入電網(wǎng)。而輔助負載的并網(wǎng)前電流和電壓也可以在并網(wǎng)后切除，后期可以方便對整個并網(wǎng)前后電流、繞組電壓進行對比；整體運行中，整個并網(wǎng)操作運用了輔助負載測量電壓、電流試驗。實際的變速恒頻雙饋發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)不需要輔助負載，可通過這一途徑來分析發(fā)電機的端電壓和并網(wǎng)的關(guān)系。

5.4 多狀態(tài)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

風力發(fā)電機一般露置大氣環(huán)境之中，而自然環(huán)境的各個要素如氣溫、風速、雨雪等，其隨機性差異很大，因此在系統(tǒng)選擇中，建議變流器會向轉(zhuǎn)子繞組饋入交流勵磁電流，而在亞同步的轉(zhuǎn)速環(huán)境中，同步轉(zhuǎn)速的變速器會對繞組直流電的不同變化情況造成影響，一般風速變化不穩(wěn)定會導致風力發(fā)電機無法形成穩(wěn)定提示，且運行時候也會存在同步速度的轉(zhuǎn)差區(qū)域控制問題。建議在實際的變頻系統(tǒng)中，及時避開小轉(zhuǎn)差區(qū)的區(qū)間問題，規(guī)避跨越同步問題。

6 結(jié)束語

風力發(fā)電技術(shù)是我國現(xiàn)代化能源技術(shù)的主流，我國以往的能源建設(shè)市場多受到國外技術(shù)的制約，因此在關(guān)鍵技術(shù)的運行和開發(fā)方面都存在一定的問題，如自主研發(fā)技術(shù)不足，國內(nèi)的風力發(fā)電技術(shù)運行不佳，缺乏資金等。為了促進我國的能源綜合建設(shè)，相關(guān)單位需要加強技術(shù)研發(fā)。綜上所述，作為變速恒頻雙饋風力發(fā)電勵磁工作的關(guān)鍵技術(shù)之一，多次可采用交流-交流的綜合控制模式或交流-直流-交流的控制技術(shù)實現(xiàn)亞同步、同步以及超同步工作，最終滿足工作變速工作環(huán)境的同步轉(zhuǎn)換。此外，并網(wǎng)操作也可以有效解決變速恒頻雙饋風力發(fā)電勵磁控制問題，減少波動電壓、電流的影響。