變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)研究

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1、變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)研究林成武，王鳳翔，姚興佳（沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽110023）摘要：雙饋電機(jī)變速恒頻（VSCF）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電流的頻率、幅值、相位和相序來實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制的。該文在分析雙饋電機(jī)運(yùn)行原理和勵(lì)磁控制方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和構(gòu)建了基于80C196MC單片機(jī)的VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制試驗(yàn)系統(tǒng)。對(duì)變速恒頻控制、恒壓控制、并網(wǎng)控制以及亞同步速、同步速和超同步速三種不同運(yùn)行狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換控制技術(shù)，進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為兆瓦級(jí)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；變速恒頻；雙饋；勵(lì)磁控制1引言風(fēng)力發(fā)電

2、以其無污染和可再生性，日益受到世界各國(guó)的廣泛重視，近年來得到迅速發(fā)展。采用雙饋電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)，如風(fēng)能利用系數(shù)高，能吸收由風(fēng)速突變所產(chǎn)生的能量波動(dòng)以避免主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力，以及可以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)等。變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心技術(shù)是基于電力電子和計(jì)算機(jī)控制的交流勵(lì)磁控制技術(shù)。盡管可采用理論分析和計(jì)算機(jī)仿真對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)進(jìn)行研究，然而由于仿真模型及其參數(shù)的非真實(shí)性和控制算法的非實(shí)時(shí)性，仿真研究往往難以代替模擬系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。本文在分析雙饋電機(jī)運(yùn)行原理和勵(lì)磁控制方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和構(gòu)建了基于8

3、0C196MC單片機(jī)的VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)其控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。2VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理2.1雙饋電機(jī)的VSCF控制原理VSCF風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、增速箱、雙饋發(fā)電機(jī)、雙向變流器和控制器組成，其原理框圖如圖1。雙饋發(fā)電機(jī)的定子繞組接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵(lì)，一般采用交-交變流器或交-直-交變流器供電。雙饋發(fā)電機(jī)可在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化可作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行始終處于最佳狀態(tài)，以提高風(fēng)能的利用率。當(dāng)電機(jī)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)饋入轉(zhuǎn)子繞組的電流，不僅能保持定子輸出的電壓和頻率不變，而且還能調(diào)

4、節(jié)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。根據(jù)感應(yīng)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)靜止的原理，可知VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定、轉(zhuǎn)子繞組電流頻率的關(guān)系如下式中f1、f2、n和p分別為定子電流頻率、轉(zhuǎn)子電流頻率、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和極對(duì)數(shù)。由式(1)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化時(shí)，若調(diào)節(jié)f2相應(yīng)變化，可使f1保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的VSCF控制。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于亞同步速運(yùn)行時(shí)，式(1)取正號(hào)；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于超同步速運(yùn)行時(shí)，式(1)取負(fù)號(hào)；同步速運(yùn)行時(shí)，f2=0，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁電流。2.2不同運(yùn)行方式下的轉(zhuǎn)子繞組功率流向當(dāng)忽略電機(jī)損耗并取定子為發(fā)電機(jī)慣例而轉(zhuǎn)子為電動(dòng)機(jī)慣例時(shí)，

5、發(fā)電機(jī)的定子輸出電功率P1等于轉(zhuǎn)子輸入電功率P2與電機(jī)軸上輸入機(jī)械功率Pmech之和，即式中s為轉(zhuǎn)差率。由式(2)~(4)可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)在亞同步速運(yùn)行時(shí)，s>0，需要向轉(zhuǎn)子繞組饋入電功率，由轉(zhuǎn)子傳遞給定子的電磁功率為sP1，風(fēng)力機(jī)傳遞給定子的電功率只有(1-s)P1。當(dāng)發(fā)電機(jī)在超同步速運(yùn)行時(shí)，s<0，此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組向外供電，即定轉(zhuǎn)子同時(shí)發(fā)電，此時(shí)風(fēng)力機(jī)供給發(fā)電機(jī)的功率增至(1

6、s

7、)P1。雙饋發(fā)電機(jī)在低于和高于同步速不同運(yùn)行方式下的輸入輸出功率關(guān)系，可用圖2功率流向示意圖表示。由于在低于和高于同步速不同運(yùn)行方式下轉(zhuǎn)子繞組的功率流向不同，因此需要采用雙向變流器。3勵(lì)磁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

8、3.1勵(lì)磁控制系統(tǒng)的基本功能為滿足雙饋發(fā)電機(jī)低于同步速、同步速和高于同步速運(yùn)行的各種工況要求，向轉(zhuǎn)子繞組饋電的雙向變流器應(yīng)滿足輸出電壓（或電流）幅值、頻率、相位和相序可調(diào)。通過控制勵(lì)磁電流的幅值和相位可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無功功率；通過控制勵(lì)磁電流的頻率可調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率；通過風(fēng)力機(jī)變槳距控制與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制相結(jié)合，可按最佳運(yùn)行方式調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3.2勵(lì)磁控制系統(tǒng)基本組成VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖3所示。該系統(tǒng)由額定功率為2.8kW的繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)、直流拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)、調(diào)壓器、IGBT交直交雙向變流器、光電編碼器、電流及電壓傳感器、80C196MC單片機(jī)、PC機(jī)及參

9、數(shù)顯示器等組成。4勵(lì)磁控制技術(shù)研究4.1變速恒頻控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制，就是根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化相應(yīng)地控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，使雙饋發(fā)電機(jī)輸出的電壓頻率與電網(wǎng)保持一致。實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制可以采用兩種方法，即有轉(zhuǎn)速傳感器和無轉(zhuǎn)速傳感器的變速恒頻控制。前者控制相對(duì)容易，但需要光電編碼器；后者控制技術(shù)稍復(fù)雜一些。圖3所示勵(lì)磁控制系統(tǒng)采用有速度傳感器的變速恒頻控制。電機(jī)的極對(duì)數(shù)p=2，定子電流頻率f1=50Hz。將p和f1值代入式(1)，可得勵(lì)磁電流頻率f2的與電機(jī)轉(zhuǎn)