變速恒頻雙饋風力發電機勵磁控制技術研究

    1  引言

    風力發電以其無污染和可再生性，日益受到世界各國的廣泛重視，近年來得到迅速發展。采用雙饋電機的變速恒頻風力發電系統與傳統的恒速恒頻風力發電系統相比具有顯著的優勢，如風能利用系數高，能吸收由風速突變所產生的能量波動以避免主軸及傳動機構承受過大的扭矩和應力，以及可以改善系統的功率因數等。

    變速恒頻雙饋風力發電系統的核心技術是基于電力電子和計算機控制的交流勵磁控制技術。盡管可采用理論分析和計算機仿真對變速恒頻風力發電系統控制技術進行研究，然而由于仿真模型及其參數的非真實性和控制算法的非實時性，仿真研究往往難以代替模擬系統的試驗研究。本文在分析雙饋電機運行原理和勵磁控制方法的基礎上，設計和構建了基于80C196MC單片機的VSCF雙饋風力發電機的勵磁控制試驗系統，并對其控制技術進行了系統的試驗研究。

    2  VSCF風力發電機的工作原理

    2.1  雙饋電機的VSCF控制原理

    VSCF風力發電系統主要由風力機、增速箱、雙饋發電機、雙向變流器和控制器組成，其原理框圖如圖1。雙饋發電機的定子繞組接電網，轉子繞組由具有可調節頻率的三相電源激勵，一般采用交-交變流器或交-直-交變流器供電。雙饋發電機可在不同的轉速下運行，其轉速隨風速的變化可作適當的調整，使風力機的運行始終處于最佳狀態，以提高風能的利用率。當電機的負載和轉速變化時，通過調節饋入轉子繞組的電流，不僅能保持定子輸出的電壓和頻率不變，而且還能調節發電機的功率因數。

    根據感應電機定、轉子繞組電流產生的旋轉磁場相對靜止的原理，可知VSCF風力發電機轉速與定、轉子繞組電流頻率的關系如下

式中  f₁、f₂、n和p分別為定子電流頻率、轉子電流頻率、發電機的轉速和極對數。

        由式(1)可知，當轉速n發生變化時，若調節f₂相應變化，可使f₁保持恒定不變，即與電網頻率保持一致，實現風力發電機的VSCF控制。當風力發電機處于亞同步速運行時，式(1)取正號；當風力發電機處于超同步速運行時，式(1)取負號；同步速運行時，f₂=0，變流器向轉子提供直流勵磁電流。

2.2  不同運行方式下的轉子繞組功率流向

        當忽略電機損耗并取定子為發電機慣例而轉子為電動機慣例時，發電機的定子輸出電功率P₁等于轉子輸入電功率P₂與電機軸上輸入機械功率P_mech之和，即

式中  s為轉差率。

        由式(2)~(4)可知，當發電機在亞同步速運行時，s>0，需要向轉子繞組饋入電功率，由轉子傳遞給定子的電磁功率為sP₁，風力機傳遞給定子的電功率只有(1-s)P₁。當發電機在超同步速運行時，s<0，此時轉子繞組向外供電，即定轉子同時發電，此時風力機供給發電機的功率增至(1+|s|)P₁。

         雙饋發電機在低于和高于同步速不同運行方式下的輸入輸出功率關系，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行方式下轉子繞組的功率流向不同，因此需要采用雙向變流器。