雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理及發(fā)電控制技術(shù)研究

刁帥

摘要：隨著全球各國(guó)的工業(yè)發(fā)展速度加快，化石燃料儲(chǔ)存量隨之減少，因此風(fēng)能發(fā)電技術(shù)愈加重要。因?yàn)殡娏ζ髽I(yè)的風(fēng)能發(fā)電需求，風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到廣泛運(yùn)用?，F(xiàn)階段，我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展速率、技術(shù)運(yùn)用和推廣力度方面和國(guó)外相比存在一定差距。為推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)快速發(fā)展、運(yùn)用，文章從雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)角度分析了其運(yùn)行原理及發(fā)電控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)；運(yùn)行原理；發(fā)電控制技術(shù)；矢量控制；模糊控制 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM614 文章編號(hào)：1009-2374（2016）20-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.069

根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，在全球各國(guó)中，因風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，每年投入1000億元資金總額，約有100個(gè)國(guó)家開始研究、運(yùn)用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。因此，隨著化石燃料逐漸減少，社會(huì)生產(chǎn)需要太陽(yáng)能技術(shù)、發(fā)電技術(shù)和水利技術(shù)，這些技術(shù)也有可能代替火力發(fā)電技術(shù)。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究和運(yùn)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，大多數(shù)選擇雙饋式設(shè)計(jì)方式。筆者結(jié)合自身多年的風(fēng)電企業(yè)的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，立足雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)角度，分析其運(yùn)行原理、發(fā)電控制技術(shù)。

1 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)是由英國(guó)學(xué)者的設(shè)想而來(lái)，在自級(jí)聯(lián)導(dǎo)發(fā)電機(jī)研發(fā)基礎(chǔ)上，逐漸研發(fā)而來(lái)，雙饋式發(fā)電機(jī)與繞線異步電機(jī)有著結(jié)構(gòu)類似性，因定子、轉(zhuǎn)子兩部分均可以饋出、饋入電能，所以稱之為雙饋。另外，因雙饋式發(fā)電機(jī)利用轉(zhuǎn)子形成交流，因此，雙饋式發(fā)電機(jī)又叫做交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，雙饋主要指電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子，都能完成電力供應(yīng)。通常而言，雙饋式發(fā)電機(jī)是由接線盒、轉(zhuǎn)子、定子、冷卻系統(tǒng)、滑環(huán)系統(tǒng)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一般為散嵌繞組、半線圈與成型繞組構(gòu)成?；h(huán)系統(tǒng)包含滑環(huán)座、維護(hù)罩、碳刷、風(fēng)扇等構(gòu)成，滑環(huán)環(huán)氧澆注式、熱套式類型，冷卻系統(tǒng)包含水冷式和風(fēng)冷式方式。

從某種性質(zhì)來(lái)看，雙饋式發(fā)電機(jī)屬于異步式發(fā)電機(jī)范圍，這類發(fā)電機(jī)具有同步式發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組，一般用于功率因素、勵(lì)磁過程的調(diào)控，所以雙饋式發(fā)電機(jī)具有異步、同步兩種優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)雙饋式發(fā)電機(jī)定子貼心，有相同形狀凹槽的均勻分布，主要是用于嵌入定子繞組，通過定子三相電流，產(chǎn)生一定旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在轉(zhuǎn)子中，利用嵌入絕緣導(dǎo)線，可組成三相繞組。在轉(zhuǎn)子上引出三相線，再連接轉(zhuǎn)軸的集電環(huán)，通過電刷引出。通常而言，定子和工頻電網(wǎng)能夠直接連接，轉(zhuǎn)子通過變換器與電網(wǎng)連接，以便于轉(zhuǎn)子的交流勵(lì)磁。

同時(shí)，雙饋式發(fā)電機(jī)的成本較低、體積較小，調(diào)節(jié)方式為無(wú)功率調(diào)節(jié)，且抗電磁的干擾能力強(qiáng)，具有簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁過程和供電網(wǎng)絡(luò)沒有直接聯(lián)系，由轉(zhuǎn)子即可直接完成所處電路。所以雙饋式發(fā)電機(jī)的輸出能量較為穩(wěn)定，在工作過程中，電網(wǎng)通常不會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)幅度。雙饋式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)利用電機(jī)勵(lì)磁過程的控制，能夠準(zhǔn)確和快速地調(diào)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、功率因素。此外，對(duì)于風(fēng)力變化影響，雙饋式發(fā)電機(jī)適應(yīng)能力較強(qiáng)，可保持穩(wěn)定的輸出能力。

2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理分析

對(duì)于雙饋式發(fā)電機(jī)，定子連接供電網(wǎng)絡(luò)后，轉(zhuǎn)子連接雙脈沖調(diào)制變流器，接著介入到相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。所以在雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子端，如果電力參數(shù)沒有發(fā)生變化，利用雙脈沖變流器，即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子端電流。此外，在雙饋式發(fā)電機(jī)的運(yùn)行流程中，轉(zhuǎn)子部分利用交流，即可完成勵(lì)磁過程，確保發(fā)電機(jī)具有較強(qiáng)適應(yīng)能力、足夠穩(wěn)定性，對(duì)降低發(fā)電成本十分重要。按照定子和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)速率，雙饋式發(fā)電機(jī)主要包含以下三種運(yùn)轉(zhuǎn)模式：

2.1 超同步模式

如果定子磁場(chǎng)處于一種轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)且低于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)效率，轉(zhuǎn)軸輸出功率，則高于定子磁場(chǎng)功率。對(duì)于轉(zhuǎn)子所處電路，就無(wú)需直流勵(lì)磁電流。借助雙脈沖調(diào)制變流器，即可為供電網(wǎng)絡(luò)供電，所以處于該種模式狀態(tài)，發(fā)電機(jī)通過定子與轉(zhuǎn)子，向所處電路傳輸電能，即雙饋式發(fā)電機(jī)的正常工作模式。

2.2 同步模式

處于定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下，如果和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)速率相等，則轉(zhuǎn)軸出功率和電子功率也基本相同。雙饋式發(fā)電機(jī)就只能運(yùn)用定子所處電路，為供電網(wǎng)絡(luò)輸送電能，轉(zhuǎn)子所處電路無(wú)法參與其中，主要接受直流勵(lì)磁電流。處于這種狀態(tài)中，三者的轉(zhuǎn)動(dòng)速率基本相同，所以雙饋式發(fā)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)同步模式工作。

2.3 亞同步模式

如果定子磁場(chǎng)處于一種轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，且低于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)速率，轉(zhuǎn)軸輸出功率低于定子磁場(chǎng)功率。因此，在該種模式狀態(tài)下，必須依靠雙脈沖變流器，方可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子供電網(wǎng)絡(luò)的電能供給。電能輸出需依靠定子電路承擔(dān)，又稱之為補(bǔ)償發(fā)電。在發(fā)電機(jī)實(shí)際過程中，環(huán)境因素決定了發(fā)電機(jī)工作模式。若風(fēng)力變化較小，則雙饋式發(fā)電機(jī)處于亞同步模式。如果風(fēng)力充足，則雙饋式發(fā)電機(jī)處于正常工作模式。

2.4 模式分析

對(duì)于上述三種工作模式，筆者以變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，處于該系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子通過兩個(gè)背靠背連接，通過PWM變換器，交直交變換器連接電網(wǎng)。對(duì)于雙饋電機(jī)工作，主要分為超同步、同步階段，加上轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)差功率傳遞方向存在一定區(qū)別。雙饋式發(fā)電機(jī)功率主要分為4個(gè)不同狀態(tài)，次同步電動(dòng)、次同步發(fā)電、超同步電動(dòng)、超同步發(fā)電。假設(shè)將定子側(cè)功率設(shè)定為P1，轉(zhuǎn)子側(cè)設(shè)定為P2，電機(jī)機(jī)械功率設(shè)定為PJ，按照規(guī)定，如果定子為電網(wǎng)輸送電能，P1值就為正值，由電網(wǎng)吸收電能，則P1值為負(fù)值。如果轉(zhuǎn)子通過電網(wǎng)饋送電能，P2值為正值，由電網(wǎng)吸收電能，P2值為負(fù)值。如果電機(jī)吸收機(jī)械功率，PJ值為正值，電機(jī)輸出機(jī)械功率，PJ值為負(fù)值。

3 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制技術(shù)

近些年來(lái)，隨著人們?nèi)找婵释偕茉?，重視科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，風(fēng)電能源受到了社會(huì)各界關(guān)注，在整個(gè)電力系統(tǒng)的重要性也日益凸顯。風(fēng)力產(chǎn)生是風(fēng)力推動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)后，推動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。但風(fēng)速處于恒定不變狀態(tài)，進(jìn)而增加了槳葉轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定性，使得發(fā)電機(jī)電能頻率、電能波動(dòng)，所以如何保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性，控制好風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電能，是風(fēng)電系統(tǒng)的重要研究問題。在風(fēng)力作用下，槳葉處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，所產(chǎn)生，動(dòng)能能夠推動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。按照定子、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速率，通過轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子電流頻率、轉(zhuǎn)動(dòng)速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可完成雙饋式發(fā)電機(jī)的基本控制。一般而言，雙饋式發(fā)電機(jī)主要包含以下控制技術(shù)：

3.1 矢量控制

矢量控制技術(shù)的核心在于，按照定子相位值、電流頻率值構(gòu)建電流矢量參數(shù)，通過控制算法，能夠?qū)⒅绷髁哭D(zhuǎn)化成交流量。進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)與功率因素，提高能量轉(zhuǎn)化效率，保證電能輸入穩(wěn)定性、可靠性。一般來(lái)說(shuō)，矢量控制技術(shù)適用于風(fēng)力較小地區(qū)。

3.2 模糊控制

模糊控制技術(shù)是一種智能化控制技術(shù)，通常利用軟件對(duì)人類思維方式進(jìn)行模擬，借助相關(guān)經(jīng)驗(yàn)、處理辦法，根據(jù)風(fēng)向變化和風(fēng)力變化，做出相應(yīng)動(dòng)作反應(yīng)。處于各種情況下，所獲得控制數(shù)據(jù)，能夠保證系統(tǒng)順利運(yùn)轉(zhuǎn)，與系統(tǒng)最優(yōu)值最為接近。因此，該類控制技術(shù)運(yùn)用狀況對(duì)預(yù)設(shè)控制、開發(fā)人員經(jīng)驗(yàn)具有顯著依賴性。該種控制技術(shù)在風(fēng)力較大區(qū)域適用。

3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)關(guān)鍵是通過輸入轉(zhuǎn)矩的調(diào)控，根據(jù)相關(guān)分析理論，對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行控制，通過各種技術(shù)，在簡(jiǎn)單矢量建模、不復(fù)雜運(yùn)算基礎(chǔ)上，能夠直接計(jì)算出轉(zhuǎn)矩參數(shù)，對(duì)輸出電能穩(wěn)定性、參數(shù)具有控制作用。同時(shí)，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制技術(shù)有著多種類型，如滑膜變結(jié)構(gòu)等。

3.4 變速恒頻控制

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，因風(fēng)速呈現(xiàn)時(shí)變性質(zhì)，因此利用風(fēng)能發(fā)電具有一定難度，所以提升風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可有效提升風(fēng)機(jī)效率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能資源優(yōu)化利用。通常而言，供電網(wǎng)絡(luò)對(duì)于電能質(zhì)量，主要是有上網(wǎng)電壓頻率變化量、變化率的要求，這兩個(gè)量和上網(wǎng)有功、無(wú)功相關(guān)。因此。針對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓控制十分重要。雙饋式發(fā)電機(jī)控制，是通過變頻器控制勵(lì)磁相位與幅值，再控制電流頻率，通過三個(gè)量的控制調(diào)節(jié)，對(duì)勵(lì)磁控制器給定值進(jìn)行控制，以滿足變速恒頻控制的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)具備了異步式、同步式的優(yōu)點(diǎn)，為供電網(wǎng)絡(luò)能夠提供可靠、高效和穩(wěn)定的電能供應(yīng)，運(yùn)用、推廣前景十分廣泛。近些年來(lái)，隨著發(fā)電機(jī)制造工藝、控制技術(shù)的不斷發(fā)展、優(yōu)化，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到了廣泛運(yùn)用。同時(shí)，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究人員來(lái)說(shuō)，還需加強(qiáng)進(jìn)一步產(chǎn)品研發(fā)，提高發(fā)電機(jī)的控制性能，為我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)發(fā)展創(chuàng)造更多的能源。

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