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

李享

【摘 要】雙饋電機(jī)變速恒頻（VSCF）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在變速恒頻控制方面，主要是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電流的相位、幅值、相序及頻率的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本文首先簡(jiǎn)要分析了雙饋電機(jī)的運(yùn)行原理，指出了其勵(lì)磁控制方法，設(shè)計(jì)了以80C196MC單片機(jī)為基礎(chǔ)勵(lì)磁控制試驗(yàn)系統(tǒng)。最后探討了動(dòng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)；勵(lì)磁控制

中圖分類號(hào)： TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(fēng)力發(fā)電憑借其可再生且無(wú)污染特性，在世界范圍內(nèi)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，基于雙饋電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，比如能夠最大程度吸收由風(fēng)速突然變化所產(chǎn)生的能量波動(dòng)，以此來(lái)避免傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及主軸可能要承受的瞬時(shí)應(yīng)力與扭矩，比較高的風(fēng)能利用系數(shù)等。針對(duì)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來(lái)講，其其關(guān)鍵技術(shù)就是以電力電子、計(jì)算機(jī)控制為基礎(chǔ)的交流勵(lì)磁控制技術(shù)。本文遵照雙饋電機(jī)運(yùn)行原理，以80C196MC單片機(jī)為基礎(chǔ)，就VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)相應(yīng)勵(lì)磁控制試驗(yàn)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)思路作一探討。

1 VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理分析

1.1 雙饋電機(jī)VSCF控制原理分析

針對(duì)VSCF風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來(lái)講，其由多部分構(gòu)成，如控制器、雙饋發(fā)電機(jī)、風(fēng)力機(jī)、雙向變流器及增速箱等。對(duì)于雙饋發(fā)電機(jī)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(shí)際需要調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵(lì)，因此，通常情況下，系統(tǒng)會(huì)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(duì)雙饋發(fā)電機(jī)而言，其無(wú)論在何種轉(zhuǎn)速下，均能保持運(yùn)行狀態(tài)，并且其轉(zhuǎn)速能夠隨著風(fēng)速的改變而進(jìn)行調(diào)整，因而能使風(fēng)力機(jī)始終維持在最佳運(yùn)行狀態(tài)，始終獲得最佳的風(fēng)能利用率。如果電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載發(fā)生改變時(shí)，通過(guò)對(duì)饋入轉(zhuǎn)子繞組的電流進(jìn)行適當(dāng)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(shí)際需要，對(duì)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。依據(jù)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組、定子繞組電流能夠產(chǎn)生相對(duì)靜止的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的原理得知，VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速，p表示發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)。由此公式可知，如果轉(zhuǎn)速n改變，并對(duì)f2的變化進(jìn)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(dá)到有效控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的目的。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)維持在一種亞同步速運(yùn)行狀態(tài)，那么將上述公式取正號(hào)；如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)維持在超同步速運(yùn)行狀態(tài)，那么上述公式可取負(fù)號(hào)；如果是同步速運(yùn)行，則f2=0，變流器會(huì)將直流激勵(lì)磁電流提供給轉(zhuǎn)子。

1.2 各種運(yùn)行方式下轉(zhuǎn)子繞組功率的流向分析

如果將電機(jī)損耗忽略，且將定子當(dāng)作發(fā)電機(jī)慣例，而轉(zhuǎn)子當(dāng)作電動(dòng)機(jī)慣例時(shí)，那么此時(shí)的發(fā)電機(jī)定子輸出功率P1，與電機(jī)軸上輸入機(jī)械功率Pmech+轉(zhuǎn)子輸入電功率P2之和對(duì)等。依據(jù)感應(yīng)電機(jī)的基本原理，針對(duì)轉(zhuǎn)子繞組的電功率而言，可用公式表示為P2=sP1 （2）；而電機(jī)軸上的機(jī)械功率可用公式表示為Pmech=（1-s）P1（3）。在公式當(dāng)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(jī)的運(yùn)行處于亞同步速狀態(tài)時(shí)，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(fēng)力機(jī)向定子傳遞的電功率僅為（1-s）P1。如果的運(yùn)行處于超同步速狀態(tài)，則s<0，此時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組會(huì)持續(xù)向外供電，也就是定子與轉(zhuǎn)子同時(shí)發(fā)電，風(fēng)力機(jī)向發(fā)電機(jī)供電的功率增加到（1+s）P1。因高或低于同步速各種運(yùn)行方式下，轉(zhuǎn)子繞組會(huì)有不同的功率流向，所以，需選用雙向變流器。

2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)功能

為了更好的滿足雙饋電機(jī)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(yùn)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(guò)對(duì)勵(lì)磁電流相位、幅值的相應(yīng)控制，能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的合理調(diào)節(jié)；而通過(guò)對(duì)勵(lì)磁電流的頻率進(jìn)行控制，則能根據(jù)實(shí)際需要，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率，可以將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制與風(fēng)力機(jī)變槳距控制相融合，根據(jù)實(shí)際運(yùn)作情況，按最佳方式來(lái)合理調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的構(gòu)成

針對(duì)VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)而言，其由繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)（額定功率2.8kW）、調(diào)壓器、直流拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)、光電編碼器、電壓傳感器、PC機(jī)、80C196MC單片機(jī)、雙向變流器等構(gòu)成。

3 勵(lì)磁控制技術(shù)

3.1 變速恒頻控制

針對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)開展針對(duì)性的變速恒頻控制，實(shí)際就是依據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速方面的改變，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率的有效控制，使雙饋發(fā)電機(jī)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(wú)轉(zhuǎn)速傳感器控制。針對(duì)前者而言，其控制起來(lái)比較容易，但需增設(shè)光電編碼器；而對(duì)于后者，則需要相對(duì)復(fù)雜的控制技術(shù)。將電機(jī)的極對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)與勵(lì)磁電流頻率f2之間的關(guān)系式。當(dāng)電機(jī)處于亞同步速時(shí)，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(shí)，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(jì)數(shù)器所記錄下的光電編碼器相應(yīng)輸出脈沖數(shù)。可依據(jù)光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出2000個(gè)脈沖，將電機(jī)轉(zhuǎn)速與kp之間的關(guān)系計(jì)算出來(lái)。當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)相比于同步速運(yùn)行，處于偏低狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組電流便會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的不同，而對(duì)頻率波形進(jìn)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(dá)到控制雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻的目的。

3.2 雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制

針對(duì)以往類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，其大多運(yùn)用的是異步發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊。而對(duì)于雙饋發(fā)電機(jī)來(lái)講，可根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)軟并網(wǎng)，防止并網(wǎng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的電壓波動(dòng)過(guò)大或電流沖擊過(guò)大的情況。針對(duì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)來(lái)講，在將要并網(wǎng)前，先用電壓傳感器將發(fā)電機(jī)電壓以及電網(wǎng)的幅值、頻率、相序及相位計(jì)算出來(lái)，利用雙向變流器對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，促使發(fā)電機(jī)輸出電壓一致于電網(wǎng)幅值、電壓頻率及相位，當(dāng)滿足并網(wǎng)條件時(shí)，可以自動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)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(yàn)中未選用無(wú)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(jī)功效保持不變，這便能有效解決電流震蕩問題。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，針對(duì)跨越同步速來(lái)講，其乃是整個(gè)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制操作的核心技術(shù)，可以根據(jù)實(shí)際需要，選擇交-交控制模式，或者是交-直-交模式，可實(shí)現(xiàn)超同步、同步與亞同步等運(yùn)行方式間的實(shí)時(shí)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(guò)程可能出現(xiàn)的電壓波動(dòng)、電流沖擊問題解決掉。

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