交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行與控制策略的相關(guān)研究

朱黎

【摘 要】本文僅對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中由網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器構(gòu)成的背靠背變換器的控制和并網(wǎng)策略進(jìn)行相關(guān)研究。網(wǎng)側(cè)變換器實(shí)質(zhì)上是電壓型高頻整流器，可以用來整流，也可以用來作有源逆變，甚至可以當(dāng)成是靜止無功功率發(fā)生器或是有源電力濾波器等等。

【關(guān)鍵詞】交流勵(lì)磁變速恒頻；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；系統(tǒng)的運(yùn)行；控制策略

交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，利用變速恒頻技術(shù)后可大大提高風(fēng)能的利用率。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)可改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可變，具有獨(dú)立的有功無功調(diào)節(jié)能力，可以深度進(jìn)行運(yùn)行而不失步.特別適用于風(fēng)力發(fā)電、抽水蓄能電站等場(chǎng)合。下面本文全面介紹了一種最新應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻技術(shù)，證明了發(fā)電機(jī)的性能由轉(zhuǎn)差率、轉(zhuǎn)子電壓的相位和幅值、定轉(zhuǎn)子電壓相位差所決定的。

一、交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)基本電磁關(guān)系

交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)與繞線型感應(yīng)電機(jī)相似，只是轉(zhuǎn)子繞組上加有滑環(huán)和電刷，這樣轉(zhuǎn)予側(cè)既可以輸入電能也可以輸出電能。當(dāng)采用交流勵(lì)磁時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與勵(lì)磁電流的頻率有關(guān)，從而使得交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電磁關(guān)系即不同于異步發(fā)電機(jī)又不同于同步發(fā)電機(jī)，本章主要介紹交流勵(lì)磁雙饋型發(fā)電機(jī)基本原理、等效電路圖、基本方程式、相量圖、能量流動(dòng)與平衡關(guān)系等等，以便在下面其它章節(jié)中能夠?qū)λM(jìn)行更為詳細(xì)的理論分析、仿真和研究。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)ACEG（ACExcitedGenerator）的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：定子與一般三相交流發(fā)電機(jī)定子一樣，具有分布式交流繞組；轉(zhuǎn)子不是采用同步發(fā)電機(jī)式的直流集中繞組，而是采用三相分布式對(duì)稱交流繞組，與三相繞線式異步電機(jī)（繞線型感應(yīng)電機(jī)）的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相似。它在正常工作時(shí)，其定子繞組接入工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)一個(gè)頻率、幅值、相位都可以調(diào)節(jié)的三相變頻電源供電，通常轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)的變頻電源采用交一交變頻電源，交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)空載時(shí)，其氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形成類似于同步發(fā)電機(jī)。它僅決定于轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流，但是當(dāng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶負(fù)載后，由定子電流引起的電樞反映將影響氣隙磁場(chǎng)，并且由于電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度不等于同步速度，使得描述電機(jī)行為特性的數(shù)學(xué)模型就變?yōu)橐唤M多變量、時(shí)變系數(shù)的微分方程組。要對(duì)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，必須分析其數(shù)學(xué)模型，從而找出比較適合的勵(lì)磁控制方法和策略。

二、交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)矢量控制策略

（一）矢量控制

由于交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)高階的非線性強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，若用常規(guī)的控制方法將十分復(fù)雜，而且效果難以令人滿意。而矢量控制可以在坐標(biāo)交換的基礎(chǔ)上。簡(jiǎn)化電機(jī)內(nèi)部各變量間的耦合關(guān)系，簡(jiǎn)化控制。矢量控制可以簡(jiǎn)化電機(jī)內(nèi)部各變量之間的電磁耦合關(guān)系，即可以簡(jiǎn)化控制。

在理論上講，采用矢量控制技術(shù)可使得交流電機(jī)具有和直流電機(jī)某些方面一樣的控制效果。目前，矢量控制在交流電動(dòng)機(jī)方面的研究取得了很多的成果并已大規(guī)模應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，而將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電機(jī)還處于研究階段。對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制，目前各種文獻(xiàn)較多。我們知道標(biāo)準(zhǔn)的三相交流電流通過對(duì)稱的三相繞組時(shí)能產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率（或者稱為轉(zhuǎn)速）是和交流電流的頻率是一致的，它的幅值是其中某一相電流幅值的1.5倍，這個(gè)磁場(chǎng)（或電流）是一個(gè)有方向、大小可旋轉(zhuǎn)的物理量，被稱為磁場(chǎng)矢量（或電流矢量），通過改變交流電流的頻率、幅值、相位以及相序，可以方便地控制磁場(chǎng)矢量的轉(zhuǎn)向、大小及空間的相對(duì)位置。

從物理上看，該磁場(chǎng)矢量是和一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的，由一個(gè)單一直流線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等效。通過改變直流線圈中的電流來改變磁場(chǎng)的大小。通過控制線圈的轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)向來改變磁場(chǎng)的變化。換句話說，靜止的三相對(duì)稱交流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)的直流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)等效。通過上面的分析我們可以認(rèn)為，電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)矢量可以由產(chǎn)生它的三相交流電來控制，我們把這個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量概念加以推廣，就得到電壓矢量、電流矢量、磁場(chǎng)矢量等等。矢量控制就是通過對(duì)交流電流的控制來達(dá)到控制目標(biāo)矢量空間的位置，使之能滿足我們的要求。

交流電機(jī)中的各種電磁量的關(guān)系，基本上都可以用各自相應(yīng)的矢量來描述，它們之間的制約關(guān)系，也可以從矢量的分析得到。（1）交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)矢量控制的目標(biāo)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)由兩套繞組：定子三相繞組和轉(zhuǎn)子三相繞組。轉(zhuǎn)子繞組如果流動(dòng)三相交流電流，就會(huì)在空間中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)矢量，這個(gè)磁場(chǎng)矢量切割定子繞組產(chǎn)生三相電流。反過來，定子電流在空間中也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)矢量，對(duì)轉(zhuǎn)子電流也會(huì)產(chǎn)生影響，使它的幅值、相位發(fā)生變化。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)中的各個(gè)電磁量的相互作用，可以認(rèn)為是各相應(yīng)矢量的相互作用。從效果上看，轉(zhuǎn)子的電壓矢量及電流矢量和定子電流矢量，電壓矢量存在一個(gè)相互制約的關(guān)系。在交流電機(jī)中，影響電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的還有電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)矩。通過電機(jī)中的復(fù)雜電磁耦合關(guān)系，交流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)正是由這幾個(gè)參量依照某些關(guān)系決定的。矢量控制的目標(biāo)就是使這些復(fù)雜的關(guān)系達(dá)到充分解耦控制，實(shí)現(xiàn)控制簡(jiǎn)單化。

（二）交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的功率矢量控制

在交流電路中，除了電阻外還包含電抗，這使得電路中的電壓和電流產(chǎn)生相位差，在這種含有電抗的交流電路中，電壓和電流有效值的乘積稱為視在功率。而有功功率是指電流消耗在電阻中的功率，數(shù)值上是電流和電阻壓降的有效值乘積，無功功率是指電流和電抗壓降的乘積。由于正弦波電流可以由兩個(gè)相互正交的同頻率的正弦電流合成，所以，電流可以看成是如下兩個(gè)分量的合成：與電壓同相位的分量和與電壓相位相差90度分量。一般有功功率可以認(rèn)為是電壓和與其同相位的電流的乘積，無功功率可以認(rèn)為是電壓和與其正交的電流的乘積。無窮大電網(wǎng)的電壓和頻率被認(rèn)為是不變的，當(dāng)交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入這樣的電網(wǎng)之后，它的端電壓可以認(rèn)為是常量，只有定子的電流是可以受到控制的，其中和電壓同相的分量稱為有功分量，和電壓正交的分量稱為無功分量。因而，對(duì)發(fā)電機(jī)功率的控制，在并網(wǎng)的條件下，可以認(rèn)為是對(duì)電流的控制。

三、結(jié)束語

由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能隨機(jī)波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)有著很大的沖擊。為了有效控制劇烈變化的風(fēng)速引起的輸出功率的波動(dòng)，在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用RCC控制策略，實(shí)現(xiàn)了有功功率和無功功率的靈活調(diào)節(jié)。同時(shí)，消除由于瞬變風(fēng)速引起的功率波動(dòng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]高強(qiáng)，李駁飛.基于交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究[J].通信電源技術(shù)，2016，33（5）：61-63.

[2]張鵬.并網(wǎng)型交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制研究[J].信息記錄材料，2017，18（5）：58-59.

[3]崔鳳明.交流勵(lì)磁變速恒頻雙饋型異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)功率關(guān)系[J].化工管理，2017（20）：15-15.