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

彭 睿

（國(guó)家電投集團(tuán)廣西興安風(fēng)電有限公司，廣西 桂林541000）

風(fēng)力發(fā)電是我國(guó)新能源開發(fā)的重點(diǎn)對(duì)象，風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)在于無污染和可再生特點(diǎn)，在現(xiàn)代生活中受到我國(guó)電力產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。近年來，在信息化和科技生產(chǎn)的帶動(dòng)下，我國(guó)的電力生產(chǎn)技術(shù)獲得飛速發(fā)展，對(duì)比風(fēng)力發(fā)電機(jī)，雙饋電類型的發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用率更高，而且可以迅速吸收風(fēng)速的突變能量，也能夠避免或者減少轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩和應(yīng)力，最大程度改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。

1 簡(jiǎn)述風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)屬于我國(guó)現(xiàn)代可再生能源研究的重點(diǎn)，如今我國(guó)正投入大量的資金、技術(shù)、人力資源研發(fā)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，進(jìn)而減少現(xiàn)代能源危機(jī)影響，為我國(guó)的新能源產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。從能源的現(xiàn)有利用情況以及能源的分布情況來看，在綜合多因素建設(shè)影響下，我國(guó)的水力發(fā)電技術(shù)、核能發(fā)電技術(shù)雖然在早期的投入中顯露了較大的優(yōu)勢(shì)，但是從這些技術(shù)的實(shí)際運(yùn)行效果來看，水力發(fā)電的容量有限，還在研發(fā)中，同時(shí)核能發(fā)電條件苛刻，新能源發(fā)電需求也亟待解決。風(fēng)能發(fā)電在當(dāng)前的可再生能源中運(yùn)用范圍雖然不廣，但是在很多特殊地區(qū)依舊是能源生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，且該技術(shù)有望成為水電、火電之后的第三大發(fā)電電源。而且風(fēng)能發(fā)電技術(shù)效能高，技術(shù)成熟，對(duì)部分地區(qū)的用電做出了重大的貢獻(xiàn)。

從風(fēng)能發(fā)電現(xiàn)狀來看，我國(guó)風(fēng)能資源豐富且可開發(fā)的裝機(jī)容量超過了2.5億kW，列居世界首位，風(fēng)能發(fā)電主要運(yùn)用在沿海地區(qū)、新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)。按照發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式可以將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電、變速恒頻風(fēng)力系統(tǒng)。其中恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是由控制系統(tǒng)檢測(cè)分?jǐn)?shù)，若風(fēng)速大于起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)就可以啟動(dòng)風(fēng)機(jī)發(fā)電；這種處理方式十分便捷、高效、操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)，但是缺點(diǎn)在于風(fēng)能資源利用率不高，因此在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行管理中都采用大小兩套發(fā)電機(jī)配合發(fā)電，而風(fēng)速較低時(shí)候小容量風(fēng)機(jī)獨(dú)立發(fā)電，風(fēng)速較大的時(shí)候可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電；變速恒頻風(fēng)力系統(tǒng)中風(fēng)車轉(zhuǎn)速會(huì)隨著風(fēng)速變化而有所變化，通過科學(xué)的調(diào)頻可實(shí)現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍廣，一旦風(fēng)速改變就需要適時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速并最大程度利用風(fēng)能，這種裝置的優(yōu)勢(shì)在于可以優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行效率，同時(shí)增加系統(tǒng)的發(fā)電效率，該技術(shù)也是國(guó)外主流的建設(shè)系統(tǒng)，也是我國(guó)如今研發(fā)的重要方向。此外，風(fēng)力發(fā)電還能夠按照發(fā)電機(jī)不同分為垂直式、水平式等類型；為了保證風(fēng)力發(fā)電的有效性，相關(guān)技術(shù)人員需要做好設(shè)計(jì)研究，因地制宜設(shè)計(jì)機(jī)組，確保發(fā)電效能。

2 簡(jiǎn)述雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電勵(lì)磁控制技術(shù)的設(shè)計(jì)理念

從技術(shù)的特點(diǎn)來看，變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)，屬于一種特殊的交流勵(lì)磁控制技術(shù)。為了保證雙饋電設(shè)計(jì)的合理性，可針對(duì)其進(jìn)行仿真模型和非參數(shù)的非真實(shí)性、控制算法的非實(shí)時(shí)性研究測(cè)試，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理論分析和計(jì)算機(jī)驗(yàn)證的統(tǒng)一；整體而言，通過一些有效的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)模擬研究，本文以雙饋電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)和勵(lì)磁控制技術(shù)要點(diǎn)，提出80C196MC的VSCF勵(lì)磁控制的系統(tǒng)，探討其運(yùn)行可行性。目前，我國(guó)流行的雙饋電機(jī)恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)多是運(yùn)用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組來實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，可對(duì)電流的頻率、幅值和相序、相位進(jìn)行積極調(diào)整。通過分析雙饋電機(jī)的運(yùn)行原理和勵(lì)磁控制方法可實(shí)現(xiàn)變頻恒頻、恒壓以及并網(wǎng)控制、同步速和超同步多種狀態(tài)的生產(chǎn)運(yùn)行。通過研究該技術(shù)也可以為兆瓦級(jí)變速恒頻雙饋風(fēng)力的勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。本文針對(duì)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合其實(shí)際運(yùn)行需求設(shè)計(jì)出了基于80C196MC的VSCF勵(lì)磁控制系統(tǒng)，現(xiàn)將相關(guān)設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容闡述如下。

3 探討雙饋電機(jī)的基本工作原理

3.1 VSCF控制原理

一個(gè)完整的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的組成內(nèi)容包括了增速箱、雙饋發(fā)電機(jī)、雙流變速器、控制器和風(fēng)力機(jī)等，整個(gè)裝置運(yùn)行中，雙饋發(fā)電機(jī)帶動(dòng)有調(diào)節(jié)頻率的轉(zhuǎn)子繞組實(shí)現(xiàn)三相電源激勵(lì)；可采用交流變速器或者是交流-直流-交流變速器供電。在不同的轉(zhuǎn)速下，雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化，且隨著發(fā)電機(jī)的風(fēng)速變化，整個(gè)運(yùn)行情況也會(huì)有所調(diào)整，保證整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)而提升風(fēng)能的利用率，而整個(gè)風(fēng)力機(jī)也會(huì)處于最佳狀態(tài)來維護(hù)風(fēng)能的利用率。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組的電流可改善電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載，此時(shí)也能夠一并調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組性能，還能夠保證定制輸出的電壓恒定，頻率也不會(huì)發(fā)生改變。

結(jié)合感應(yīng)電機(jī)的定子、繞組電流的相對(duì)靜止原理，電流轉(zhuǎn)速和磁場(chǎng)有相關(guān)性，VSCF的定轉(zhuǎn)子繞組頻率關(guān)系下，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，可保證定子電流恒定不變，此時(shí)電網(wǎng)的頻率確實(shí)是保持一致的，實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁控制（見圖1）。

圖1 發(fā)電系統(tǒng)原理圖

3.2 不同運(yùn)轉(zhuǎn)情況下轉(zhuǎn)子繞組的功率流向

若忽略電機(jī)損耗對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響，且將定子慣例當(dāng)做電動(dòng)機(jī)慣例。定制輸出功率裝置輸出功率值和輸出功率、電機(jī)軸輸出功率保持一致，遵循感應(yīng)電機(jī)原理，轉(zhuǎn)子繞組電功率和電機(jī)軸的機(jī)械功率有關(guān)聯(lián)性。如發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率大于零，表示裝置繞組虧如電功率，風(fēng)力傳給定子電子電功率下降，若同步超速運(yùn)行轉(zhuǎn)差率小于零，需要定子對(duì)外發(fā)電。

整個(gè)風(fēng)力供給發(fā)電機(jī)的功率有明顯提升。對(duì)比雙饋發(fā)電機(jī)和同步速不同運(yùn)行方式的輸出輸入功率關(guān)系來看，需要采用雙向變流器來滿足這一生產(chǎn)需求。

4 勵(lì)磁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 對(duì)于勵(lì)磁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)研究

結(jié)合勵(lì)磁控制系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)來看，為了讓雙饋發(fā)電機(jī)滿足不同步速的工況運(yùn)行要求，技術(shù)人員要將雙向變流器的輸出電壓、幅值作為研究對(duì)象，進(jìn)而保證相序和相位調(diào)動(dòng)互換。研究可知，相關(guān)技術(shù)人員可控制勵(lì)磁電流的相關(guān)信息來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和無功功率，保證其功率效果，如將發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁和風(fēng)力機(jī)變槳融合在一起也可運(yùn)用最佳的方式來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（見圖2）。

圖2 硬件設(shè)計(jì)圖

4.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的組成

VSCF雙饋電發(fā)電機(jī)組的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括，設(shè)置額定功率為2.8kW感應(yīng)電機(jī)、調(diào)壓器和電動(dòng)機(jī)、聯(lián)合80C196MC單片機(jī)、光電編碼器。

5 勵(lì)磁控制技術(shù)的內(nèi)容研究

整體而言，雙饋發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制技術(shù)涉及的內(nèi)容較多，結(jié)合80C196MC單片機(jī)、光電編碼器，在實(shí)際的變頻控制中，有變速恒頻控制、恒定電壓控制、雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制、多狀態(tài)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等，現(xiàn)將其分析總結(jié)如下。

5.1 變速恒頻控制研究

因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速控制系統(tǒng)的內(nèi)容較多，在實(shí)際的操作中結(jié)合風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流頻率，保證雙饋發(fā)電機(jī)輸出頻率和電網(wǎng)保持同步，進(jìn)而完成變速恒頻的控制目標(biāo)。一般傳感器需要光電編碼器聯(lián)合使用，整個(gè)系統(tǒng)的操作方式較為輕松；無轉(zhuǎn)速傳感器的變速恒頻控制的操作技術(shù)操控難度較大，需要配合其他技術(shù)。

以上可知，勵(lì)磁控制系統(tǒng)多采用帶速度的變速恒頻控制系統(tǒng)，可設(shè)置定子電流的頻率為50Hz，可獲得勵(lì)磁電流頻率，和電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)信號(hào)有關(guān)聯(lián)。

一般而言，可通過計(jì)算光電編碼器輸出脈沖計(jì)算電機(jī)、轉(zhuǎn)速數(shù)值的關(guān)系。

計(jì)算結(jié)果可知，同步速定子繞組電流要比雙饋發(fā)電機(jī)組更高，整個(gè)電流頻率會(huì)伴隨著調(diào)節(jié)頻率發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙饋發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制目標(biāo)。

5.2 恒定電壓的控制技術(shù)

整個(gè)電子繞組運(yùn)行時(shí)，雙饋發(fā)電機(jī)大多是空載運(yùn)行，且整個(gè)定子繞組的電壓數(shù)值也會(huì)處于波動(dòng)中，有效值會(huì)發(fā)生變化。

整體而言，在不同的轉(zhuǎn)速下，只要控制電子繞組的勵(lì)磁電流就可以保證定子繞組的電壓穩(wěn)定，若發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行受到定子電流的反應(yīng)磁場(chǎng)的影響，就算是整個(gè)勵(lì)磁電流值不發(fā)生變化，但是定子繞組和漏電抗壓會(huì)受影響，導(dǎo)致電子繞組電壓發(fā)生波動(dòng)；一般可以采用電壓反饋調(diào)節(jié)方式來讓裝置勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，進(jìn)而保證不同的運(yùn)行環(huán)境下發(fā)電機(jī)的電壓穩(wěn)定。經(jīng)過試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)速?gòu)拿糠昼?300轉(zhuǎn)到每分鐘1500轉(zhuǎn)，定子繞組的電壓波動(dòng)值在±0.1v之內(nèi)，表示電壓得到恒定控制。

5.3 雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制研究

從整體勵(lì)磁控制系統(tǒng)來看，因?yàn)椴⒕W(wǎng)的電壓傳感器可以檢測(cè)出電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的電壓頻率、相位和相序，可通過調(diào)節(jié)雙向變流器來調(diào)節(jié)裝置的勵(lì)磁電流，讓發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電網(wǎng)都具有相同的電壓頻率，整個(gè)輻值和相位也能保持一致，滿足并網(wǎng)的各個(gè)條件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行；實(shí)際上，雙饋發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)定子電流可能會(huì)受到影響，導(dǎo)致電流振搗問題，分析原因可能是并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)組中沒有采用有功、無功功率閉環(huán)所導(dǎo)致的。可以采用閉環(huán)控制方法讓發(fā)電機(jī)穩(wěn)定，將電流振蕩問題降到最低。

整體研究可知，并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的電壓都比電網(wǎng)高，經(jīng)過并網(wǎng)后，發(fā)電機(jī)的電壓可作為電網(wǎng)的電壓，負(fù)載電流也饋入電網(wǎng)。而輔助負(fù)載的并網(wǎng)前電流和電壓也可以在并網(wǎng)后切除，后期可以方便對(duì)整個(gè)并網(wǎng)前后電流、繞組電壓進(jìn)行對(duì)比；整體運(yùn)行中，整個(gè)并網(wǎng)操作運(yùn)用了輔助負(fù)載測(cè)量電壓、電流試驗(yàn)。實(shí)際的變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)不需要輔助負(fù)載，可通過這一途徑來分析發(fā)電機(jī)的端電壓和并網(wǎng)的關(guān)系。

5.4 多狀態(tài)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般露置大氣環(huán)境之中，而自然環(huán)境的各個(gè)要素如氣溫、風(fēng)速、雨雪等，其隨機(jī)性差異很大，因此在系統(tǒng)選擇中，建議變流器會(huì)向轉(zhuǎn)子繞組饋入交流勵(lì)磁電流，而在亞同步的轉(zhuǎn)速環(huán)境中，同步轉(zhuǎn)速的變速器會(huì)對(duì)繞組直流電的不同變化情況造成影響，一般風(fēng)速變化不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)無法形成穩(wěn)定提示，且運(yùn)行時(shí)候也會(huì)存在同步速度的轉(zhuǎn)差區(qū)域控制問題。建議在實(shí)際的變頻系統(tǒng)中，及時(shí)避開小轉(zhuǎn)差區(qū)的區(qū)間問題，規(guī)避跨越同步問題。

6 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是我國(guó)現(xiàn)代化能源技術(shù)的主流，我國(guó)以往的能源建設(shè)市場(chǎng)多受到國(guó)外技術(shù)的制約，因此在關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)行和開發(fā)方面都存在一定的問題，如自主研發(fā)技術(shù)不足，國(guó)內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)運(yùn)行不佳，缺乏資金等。為了促進(jìn)我國(guó)的能源綜合建設(shè)，相關(guān)單位需要加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)。綜上所述，作為變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電勵(lì)磁工作的關(guān)鍵技術(shù)之一，多次可采用交流-交流的綜合控制模式或交流-直流-交流的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)亞同步、同步以及超同步工作，最終滿足工作變速工作環(huán)境的同步轉(zhuǎn)換。此外，并網(wǎng)操作也可以有效解決變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電勵(lì)磁控制問題，減少波動(dòng)電壓、電流的影響。