1、變速恒頻雙饋風力發電機勵磁控制技術研究林成武，王鳳翔，姚興佳（沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110023）摘 要：雙饋電機變速恒頻（VSCF）風力發電系統，是通過調節轉子繞組勵磁電流的頻率、幅值、相位和相序來實現變速恒頻控制的。該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。對變速恒頻控制、恒壓控制、并網控制以及亞同步速、同步速和超同步速三種不同運行狀態之間的動態轉換控制技術，進行了試驗研究，為兆瓦級變速恒頻雙饋風力發電機勵磁控制系統的設計奠定了基礎。關鍵詞：風力發電機；變速恒頻；雙饋；勵磁控制1 引言風力發電以其

2、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

3、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

4、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

5、子輸入電功率P2與電機軸上輸入機械功率Pmech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。3 勵磁控制系統的硬件設計3.1 勵磁控制系統的基本功

6、能為滿足雙饋發電機低于同步速、同步速和高于同步速運行的各種工況要求，向轉子繞組饋電的雙向變流器應滿足輸出電壓（或電流）幅值、頻率、相位和相序可調。通過控制勵磁電流的幅值和相位可以調節發電機的無功功率；通過控制勵磁電流的頻率可調節發電機的有功功率；通過風力機變槳距控制與發電機勵磁控制相結合，可按最佳運行方式調節發電機的轉速。3.2 勵磁控制系統基本組成VSCF雙饋風力發電機模擬試驗系統框圖如圖3所示。該系統由額定功率為2.8kW的繞線轉子感應電機 、直流拖動電動機、調壓器、IGBT交直交雙向變流器、光電編碼器、電流及電壓傳感器、80C196MC單片機、PC機及參數顯示器等組成。4 勵磁控制技術研

7、究4.1 變速恒頻控制雙饋風力發電機的變速恒頻控制，就是根據風力機轉速的變化相應地控制轉子勵磁電流的頻率，使雙饋發電機輸出的電壓頻率與電網保持一致。實現變速恒頻控制可以采用兩種方法，即有轉速傳感器和無轉速傳感器的變速恒頻控制。前者控制相對容易，但需要光電編碼器；后者控制技術稍復雜一些。圖3 所示勵磁控制系統采用有速度傳感器的變速恒頻控制。電機的極對數p=2，定子電流頻率f1=50Hz。將p和f1值代入式(1)，可得勵磁電流頻率f2的與電機轉速檢測信號的關系式。亞同步速時饋入轉子的電流頻率為式中kp是計數器在每10ms所記錄的光電編碼器的輸出脈沖數。可根據光電編碼器每轉輸出2000個脈沖計算出電

8、機轉速與kp的關系。圖4是雙饋發電機低于同步速運行時轉子繞組電流隨轉速調節頻率的波形。由圖可以看出，轉子電流的頻率根據轉速按式(1)的規律變化，實現了雙饋發電機的變速恒頻控制。4.2 恒定電壓控制當定子繞組開路，雙饋發電機作空載運行時,定子繞組開路相電壓的有效值為式中 f1為定子繞組的電壓頻率；N1和kw1分別為定子繞組每相串聯匝數和繞組系數。每極磁通f0= f(I2)由轉子繞組勵磁電流決定。由式(7)可知，當定子繞組電壓頻率f1為恒定值時，在不同轉速下只要保持轉子繞組勵磁電流值不變便可使定子繞組端電壓保持不變。然而當發電機負載運行時，由于定子繞組電阻和漏電抗壓降，以及由于定子電流電樞反應磁場

9、的影響，即使轉子勵磁電流不變，每極磁通和定子繞組端電壓也不再是常數。為了保持在不同運行狀況下發電機端電壓恒定，需要通過電壓反饋調節轉子勵磁電流實現閉環恒壓控制。試驗表明，雙饋發電機輸出電壓采用閉環控制后，轉速由1300r/min增加到1480r/min，定子繞組輸出電壓僅變化了0.2V。4.3 雙饋發電機的并網控制傳統的風力發電機組多采用異步發電機，并網時對電網的沖擊較大。雙饋發電機可通過調節轉子勵磁電流實現軟并網，避免并網時發生的電流沖擊和過大的電壓波動。在圖3的勵磁控制系統中，并網前用電壓傳感器分別檢測出電網和發電機電壓的頻率、幅值、相位和相序，通過雙向變流器調節轉子勵磁電流，使發電機輸出

10、電壓與電網相應電壓頻率、幅值及相位一致，滿足并網條件時自動并網運行。由圖5看出，并網后定子電流有振蕩現象，這是由于在并網試驗中沒有采用有功和無功功率閉環控制造成的，采用閉環控制后，發電機的功角保持不變可解決電流震蕩問題。如圖5所示，并網前發電機電壓略高于電網電壓，并網后發電機電壓即為電網電壓。并網前發電機電流為輔助負載的電流，并網后的電流為饋入電網的電流。輔助負載用于并網前的發電機電壓和電流監測，并網后將輔助負載切除。為了便于并網前后發電機定子繞組電壓電流的比較，并網試驗中采用了輔助負載檢測并網前定子繞組的電壓和電流，在實際VSCF系統中，不一定需要輔助負載，可檢測與比較電網和發電機的端電壓以

11、確定是否滿足并網條件。4.4 三態轉換控制在亞同步速運行時，變流器向轉子繞組饋入交流勵磁電流，同步速運行時變流器向轉子繞組饋入直流電，而超同步速運行時轉子繞組輸出交流電通過變流器饋入電網。亞同步、同步和超同步三種不同運行狀態的動態轉換是變速恒頻雙饋風力發電機勵磁控制的一項關鍵技術。由于風速變化的不穩定性，風力發電機難以長時間穩定運行在同步速。為了避免反復跨越同步點和在同步速附近小轉差區的控制難度，在實際變速恒頻風力發電系統中，總是把穩定運行工作點選在避開同步速附近小轉差區(|s|<0.05)以外的區間。自然，跨越同步點是難免的。跨越同步點的三種運行狀態的轉換可采用兩種不同的方法，一是采用“交-直-交”控制模式，二是采用“交-交”控制模式。“交-直-交”控制模式是隨著發電機轉速的增高逐漸降低轉子繞組電流的頻率，當轉速接近同步速時供給轉子繞組直流（此時轉子三相繞組為“兩并一串”的聯接方式而變流器以PWM方式控制不同橋臂的三個功率開關器件同時導通或關閉，輸出可控的直流勵磁電流）。當轉速超過同步速后，變流器停止直流供電，此時轉子繞組向變流器輸出轉差頻率的交流電。采用“交-直-交”控制模式的發電機跨越同步速時的轉子電流實測波形如圖6所示。“交-交”控制模式因省去了向轉子繞組供直流電的環節，控制稍微容易一些，但三種運