变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术分析

李享

【摘 要】双馈电机变速恒频（VSCF）风力发电系统在变速恒频控制方面，主要是通过对转子绕组励磁电流的相位、幅值、相序及频率的调节来实现的。本文首先简要分析了双馈电机的运行原理，指出了其励磁控制方法，设计了以80C196MC单片机为基础励磁控制试验系统。最后探讨了动态转换控制技术思路，望能经此论述为此领域研究有所借鉴。

【关键词】变速恒频；双馈；风力发电机；励磁控制

中图分类号： TM614 文献标识码： A 文章编号： 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

风力发电凭借其可再生且无污染特性，在世界范围内得到越来越广泛的应用。相比于传统恒速恒频风力发电系统，基于双馈电机的变速恒频风力发电系统优势明显，比如能够最大程度吸收由风速突然变化所产生的能量波动，以此来避免传动机构及主轴可能要承受的瞬时应力与扭矩，比较高的风能利用系数等。针对变速恒频双馈风力发电系统来讲，其其关键技术就是以电力电子、计算机控制为基础的交流励磁控制技术。本文遵照双馈电机运行原理，以80C196MC单片机为基础，就VSCF双馈风力发电机相应励磁控制试验系统的具体设计思路作一探讨。

1 VSCF风力发电机的工作原理分析

1.1 双馈电机VSCF控制原理分析

针对VSCF风力发电系统来讲，其由多部分构成，如控制器、双馈发电机、风力机、双向变流器及增速箱等。对于双馈发电机而言，其定子绕组与电网相连；由于转子绕组具有能够可根据实际需要调节频率的三相电源激励，因此，通常情况下，系统会选用两种供电方式，其一为交-交变流器供电，其二为交-直-交变流器供电。针对双馈发电机而言，其无论在何种转速下，均能保持运行状态，并且其转速能够随着风速的改变而进行调整，因而能使风力机始终维持在最佳运行状态，始终获得最佳的风能利用率。如果电机的转速、负载发生改变时，通过对馈入转子绕组的电流进行适当调节，除了可以保障定子持续输出稳定不变的频率与电压外，还能根据实际需要，对发电机的功率因数进行合理调节。依据感应电机转子绕组、定子绕组电流能够产生相对静止的旋转磁场的原理得知，VSCF风力发电机的转速与转子绕组、定子绕组的电流频率之间存在如下关系：

f1=/60±f2（1）

在此公式中，f1表示定子电流频率，f2表示转子电流频率，n表示发电机的转速，p表示发电机的极对数。由此公式可知，如果转速n改变，并对f2的变化进行调节，能够使f1维持在恒定不变的状态，也就是始终一致于电网频率，以此达到有效控制风力发电机的目的。如果风力发电机维持在一种亚同步速运行状态，那么将上述公式取正号；如果风力发电机维持在超同步速运行状态，那么上述公式可取负号；如果是同步速运行，则f2=0，变流器会将直流激励磁电流提供给转子。

1.2 各种运行方式下转子绕组功率的流向分析

如果将电机损耗忽略，且将定子当作发电机惯例，而转子当作电动机惯例时，那么此时的发电机定子输出功率P1，与电机轴上输入机械功率Pmech+转子输入电功率P2之和对等。依据感应电机的基本原理，针对转子绕组的电功率而言，可用公式表示为P2=sP1 （2）；而电机轴上的机械功率可用公式表示为Pmech=（1-s）P1（3）。在公式當中，s表示的是转差率。综合分析上述公式可知，如果发电机的运行处于亚同步速状态时，则s>0，需将电功率馈入至转子绕组，转子向定子传递的电磁功率是sP1，而风力机向定子传递的电功率仅为（1-s）P1。如果的运行处于超同步速状态，则s<0，此时，转子绕组会持续向外供电，也就是定子与转子同时发电，风力机向发电机供电的功率增加到（1+s）P1。因高或低于同步速各种运行方式下，转子绕组会有不同的功率流向，所以，需选用双向变流器。

2 励磁控制系统硬件设计

2.1 励磁控制系统功能

为了更好的满足双馈电机的各种工况要求，即低于同步速、相同于同步速及高于同步速运行等，双向变流器需要满足输出电压频率、幅值、相位的可调性。通过对励磁电流相位、幅值的相应控制，能实现对发电机无功功率的合理调节；而通过对励磁电流的频率进行控制，则能根据实际需要，调节发电机的有功功率，可以将发电机励磁控制与风力机变桨距控制相融合，根据实际运作情况，按最佳方式来合理调节发电机转速。

2.2 励磁控制系统的构成

针对VSCF双馈风力发电机模拟试验系统而言，其由绕线转子感应电机（额定功率2.8kW）、调压器、直流拖动电动机、光电编码器、电压传感器、PC机、80C196MC单片机、双向变流器等构成。

3 励磁控制技术

3.1 变速恒频控制

针对双馈风力发电机开展针对性的变速恒频控制，实际就是依据风力机转速方面的改变，来实现对转子励磁电流频率的有效控制，使双馈发电机所输出的电压频率一致于电网。通常情况下，控制变速恒频的方法主要有两种，其一为有转速传感器变速恒频控制，其二为无转速传感器控制。针对前者而言，其控制起来比较容易，但需增设光电编码器；而对于后者，则需要相对复杂的控制技术。将电机的极对数设定为p=2，而将其定子电流频率设为f1=50Hz。把这些数值均带入到公式（1）中，便可得到电机转速检测信号与励磁电流频率f2之间的关系式。当电机处于亚同步速时，馈入转子的电流频率用公式可表示为f2=50-kp/10（4）；而处于超同步速状态时，馈入转子的电流频率可用公式表示为：f2=kp/10-50（5）。在公式中，kp所表示的是每10ms中计数器所记录下的光电编码器相应输出脉冲数。可依据光电编码器每转输出2000个脉冲，将电机转速与kp之间的关系计算出来。当双馈发电机相比于同步速运行，处于偏低状态时，转子绕组电流便会随着转速的不同，而对频率波形进行调节。因此，依据公式（1）的规律变化，可将转子电流的频率求出，最终达到控制双馈发电机变速恒频的目的。

3.2 双馈发电机并网控制

针对以往类型的风力发电机而言，其大多运用的是异步发电机，并网时会对电网产生较大冲击。而对于双馈发电机来讲，可根据实际情况，对转子励磁电流进行调节，以此来实现软并网，防止并网过程中可能出现的电压波动过大或电流冲击过大的情况。针对励磁控制系统来讲，在将要并网前，先用电压传感器将发电机电压以及电网的幅值、频率、相序及相位计算出来，利用双向变流器对转子励磁电流进行调节，促使发电机输出电压一致于电网幅值、电压频率及相位，当满足并网条件时，可以自动并网运行。如果并网后，定子电流出现震荡情况，究其原因，可能是并网试验中未选用无功与有功功率闭环控制所致，可选用闭环控制后，发电机功效保持不变，這便能有效解决电流震荡问题。

4 结语

综上，针对跨越同步速来讲，其乃是整个变速恒频双馈风力发电机励磁控制操作的核心技术，可以根据实际需要，选择交-交控制模式，或者是交-直-交模式，可实现超同步、同步与亚同步等运行方式间的实时转换。而并网操作为其另外一关键技术，可采用各种并网方式，但需要先将并网过程可能出现的电压波动、电流冲击问题解决掉。

【参考文献】

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[3]李岚，曹天明.变速恒频双馈风力发电机的功率控制[J].太原理工大学学报，2010，41（3）：290-292.