变速恒频双馈风电机组频率控制策略分析

王延峰

摘 要：本文通过对变速恒频双馈风电技术发展现状、重要性、技术分析和优点的研究，进而围绕着变速恒频系统之一的交流励磁双馈发电系统提出了解决变速恒频双馈风电机组频率控制的策略。如VSCF原理分析，和对交流励磁双馈发电系统进行硬件和软件的设计。

关键词：变速恒频双馈风电机组;频率控制;策略分析

引言：

风力能源是世界公认的一种清洁且能够可再生的绿色能源，相比于水力发电和火力发电具有用之不尽、取之不竭的优势。而且可以实现节省常规石油煤炭等不可再生能源的效果。风力发电技术不仅可以并网运行也可以离网运行十分灵活。双馈电机变速恒频发电系统在此之上优势更多，因此对其进行研究是有益的。

1简述变速恒频双馈风电技术

1.1风电技术发展现状

在我国，风力发电技术是重点研究对象。众所周知，风力发电是一种优秀的能源，是可再生能源，是国家支持的绿色环保发电方法。为了实现可持续发展，对此投入了大量的人力、物力和财力进行研究。目前我国的风力发电量数量之多已然登上世界的尖峰，我国同样是使用风力发电量最多的国家。我国风能资源较为丰富，平常走在路上就能感受到的风，竟然可以带来电力供应。风电的使用主要分布在新疆、内蒙古和沿海地区，全国风力系统安装超过2.5亿KW[1]。但是由于我国目前的风力发电仍处于发展阶段，因此产生大风会对普通人的生活和发电造成不良影响，因此要对风电技术继续进行研究。

1.2变速风电技术重要性

根据发电机的不同，风力发电可以根据发电机不同进行区分，一般分为两种，第一种变速恒频风力发电。其中变速恒频风力系统能够使风车转速根据风速不同而相应的发生变化，从科学的角度实现恒频发电。在风电机组容量越来越大的今天，其配置问题优化是具有重要意义的。

1.3变速恒频风力发电技术分析

因当代恒速恒频发电系统已经不能满足我们的需求，变速恒频风电系统的需求量便开始增加。变速恒频风力发电机系统的优势在于其可以自动调整发电机转速，不再需要手动调整，使风力发电系统运行效率大大提升。现阶段有两种变速恒频发电系统，一种是无刷双馈发电系统，另外一种是交流励磁双馈发电系统[2]。

1.4变速恒频风力发电技术的优点

变速恒频风力发电技术可以使发电系统以最大功率运行，对于发电量的提升是十分显著的。而且变速恒频风力发电系统使运行功率一直保持最大化，对于效率的提高也有明显帮助。此外，其还对使用寿命、成本、噪音生产等方面有优势。

2变速恒频双馈风电机组频率控制策略

本文设计主要围绕交流励磁双馈发电系统进行。

2.1VSCF控制原理

风电技术是由增速箱、双馈发电机、双流变速器、控制机和风力机等内容组成，在此装置的运作过程中，要实现三相电源激励，是通过双馈发电机带动有调节频率的转子绕组实现的[3]。根据交流-直流-交流或交流变速供电原理，双馈发电機的转速会在不同转速情况下产生不同变化，同时也会自动产生相应运行情况调整，使整个风力发电机组一直是稳定的状态，进而达到风能高效利用的效果。

根据感应电机定子、绕组电流相对静止原理，磁场与电流转速存在相关性，图1反映了VSCF的定转子绕组频率关系。该图反映了励磁控制的实现。转速虽然产生的变动，但是定子电流恒定不变，电网频率能够保持一致。

可以假设电机损耗对风电机整体不产生影响，将定子惯例认为是电动机惯例，在设置输出功率装置的输出功率数值时使其与输出功率和电机轴输出功率相同，那么在遵循感应电机原理下可以认为电机轴机械功率与转子绕组电功率存在相关性。通过转差率的两种不同结果得出结论，如果大于0，那么风力传子与定子电子电功率下降;如果小于0，就需要定子对外发电。再通过进行双馈发电机不同情况下的输出输入功率关系的研究，发现需要使用双向变流器才能满足生产的要求。

2.2硬件设计

技术人员进行励磁频率控制研究时，要结合励磁控制系统的运行特点。围绕特点，想要使双馈发电机达到不同步速工况运行的目标，就要对输出振幅和输出电压的研究着重进行。在把握重点同时，保证相序相位的调动与互换。

通过研究发现，控制励磁电流的相关信息可使发动机励磁电流与无功功率得到控制，更好的保护功率的效果。对于励磁电流频率的控制使发电机的有功功率可以根据实际需要得到相应的调节。如图2示例，将发电机风力机变桨和励磁融合同样不影响最佳方式对发动机转速进行调节。这样的VSCF双馈电发电机组的组成是由额定功率2.8KW的感应电机、电动机和调压器、联合80C196MC单片机以及光电编码器。

2.3内容设计

根据图二的实验内容，结合光电编码器和80C196MC单片机，可以对励磁控制技术内容进行研究。

2.3.1变速恒频控制

依据风力机转速的变化，更好地去控制这些转子励磁电流频率，以达到与电网电压频率一致的发电机输出频率。有转速传感器变速恒频控制以及无转速传感器控制是主要的两种控制变速恒频的手段。有转速传感器变速恒频，控制起来相比于另外的，它的难易程度要低一些，但其有光电编码器设置的硬性要求;无转速传感器控制的技术相对于前者更难。如果把定子电流频率设定成f1=50Hz，同时设置电机极对数为p=2，将数值带入f1=/60±f2中，可以得出f2与电机转速检测信号之间的关系式。馈入转子电流频率用公式表示为f2=50-kp/10。在超同步速状态中，馈入转子电流频率是f2=kp/10-50。亚同步速中，公式表示为f2=50-kp/10。Kp的意思是每10ms计数器记录的由光电编码器输出的脉冲数。根据光电编码器每转能够产生2000脉冲，进一步仔细的来计算出电机转速和kp之间存在的关系。根据以上公式和f1=/60±f2的规律，最终可以实现控制双馈发电机变速频率目标。

2.3.2恒定电压控制

从整体来看，由于双馈发电机空载运行概率高，定子绕组电压数值也持续不断地波动，因此有效值会产生一定的变动。为了保障定子绕组电压处于稳定状态，不同转速下需要控制电子绕组的励磁电流。如果定子电流反应磁场对发电机负载运行产生了影响，漏电抗压以及定子绕组变动，最终使绕组电压变动。针对这种问题，需要达到励磁电流实现闭环恒压控制，使发电机电压不论遭受什么突发情況，或者是任何影响都能保持稳定。一般的做法是用电压反馈调节的方式。

2.3.3双馈发电机并网控制

在过去的实践中发现，异步发电机在并网时会对电网产生很大的冲击，双馈发电机也会在进行并网运行时定子电流受到影响。并网的电压传感器对于发电机、电网的相位相序和电压频率都能进行检测，这可通过双向变流器的调节进行装置的励磁电流，得到输出电压与电网电压频率统一，相位等也满足并网条件，最终自动化运行。对于定子电流受影响的原因应与有功、无功功率闭环的未采用有关，这使电流震荡。这一问题可以通过使用闭环控制来解决，此时发电机功效不能改变，就可以解决好电流震荡问题。

2.3.4多状态转速控制

日常生活中随处可见的风力发电机都有一个共同特征，那就是这些发电机都暴露在自然环境当中。自然环境的变化比如气温的变化、风向的变化、风俗的变化、天气情况的变化，还有雷击、沙尘、暴雨暴雪等情况的发生，使其充满了随机性和差异性。且不同地区的风力发电机可能会面临着不同的气候与灾害。所以系统的选择也需要加以考虑。比如对于小型风力发电机在大风状态下的转速控制，可以通过变流器会向转子绕组馈入交流励磁电流，而迫使小型风力发电机在超过其负荷的情况下同步。在亚同步情况当中，变速器便起了作用，其会对绕组直流电造成影响。

结论：通过变速恒频双馈风电机组频率进行控制，未来的风力发电技术会更好的应用在更多地区。风力发电技术的改进，使未来我国电能供给和环境保护工作更加顺利地进行。也能使我国的风力发电技术领域登上世界舞台。

参考文献：

[1]杨锦阔，杨雪.基于风速对风电机组的功率特性研究与发电功率的预测[J].技术与市场，2020，27（04）：54-58.

[2]徐远攀.变速恒频风力发电关键技术研究[J].科技风，2019（34）：6.

[3]彭睿.变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究[J].科技创新与应用，2021，11（33）：113-116.