变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究

彭 睿

（国家电投集团广西兴安风电有限公司，广西 桂林541000）

风力发电是我国新能源开发的重点对象，风力发电的特点在于无污染和可再生特点，在现代生活中受到我国电力产业的重点关注。近年来，在信息化和科技生产的带动下，我国的电力生产技术获得飞速发展，对比风力发电机，双馈电类型的发电机对风能的利用率更高，而且可以迅速吸收风速的突变能量，也能够避免或者减少转动结构产生的弯矩和应力，最大程度改善系统的功率因数。

1 简述风力发电技术

风力发电技术属于我国现代可再生能源研究的重点，如今我国正投入大量的资金、技术、人力资源研发风力发电技术，进而减少现代能源危机影响，为我国的新能源产业的进一步发展奠定基础。从能源的现有利用情况以及能源的分布情况来看，在综合多因素建设影响下，我国的水力发电技术、核能发电技术虽然在早期的投入中显露了较大的优势，但是从这些技术的实际运行效果来看，水力发电的容量有限，还在研发中，同时核能发电条件苛刻，新能源发电需求也亟待解决。风能发电在当前的可再生能源中运用范围虽然不广，但是在很多特殊地区依旧是能源生产的关键技术，且该技术有望成为水电、火电之后的第三大发电电源。而且风能发电技术效能高，技术成熟，对部分地区的用电做出了重大的贡献。

从风能发电现状来看，我国风能资源丰富且可开发的装机容量超过了2.5亿kW，列居世界首位，风能发电主要运用在沿海地区、新疆、内蒙古等地区。按照发电机的运行方式可以将风力发电系统分为恒速恒频风力发电、变速恒频风力系统。其中恒速恒频风力发电系统是由控制系统检测分数，若风速大于起动风速时，控制系统就可以启动风机发电；这种处理方式十分便捷、高效、操作简单、实用性强，但是缺点在于风能资源利用率不高，因此在实际的系统运行管理中都采用大小两套发电机配合发电，而风速较低时候小容量风机独立发电，风速较大的时候可实现并网发电；变速恒频风力系统中风车转速会随着风速变化而有所变化，通过科学的调频可实现变速恒频风力发电。因为风机和电机转速范围广，一旦风速改变就需要适时调整风机转速并最大程度利用风能，这种装置的优势在于可以优化机组的运行效率，同时增加系统的发电效率，该技术也是国外主流的建设系统，也是我国如今研发的重要方向。此外，风力发电还能够按照发电机不同分为垂直式、水平式等类型；为了保证风力发电的有效性，相关技术人员需要做好设计研究，因地制宜设计机组，确保发电效能。

2 简述双馈电机风力发电励磁控制技术的设计理念

从技术的特点来看，变速恒频双馈风力发电技术融合了计算机控制技术和电力电子技术，属于一种特殊的交流励磁控制技术。为了保证双馈电设计的合理性，可针对其进行仿真模型和非参数的非真实性、控制算法的非实时性研究测试，进而实现理论分析和计算机验证的统一；整体而言，通过一些有效的技术来实现模拟研究，本文以双馈电机的运行特点和励磁控制技术要点，提出80C196MC的VSCF励磁控制的系统，探讨其运行可行性。目前，我国流行的双馈电机恒频风力发电技术多是运用调节转子绕组来实现变速恒频控制，可对电流的频率、幅值和相序、相位进行积极调整。通过分析双馈电机的运行原理和励磁控制方法可实现变频恒频、恒压以及并网控制、同步速和超同步多种状态的生产运行。通过研究该技术也可以为兆瓦级变速恒频双馈风力的励磁系统设计奠定基础。本文针对电机的运行特点，结合其实际运行需求设计出了基于80C196MC的VSCF励磁控制系统，现将相关设计研究内容阐述如下。

3 探讨双馈电机的基本工作原理

3.1 VSCF控制原理

一个完整的风力发电技术的组成内容包括了增速箱、双馈发电机、双流变速器、控制器和风力机等，整个装置运行中，双馈发电机带动有调节频率的转子绕组实现三相电源激励；可采用交流变速器或者是交流-直流-交流变速器供电。在不同的转速下，双馈发电机的转速会发生变化，且随着发电机的风速变化，整个运行情况也会有所调整，保证整个风力发电机组保持稳定的运行状态。进而提升风能的利用率，而整个风力机也会处于最佳状态来维护风能的利用率。通过调节转子绕组的电流可改善电机的转速和负载，此时也能够一并调节发电机组性能，还能够保证定制输出的电压恒定，频率也不会发生改变。

结合感应电机的定子、绕组电流的相对静止原理，电流转速和磁场有相关性，VSCF的定转子绕组频率关系下，转速发生变化，可保证定子电流恒定不变，此时电网的频率确实是保持一致的，实现了励磁控制（见图1）。

图1 发电系统原理图

3.2 不同运转情况下转子绕组的功率流向

若忽略电机损耗对整个风力发电机的影响，且将定子惯例当做电动机惯例。定制输出功率装置输出功率值和输出功率、电机轴输出功率保持一致，遵循感应电机原理，转子绕组电功率和电机轴的机械功率有关联性。如发电机的转差率大于零，表示装置绕组亏如电功率，风力传给定子电子电功率下降，若同步超速运行转差率小于零，需要定子对外发电。

整个风力供给发电机的功率有明显提升。对比双馈发电机和同步速不同运行方式的输出输入功率关系来看，需要采用双向变流器来满足这一生产需求。

4 励磁控制系统设计

4.1 对于励磁控制系统的硬件设计研究

结合励磁控制系统的运行特点来看，为了让双馈发电机满足不同步速的工况运行要求，技术人员要将双向变流器的输出电压、幅值作为研究对象，进而保证相序和相位调动互换。研究可知，相关技术人员可控制励磁电流的相关信息来调节发动机的励磁电流和无功功率，保证其功率效果，如将发电机的励磁和风力机变桨融合在一起也可运用最佳的方式来调节发动机的转速（见图2）。

图2 硬件设计图

4.2 励磁控制系统的组成

VSCF双馈电发电机组的模拟实验系统包括，设置额定功率为2.8kW感应电机、调压器和电动机、联合80C196MC单片机、光电编码器。

5 励磁控制技术的内容研究

整体而言，双馈发电机组的励磁控制技术涉及的内容较多，结合80C196MC单片机、光电编码器，在实际的变频控制中，有变速恒频控制、恒定电压控制、双馈发电机并网控制、多状态转速控制系统等，现将其分析总结如下。

5.1 变速恒频控制研究

因为风力发电机的变速控制系统的内容较多，在实际的操作中结合风力机转速调节转子的励磁电流频率，保证双馈发电机输出频率和电网保持同步，进而完成变速恒频的控制目标。一般传感器需要光电编码器联合使用，整个系统的操作方式较为轻松；无转速传感器的变速恒频控制的操作技术操控难度较大，需要配合其他技术。

以上可知，励磁控制系统多采用带速度的变速恒频控制系统，可设置定子电流的频率为50Hz，可获得励磁电流频率，和电机转速的检测信号有关联。

一般而言，可通过计算光电编码器输出脉冲计算电机、转速数值的关系。

计算结果可知，同步速定子绕组电流要比双馈发电机组更高，整个电流频率会伴随着调节频率发生波动，进而实现双馈发电机的变速恒频控制目标。

5.2 恒定电压的控制技术

整个电子绕组运行时，双馈发电机大多是空载运行，且整个定子绕组的电压数值也会处于波动中，有效值会发生变化。

整体而言，在不同的转速下，只要控制电子绕组的励磁电流就可以保证定子绕组的电压稳定，若发电机负载运行受到定子电流的反应磁场的影响，就算是整个励磁电流值不发生变化，但是定子绕组和漏电抗压会受影响，导致电子绕组电压发生波动；一般可以采用电压反馈调节方式来让装置励磁电流实现闭环恒压控制，进而保证不同的运行环境下发电机的电压稳定。经过试验表明，转速从每分钟1300转到每分钟1500转，定子绕组的电压波动值在±0.1v之内，表示电压得到恒定控制。

5.3 双馈发电机并网控制研究

从整体励磁控制系统来看，因为并网的电压传感器可以检测出电网和发电机的电压频率、相位和相序，可通过调节双向变流器来调节装置的励磁电流，让发电机的输出电压和电网都具有相同的电压频率，整个辐值和相位也能保持一致，满足并网的各个条件，实现自动运行；实际上，双馈发电机在并网运行时定子电流可能会受到影响，导致电流振捣问题，分析原因可能是并网实验组中没有采用有功、无功功率闭环所导致的。可以采用闭环控制方法让发电机稳定，将电流振荡问题降到最低。

整体研究可知，并网发电机的电压都比电网高，经过并网后，发电机的电压可作为电网的电压，负载电流也馈入电网。而辅助负载的并网前电流和电压也可以在并网后切除，后期可以方便对整个并网前后电流、绕组电压进行对比；整体运行中，整个并网操作运用了辅助负载测量电压、电流试验。实际的变速恒频双馈发电机励磁控制系统不需要辅助负载，可通过这一途径来分析发电机的端电压和并网的关系。

5.4 多状态转速控制系统

风力发电机一般露置大气环境之中，而自然环境的各个要素如气温、风速、雨雪等，其随机性差异很大，因此在系统选择中，建议变流器会向转子绕组馈入交流励磁电流，而在亚同步的转速环境中，同步转速的变速器会对绕组直流电的不同变化情况造成影响，一般风速变化不稳定会导致风力发电机无法形成稳定提示，且运行时候也会存在同步速度的转差区域控制问题。建议在实际的变频系统中，及时避开小转差区的区间问题，规避跨越同步问题。

6 结束语

风力发电技术是我国现代化能源技术的主流，我国以往的能源建设市场多受到国外技术的制约，因此在关键技术的运行和开发方面都存在一定的问题，如自主研发技术不足，国内的风力发电技术运行不佳，缺乏资金等。为了促进我国的能源综合建设，相关单位需要加强技术研发。综上所述，作为变速恒频双馈风力发电励磁工作的关键技术之一，多次可采用交流-交流的综合控制模式或交流-直流-交流的控制技术实现亚同步、同步以及超同步工作，最终满足工作变速工作环境的同步转换。此外，并网操作也可以有效解决变速恒频双馈风力发电励磁控制问题，减少波动电压、电流的影响。