变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究

    1  引言

    风力发电以其无污染和可再生性，日益受到世界各国的广泛重视，近年来得到迅速发展。采用双馈电机的变速恒频风力发电系统与传统的恒速恒频风力发电系统相比具有显著的优势，如风能利用系数高，能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力，以及可以改善系统的功率因数等。

    变速恒频双馈风力发电系统的核心技术是基于电力电子和计算机控制的交流励磁控制技术。尽管可采用理论分析和计算机仿真对变速恒频风力发电系统控制技术进行研究，然而由于仿真模型及其参数的非真实性和控制算法的非实时性，仿真研究往往难以代替模拟系统的试验研究。本文在分析双馈电机运行原理和励磁控制方法的基础上，设计和构建了基于80C196MC单片机的VSCF双馈风力发电机的励磁控制试验系统，并对其控制技术进行了系统的试验研究。

    2  VSCF风力发电机的工作原理

    2.1  双馈电机的VSCF控制原理

    VSCF风力发电系统主要由风力机、增速箱、双馈发电机、双向变流器和控制器组成，其原理框图如图1。双馈发电机的定子绕组接电网，转子绕组由具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交-交变流器或交-直-交变流器供电。双馈发电机可在不同的转速下运行，其转速随风速的变化可作适当的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，以提高风能的利用率。当电机的负载和转速变化时，通过调节馈入转子绕组的电流，不仅能保持定子输出的电压和频率不变，而且还能调节发电机的功率因数。

    根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可知VSCF风力发电机转速与定、转子绕组电流频率的关系如下

式中  f₁、f₂、n和p分别为定子电流频率、转子电流频率、发电机的转速和极对数。

        由式(1)可知，当转速n发生变化时，若调节f₂相应变化，可使f₁保持恒定不变，即与电网频率保持一致，实现风力发电机的VSCF控制。当风力发电机处于亚同步速运行时，式(1)取正号；当风力发电机处于超同步速运行时，式(1)取负号；同步速运行时，f₂=0，变流器向转子提供直流励磁电流。

2.2  不同运行方式下的转子绕组功率流向

        当忽略电机损耗并取定子为发电机惯例而转子为电动机惯例时，发电机的定子输出电功率P₁等于转子输入电功率P₂与电机轴上输入机械功率P_mech之和，即

式中  s为转差率。

        由式(2)~(4)可知，当发电机在亚同步速运行时，s>0，需要向转子绕组馈入电功率，由转子传递给定子的电磁功率为sP₁，风力机传递给定子的电功率只有(1-s)P₁。当发电机在超同步速运行时，s<0，此时转子绕组向外供电，即定转子同时发电，此时风力机供给发电机的功率增至(1+|s|)P₁。

         双馈发电机在低于和高于同步速不同运行方式下的输入输出功率关系，可用图2功率流向示意图表示。由于在低于和高于同步速不同运行方式下转子绕组的功率流向不同，因此需要采用双向变流器。