变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究

    3  励磁控制系统的硬件设计

    3.1  励磁控制系统的基本功能

    为满足双馈发电机低于同步速、同步速和高于同步速运行的各种工况要求，向转子绕组馈电的双向变流器应满足输出电压（或电流）幅值、频率、相位和相序可调。通过控制励磁电流的幅值和相位可以调节发电机的无功功率；通过控制励磁电流的频率可调节发电机的有功功率；通过风力机变桨距控制与发电机励磁控制相结合，可按最佳运行方式调节发电机的转速。

    3.2  励磁控制系统基本组成

    VSCF双馈风力发电机模拟试验系统框图如图3所示。该系统由额定功率为2.8kW的绕线转子感应电机 、直流拖动电动机、调压器、IGBT交直交双向变流器、光电编码器、电流及电压传感器、80C196MC单片机、PC机及参数显示器等组成。

4  励磁控制技术研究

4.1  变速恒频控制

         双馈风力发电机的变速恒频控制，就是根据风力机转速的变化相应地控制转子励磁电流的频率，使双馈发电机输出的电压频率与电网保持一致。实现变速恒频控制可以采用两种方法，即有转速传感器和无转速传感器的变速恒频控制。前者控制相对容易，但需要光电编码器；后者控制技术稍复杂一些。

         图3 所示励磁控制系统采用有速度传感器的变速恒频控制。电机的极对数p=2，定子电流频率f₁=50Hz。将p和f₁值代入式(1)，可得励磁电流频率f₂的与电机转速检测信号的关系式。

        亚同步速时馈入转子的电流频率为

　　式中k_p是计数器在每10ms所记录的光电编码器的输出脉冲数。可根据光电编码器每转输出2000个脉冲计算出电机转速与k_p的关系。

        图4是双馈发电机低于同步速运行时转子绕组电流随转速调节频率的波形。由图可以看出，转子电流的频率根据转速按式(1)的规律变化，实现了双馈发电机的变速恒频控制。

4.2  恒定电压控制

     当定子绕组开路，双馈发电机作空载运行时,定子绕组开路相电压的有效值为

　　式中  f₁为定子绕组的电压频率；N₁和k_w1分别为定子绕组每相串联匝数和绕组系数。每极磁通f₀= f(I₂)由转子绕组励磁电流决定。

        由式(7)可知，当定子绕组电压频率f₁为恒定值时，在不同转速下只要保持转子绕组励磁电流值不变便可使定子绕组端电压保持不变。然而当发电机负载运行时，由于定子绕组电阻和漏电抗压降，以及由于定子电流电枢反应磁场的影响，即使转子励磁电流不变，每极磁通和定子绕组端电压也不再是常数。为了保持在不同运行状况下发电机端电压恒定，需要通过电压反馈调节转子励磁电流实现闭环恒压控制。试验表明，双馈发电机输出电压采用闭环控制后，转速由1300r/min增加到1480r/min，定子绕组输出电压仅变化了0.2V。

4.3  双馈发电机的并网控制