變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)研究

林成武，王鳳翔，姚興佳

（沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110023）

    摘  要：雙饋電機(jī)變速恒頻（VSCF）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電流的頻率、幅值、相位和相序來實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制的。該文在分析雙饋電機(jī)運(yùn)行原理和勵(lì)磁控制方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和構(gòu)建了基于80C196MC單片機(jī)的VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制試驗(yàn)系統(tǒng)。對(duì)變速恒頻控制、恒壓控制、并網(wǎng)控制以及亞同步速、同步速和超同步速三種不同運(yùn)行狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換控制技術(shù)，進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為兆瓦級(jí)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
         關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；變速恒頻；雙饋；勵(lì)磁控制

1  引言
        風(fēng)力發(fā)電以其無污染和可再生性，日益受到世界各國的廣泛重視，近年來得到迅速發(fā)展。采用雙饋電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)，如風(fēng)能利用系數(shù)高，能吸收由風(fēng)速突變所產(chǎn)生的能量波動(dòng)以避免主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力，以及可以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)等。
        變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心技術(shù)是基于電力電子和計(jì)算機(jī)控制的交流勵(lì)磁控制技術(shù)。盡管可采用理論分析和計(jì)算機(jī)仿真對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)進(jìn)行研究，然而由于仿真模型及其參數(shù)的非真實(shí)性和控制算法的非實(shí)時(shí)性，仿真研究往往難以代替模擬系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。本文在分析雙饋電機(jī)運(yùn)行原理和勵(lì)磁控制方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和構(gòu)建了基于80C196MC單片機(jī)的VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)其控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。
2  VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理
2.1  雙饋電機(jī)的VSCF控制原理
        VSCF風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、增速箱、雙饋發(fā)電機(jī)、雙向變流器和控制器組成，其原理框圖如圖1。雙饋發(fā)電機(jī)的定子繞組接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵(lì)，一般采用交-交變流器或交-直-交變流器供電。雙饋發(fā)電機(jī)可在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化可作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行始終處于最佳狀態(tài)，以提高風(fēng)能的利用率。當(dāng)電機(jī)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)饋入轉(zhuǎn)子繞組的電流，不僅能保持定子輸出的電壓和頻率不變，而且還能調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。
        根據(jù)感應(yīng)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對(duì)靜止的原理，可知VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定、轉(zhuǎn)子繞組電流頻率的關(guān)系如下

式中  f₁、f₂、n和p分別為定子電流頻率、轉(zhuǎn)子電流頻率、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和極對(duì)數(shù)。
        由式(1)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化時(shí)，若調(diào)節(jié)f₂相應(yīng)變化，可使f₁保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的VSCF控制。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于亞同步速運(yùn)行時(shí)，式(1)取正號(hào)；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于超同步速運(yùn)行時(shí)，式(1)取負(fù)號(hào)；同步速運(yùn)行時(shí)，f₂=0，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁電流。
2.2  不同運(yùn)行方式下的轉(zhuǎn)子繞組功率流向
        當(dāng)忽略電機(jī)損耗并取定子為發(fā)電機(jī)慣例而轉(zhuǎn)子為電動(dòng)機(jī)慣例時(shí)，發(fā)電機(jī)的定子輸出電功率P₁等于轉(zhuǎn)子輸入電功率P₂與電機(jī)軸上輸入機(jī)械功率P_mech之和，即

式中  s為轉(zhuǎn)差率。
        由式(2)~(4)可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)在亞同步速運(yùn)行時(shí)，s>0，需要向轉(zhuǎn)子繞組饋入電功率，由轉(zhuǎn)子傳遞給定子的電磁功率為sP₁，風(fēng)力機(jī)傳遞給定子的電功率只有(1-s)P₁。當(dāng)發(fā)電機(jī)在超同步速運(yùn)行時(shí)，s<0，此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組向外供電，即定轉(zhuǎn)子同時(shí)發(fā)電，此時(shí)風(fēng)力機(jī)供給發(fā)電機(jī)的功率增至(1+|s|)P₁。
         雙饋發(fā)電機(jī)在低于和高于同步速不同運(yùn)行方式下的輸入輸出功率關(guān)系，可用圖2功率流向示意圖表示。由于在低于和高于同步速不同運(yùn)行方式下轉(zhuǎn)子繞組的功率流向不同，因此需要采用雙向變流器。

3  勵(lì)磁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
3.1  勵(lì)磁控制系統(tǒng)的基本功能
         為滿足雙饋發(fā)電機(jī)低于同步速、同步速和高于同步速運(yùn)行的各種工況要求，向轉(zhuǎn)子繞組饋電的雙向變流器應(yīng)滿足輸出電壓（或電流）幅值、頻率、相位和相序可調(diào)。通過控制勵(lì)磁電流的幅值和相位可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無功功率；通過控制勵(lì)磁電流的頻率可調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率；通過風(fēng)力機(jī)變槳距控制與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制相結(jié)合，可按最佳運(yùn)行方式調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
3.2  勵(lì)磁控制系統(tǒng)基本組成
         VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖3所示。該系統(tǒng)由額定功率為2.8kW的繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī) 、直流拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)、調(diào)壓器、IGBT交直交雙向變流器、光電編碼器、電流及電壓傳感器、80C196MC單片機(jī)、PC機(jī)及參數(shù)顯示器等組成。

4  勵(lì)磁控制技術(shù)研究
4.1  變速恒頻控制
         雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制，就是根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化相應(yīng)地控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，使雙饋發(fā)電機(jī)輸出的電壓頻率與電網(wǎng)保持一致。實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制可以采用兩種方法，即有轉(zhuǎn)速傳感器和無轉(zhuǎn)速傳感器的變速恒頻控制。前者控制相對(duì)容易，但需要光電編碼器；后者控制技術(shù)稍復(fù)雜一些。
         圖3 所示勵(lì)磁控制系統(tǒng)采用有速度傳感器的變速恒頻控制。電機(jī)的極對(duì)數(shù)p=2，定子電流頻率f₁=50Hz。將p和f₁值代入式(1)，可得勵(lì)磁電流頻率f₂的與電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測信號(hào)的關(guān)系式。
        亞同步速時(shí)饋入轉(zhuǎn)子的電流頻率為

式中k_p是計(jì)數(shù)器在每10ms所記錄的光電編碼器的輸出脈沖數(shù)?？筛鶕?jù)光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出2000個(gè)脈沖計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速與k_p的關(guān)系。
        圖4是雙饋發(fā)電機(jī)低于同步速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子繞組電流隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)頻率的波形。由圖可以看出，轉(zhuǎn)子電流的頻率根據(jù)轉(zhuǎn)速按式(1)的規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)了雙饋發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制。

4.2  恒定電壓控制
        當(dāng)定子繞組開路，雙饋發(fā)電機(jī)作空載運(yùn)行時(shí),定子繞組開路相電壓的有效值為

式中  f₁為定子繞組的電壓頻率；N₁和k_w1分別為定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)和繞組系數(shù)。每極磁通f₀= f(I₂)由轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電流決定。
        由式(7)可知，當(dāng)定子繞組電壓頻率f₁為恒定值時(shí)，在不同轉(zhuǎn)速下只要保持轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電流值不變便可使定子繞組端電壓保持不變。然而當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由于定子繞組電阻和漏電抗壓降，以及由于定子電流電樞反應(yīng)磁場的影響，即使轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流不變，每極磁通和定子繞組端電壓也不再是常數(shù)。為了保持在不同運(yùn)行狀況下發(fā)電機(jī)端電壓恒定，需要通過電壓反饋調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制。試驗(yàn)表明，雙饋發(fā)電機(jī)輸出電壓采用閉環(huán)控制后，轉(zhuǎn)速由1300r/min增加到1480r/min，定子繞組輸出電壓僅變化了0.2V。
4.3  雙饋發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)控制
        傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多采用異步發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊較大。雙饋發(fā)電機(jī)可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)軟并網(wǎng)，避免并網(wǎng)時(shí)發(fā)生的電流沖擊和過大的電壓波動(dòng)。
        在圖3的勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，并網(wǎng)前用電壓傳感器分別檢測出電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)電壓的頻率、幅值、相位和相序，通過雙向變流器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)輸出電壓與電網(wǎng)相應(yīng)電壓頻率、幅值及相位一致，滿足并網(wǎng)條件時(shí)自動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)行。由圖5看出，并網(wǎng)后定子電流有振蕩現(xiàn)象，這是由于在并網(wǎng)試驗(yàn)中沒有采用有功和無功功率閉環(huán)控制造成的，采用閉環(huán)控制后，發(fā)電機(jī)的功角保持不變可解決電流震蕩問題。

    如圖5所示，并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)電壓略高于電網(wǎng)電壓，并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)電壓即為電網(wǎng)電壓。并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)電流為輔助負(fù)載的電流，并網(wǎng)后的電流為饋入電網(wǎng)的電流。輔助負(fù)載用于并網(wǎng)前的發(fā)電機(jī)電壓和電流監(jiān)測，并網(wǎng)后將輔助負(fù)載切除。為了便于并網(wǎng)前后發(fā)電機(jī)定子繞組電壓電流的比較，并網(wǎng)試驗(yàn)中采用了輔助負(fù)載檢測并網(wǎng)前定子繞組的電壓和電流，在實(shí)際VSCF系統(tǒng)中，不一定需要輔助負(fù)載，可檢測與比較電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的端電壓以確定是否滿足并網(wǎng)條件。
4.4  三態(tài)轉(zhuǎn)換控制
        在亞同步速運(yùn)行時(shí)，變流器向轉(zhuǎn)子繞組饋入交流勵(lì)磁電流，同步速運(yùn)行時(shí)變流器向轉(zhuǎn)子繞組饋入直流電，而超同步速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子繞組輸出交流電通過變流器饋入電網(wǎng)。亞同步、同步和超同步三種不同運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換是變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
        由于風(fēng)速變化的不穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)難以長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行在同步速。為了避免反復(fù)跨越同步點(diǎn)和在同步速附近小轉(zhuǎn)差區(qū)的控制難度，在實(shí)際變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，總是把穩(wěn)定運(yùn)行工作點(diǎn)選在避開同步速附近小轉(zhuǎn)差區(qū)(|s|<0.05)以外的區(qū)間。自然，跨越同步點(diǎn)是難免的。
        跨越同步點(diǎn)的三種運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換可采用兩種不同的方法，一是采用“交-直-交”控制模式，二是采用“交-交”控制模式。“交-直-交”控制模式是隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的增高逐漸降低轉(zhuǎn)子繞組電流的頻率，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)供給轉(zhuǎn)子繞組直流（此時(shí)轉(zhuǎn)子三相繞組為“兩并一串”的聯(lián)接方式而變流器以PWM方式控制不同橋臂的三個(gè)功率開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)閉，輸出可控的直流勵(lì)磁電流）。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過同步速后，變流器停止直流供電，此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組向變流器輸出轉(zhuǎn)差頻率的交流電。采用“交-直-交”控制模式的發(fā)電機(jī)跨越同步速時(shí)的轉(zhuǎn)子電流實(shí)測波形如圖6所示。“交-交”控制模式因省去了向轉(zhuǎn)子繞組供直流電的環(huán)節(jié)，控制稍微容易一些，但三種運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的平滑性稍差一些，其轉(zhuǎn)子電流試驗(yàn)波形如圖7所示。

5  結(jié)論
         （1）跨越同步速是變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制關(guān)鍵技術(shù)之一，采用“交-直-交”或“交-交”控制模式，可實(shí)現(xiàn)亞同步、同步和超同步運(yùn)行方式之間的轉(zhuǎn)換。
         （2）并網(wǎng)操作是變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制需要解決的另一關(guān)鍵技術(shù)?？刹捎貌煌牟⒕W(wǎng)方式（異步方式或同步方式），但需要解決并網(wǎng)過程中的電流沖擊和電壓波動(dòng)問題。

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