變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制技術(shù)分析

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1、變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制技術(shù)分析 李享 【摘要】雙饋電機(jī)變速恒頻〔VSCF〕風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在變速恒頻控制方面，主要是通過對轉(zhuǎn)子繞組勵磁電流的相位、幅值、相序及頻率的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。本文首先簡要分析了雙饋電機(jī)的運(yùn)行原理，指出了其勵磁控制方法，設(shè)計了以80C196MC單片機(jī)為根底勵磁控制試驗系統(tǒng)。最后探討了動態(tài)轉(zhuǎn)換控制技術(shù)思路，望能經(jīng)此論述為此領(lǐng)域研究有所借鑒。 【關(guān)鍵詞】變速恒頻；雙饋；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；勵磁控制 中圖分類號：TM614文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-2457〔2021〕12-0184-002 DOI：10.19694/j ki.issn2095-2457.2021.12

2、.085 Analysisofexcitationcontroltechnologyofvariablespeedconstantfrequencydoubly-fedwindgenerator LIXiang 〔Fujianningdenuclearpowerco.，LTD.，fujianningde355200，China〕 【Abstract】TheVSCFwindpowersystemfordouble-fedmotorcontrolismainlyrealizedbyadjustingthephase，amplitude，phasesequenceandfrequencyof

3、therotorwindingexcitationcurrentinVSCFcontrol.Thispaperfirstbrieflyanalyzestheoperationprincipleofthedoubly-fedmotor，pointsoutitsexcitationcontrolmethod，anddesignsanexcitationcontroltestsystembasedonthe80C196MCmicrocontroller.Finally，theideaofdynamicconversioncontroltechnologyisdiscussed.Itishopedth

4、attheresearchinthisfieldcanbeusedforreference. 【Keywords】Variablespeedconstantfrequency；Doublefeed；Windturbine；Excitationcontrol 風(fēng)力發(fā)電憑借其可再生且無污染特性，在世界范圍內(nèi)得到越來越廣泛的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，基于雙饋電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，比方能夠最大程度吸收由風(fēng)速突然變化所產(chǎn)生的能量波動，以此來防止傳動機(jī)構(gòu)及主軸可能要承受的瞬時應(yīng)力與扭矩，比較高的風(fēng)能利用系數(shù)等。針對變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來講，其其關(guān)鍵技術(shù)就是以電力電子、計算

5、機(jī)控制為根底的交流勵磁控制技術(shù)。本文遵照雙饋電機(jī)運(yùn)行原理，以80C196MC單片機(jī)為根底，就VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)相應(yīng)勵磁控制試驗系統(tǒng)的具體設(shè)計思路作一探討。 1VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理分析 1.1雙饋電機(jī)VSCF控制原理分析 針對VSCF風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來講，其由多局部構(gòu)成，如控制器、雙饋發(fā)電機(jī)、風(fēng)力機(jī)、雙向變流器及增速箱等。對于雙饋發(fā)電機(jī)而言，其定子繞組與電網(wǎng)相連；由于轉(zhuǎn)子繞組具有能夠可根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)頻率的三相電源鼓勵，因此，通常情況下，系統(tǒng)會選用兩種供電方式，其一為交-交變流器供電，其二為交-直-交變流器供電。針對雙饋發(fā)電機(jī)而言，其無論在何種轉(zhuǎn)速下，均能保持運(yùn)行狀態(tài)，并且其轉(zhuǎn)速能

6、夠隨著風(fēng)速的改變而進(jìn)行調(diào)整，因而能使風(fēng)力機(jī)始終維持在最正確運(yùn)行狀態(tài)，始終獲得最正確的風(fēng)能利用率。如果電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載發(fā)生改變時，通過對饋入轉(zhuǎn)子繞組的電流進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，除了可以保障定子持續(xù)輸出穩(wěn)定不變的頻率與電壓外，還能根據(jù)實際需要，對發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。依據(jù)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組、定子繞組電流能夠產(chǎn)生相對靜止的旋轉(zhuǎn)磁場的原理得知，VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子繞組、定子繞組的電流頻率之間存在如下關(guān)系： f1=/60f2〔1〕 在此公式中，f1表示定子電流頻率，f2表示轉(zhuǎn)子電流頻率，n表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，p表示發(fā)電機(jī)的極對數(shù)。由此公式可知，如果轉(zhuǎn)速n改變，并對f2的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠使f1

7、維持在恒定不變的狀態(tài)，也就是始終一致于電網(wǎng)頻率，以此到達(dá)有效控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的目的。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)維持在一種亞同步速運(yùn)行狀態(tài)，那么將上述公式取正號；如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)維持在超同步速運(yùn)行狀態(tài)，那么上述公式可取負(fù)號；如果是同步速運(yùn)行，那么f2=0，變流器會將直流鼓勵磁電流提供給轉(zhuǎn)子。 1.2各種運(yùn)行方式下轉(zhuǎn)子繞組功率的流向分析 如果將電機(jī)損耗忽略，且將定子當(dāng)作發(fā)電機(jī)慣例，而轉(zhuǎn)子當(dāng)作電動機(jī)慣例時，那么此時的發(fā)電機(jī)定子輸出功率P1，與電機(jī)軸上輸入機(jī)械功率Pmech+轉(zhuǎn)子輸入電功率P2之和對等。依據(jù)感應(yīng)電機(jī)的根本原理，針對轉(zhuǎn)子繞組的電功率而言，可用公式表示為P2=sP1〔2〕；而電機(jī)軸上的機(jī)械功率可用公式

8、表示為Pmech=〔1-s〕P1〔3〕。在公式當(dāng)中，s表示的是轉(zhuǎn)差率。綜合分析上述公式可知，如果發(fā)電機(jī)的運(yùn)行處于亞同步速狀態(tài)時，那么s>0，需將電功率饋入至轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子向定子傳遞的電磁功率是sP1，而風(fēng)力機(jī)向定子傳遞的電功率僅為〔1-s〕P1。如果的運(yùn)行處于超同步速狀態(tài)，那么s2勵磁控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 2.1勵磁控制系統(tǒng)功能 為了更好的滿足雙饋電機(jī)的各種工況要求，即低于同步速、相同于同步速及高于同步速運(yùn)行等，雙向變流器需要滿足輸出電壓頻率、幅值、相位的可調(diào)性。通過對勵磁電流相位、幅值的相應(yīng)控制，能實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)無功功率的合理調(diào)節(jié)；而通過對勵磁電流的頻率進(jìn)行控制，那么能根據(jù)實際需要，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)

9、的有功功率，可以將發(fā)電機(jī)勵磁控制與風(fēng)力機(jī)變槳距控制相融合，根據(jù)實際運(yùn)作情況，按最正確方式來合理調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 2.2勵磁控制系統(tǒng)的構(gòu)成 針對VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬試驗系統(tǒng)而言，其由繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)〔額定功率2.8kW〕、調(diào)壓器、直流拖動電動機(jī)、光電編碼器、電壓傳感器、PC機(jī)、80C196MC單片機(jī)、雙向變流器等構(gòu)成。 3勵磁控制技術(shù) 3.1變速恒頻控制 針對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)開展針對性的變速恒頻控制，實際就是依據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速方面的改變，來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率的有效控制，使雙饋發(fā)電機(jī)所輸出的電壓頻率一致于電網(wǎng)。通常情況下，控制變速恒頻的方法主要有兩種，其一為有轉(zhuǎn)速傳感器變速恒頻控制，

10、其二為無轉(zhuǎn)速傳感器控制。針對前者而言，其控制起來比較容易，但需增設(shè)光電編碼器；而對于后者，那么需要相對復(fù)雜的控制技術(shù)。將電機(jī)的極對數(shù)設(shè)定為p=2，而將其定子電流頻率設(shè)為f1=50Hz。把這些數(shù)值均帶入到公式〔1〕中，便可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測信號與勵磁電流頻率f2之間的關(guān)系式。當(dāng)電機(jī)處于亞同步速時，饋入轉(zhuǎn)子的電流頻率用公式可表示為f2=50-kp/10〔4〕；而處于超同步速狀態(tài)時，饋入轉(zhuǎn)子的電流頻率可用公式表示為：f2=kp/10-50〔5〕。在公式中，kp所表示的是每10ms中計數(shù)器所記錄下的光電編碼器相應(yīng)輸出脈沖數(shù)?？梢罁?jù)光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出2000個脈沖，將電機(jī)轉(zhuǎn)速與kp之間的關(guān)系計算出來。當(dāng)雙

11、饋發(fā)電機(jī)相比于同步速運(yùn)行，處于偏低狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子繞組電流便會隨著轉(zhuǎn)速的不同，而對頻率波形進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，依據(jù)公式〔1〕的規(guī)律變化，可將轉(zhuǎn)子電流的頻率求出，最終到達(dá)控制雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻的目的。 3.2雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制 針對以往類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，其大多運(yùn)用的是異步發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)時會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊。而對于雙饋發(fā)電機(jī)來講，可根據(jù)實際情況，對轉(zhuǎn)子勵磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此來實現(xiàn)軟并網(wǎng)，防止并網(wǎng)過程中可能出現(xiàn)的電壓波動過大或電流沖擊過大的情況。針對勵磁控制系統(tǒng)來講，在將要并網(wǎng)前，先用電壓傳感器將發(fā)電機(jī)電壓以及電網(wǎng)的幅值、頻率、相序及相位計算出來，利用雙向變流器對轉(zhuǎn)子勵磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，促使發(fā)電機(jī)輸出

12、電壓一致于電網(wǎng)幅值、電壓頻率及相位，當(dāng)滿足并網(wǎng)條件時，可以自動并網(wǎng)運(yùn)行。如果并網(wǎng)后，定子電流出現(xiàn)震蕩情況，究其原因，可能是并網(wǎng)試驗中未選用無功與有功功率閉環(huán)控制所致，可選用閉環(huán)控制后，發(fā)電機(jī)成效保持不變，這便能有效解決電流震蕩問題。 4結(jié)語 綜上，針對跨越同步速來講，其乃是整個變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制操作的核心技術(shù)，可以根據(jù)實際需要，選擇交-交控制模式，或者是交-直-交模式，可實現(xiàn)超同步、同步與亞同步等運(yùn)行方式間的實時轉(zhuǎn)換。而并網(wǎng)操作為其另外一關(guān)鍵技術(shù)，可采用各種并網(wǎng)方式，但需要先將并網(wǎng)過程可能出現(xiàn)的電壓波動、電流沖擊問題解決掉。 【參考文獻(xiàn)】 【1】高緒明，杭乃善，梁雄，等.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵磁控制系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究[J].黑龍江電力，2021，29〔2〕：101-104. 【2】劉暢，呂躍剛.變速恒頻勵磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型及控制研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2021〔31〕：212-213. 【3】李嵐，曹天明.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2021，41〔3〕：290-292.