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变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究
林成武，王凤翔，姚兴佳
（沈阳工业大学，辽宁沈阳110023）
摘要：双馈电机变速恒频（VSCF）风力发电系统，是通过调节转子绕组励磁电流的频率、幅值、相位和相序来实现变速恒频控制的。该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。对变速恒频控制、恒压控制、并网控制以及亚同步速、同步速和超同步速三种不同运行状态之间的动态转换控制技术，进行了试验研究，为兆瓦级变速恒频双馈风力发电机励磁控制系统的设计奠定了基础。关键词：风力发电机；变速恒频；双馈；励磁控制
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。2VSCF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Pmech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。

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