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　　風(fēng)力發(fā)電以其無(wú)污染和可再生性，日益受到世界各國(guó)的廣泛重視，近年來(lái)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(guò)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。

　　2VSCF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。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(guò)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(chǎng)相對(duì)靜止的原理，可知VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速定子電壓定子電流轉(zhuǎn)子電壓轉(zhuǎn)子電流，機(jī)轉(zhuǎn)速與定、轉(zhuǎn)子繞組電流頻率的關(guān)系如下流頻率、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)/2相應(yīng)變化，可使保持恒定不變，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)，/2=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A等于轉(zhuǎn)子輸入電功率心與電機(jī)軸上輸入機(jī)械功率之和，即根據(jù)感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行原理，轉(zhuǎn)子繞組的電功率和電機(jī)軸上的機(jī)械功率可分別表示為由式（2）~（4）可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)在亞同步速運(yùn)行時(shí)，5>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風(fēng)力機(jī)傳遞給定子的電功率只有當(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（l+Lyl）iV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：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(guò)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(wú)功功率；通過(guò)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(guò)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(wú)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。

　　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)/7=2，定子電流頻率/l=50Hz.將p和/；值代入式（1），可得勵(lì)磁電流頻率/2的與電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的關(guān)系式。

　　亞同步速時(shí)饋入轉(zhuǎn)子的電流頻率為超同步速時(shí)饋入轉(zhuǎn)子的電流頻率為輸出脈沖數(shù)。可根據(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)速與的關(guān)系。

　　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。

　　轉(zhuǎn)子繞組電流頻率變化波形4.2恒定電壓控制當(dāng)定子繞組開(kāi)路，雙饋發(fā)電機(jī)作空載運(yùn)行時(shí)，定子繞組開(kāi)路相電壓的有效值為定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)和繞組系數(shù)。每極磁通辦=只/2）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(chǎng)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(guò)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(guò)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(guò)大的電壓波動(dòng)。

　　在的勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，并網(wǎng)前用電壓傳感器分別檢測(cè)出電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)電壓的頻率、幅值、相位和相序，通過(guò)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(méi)有采用有功和無(wú)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(wèn)題。

　　發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程定子電壓和電流波形如所示，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(cè)，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(cè)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(cè)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(guò)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(zhǎng)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(kāi)同步速附近小轉(zhuǎn)差區(qū)屮丨<.5）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(kāi)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(guò)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(cè)波形如所示。“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)敢如所示。

　　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。

　　C2）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)。可采用不同的并網(wǎng)方，但需要解決并網(wǎng)過(guò)程中的電流沖擊和電壓波動(dòng)問(wèn)題。