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。
2  VSCF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P_mech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
        传统的风力发电机组多采用异步发电机，并网时对电网的冲击较大。双馈发电机可通过调节转子励磁电流实现软并网，避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动。
        在图3的励磁控制系统中，并网前用电压传感器分别检测出电网和发电机电压的频率、幅值、相位和相序，通过双向变流器调节转子励磁电流，使发电机输出电压与电网相应电压频率、幅值及相位一致，满足并网条件时自动并网运行。由图5看出，并网后定子电流有振荡现象，这是由于在并网试验中没有采用有功和无功功率闭环控制造成的，采用闭环控制后，发电机的功角保持不变可解决电流震荡问题。

    如图5所示，并网前发电机电压略高于电网电压，并网后发电机电压即为电网电压。并网前发电机电流为辅助负载的电流，并网后的电流为馈入电网的电流。辅助负载用于并网前的发电机电压和电流监测，并网后将辅助负载切除。为了便于并网前后发电机定子绕组电压电流的比较，并网试验中采用了辅助负载检测并网前定子绕组的电压和电流，在实际VSCF系统中，不一定需要辅助负载，可检测与比较电网和发电机的端电压以确定是否满足并网条件。
4.4  三态转换控制
        在亚同步速运行时，变流器向转子绕组馈入交流励磁电流，同步速运行时变流器向转子绕组馈入直流电，而超同步速运行时转子绕组输出交流电通过变流器馈入电网。亚同步、同步和超同步三种不同运行状态的动态转换是变速恒频双馈风力发电机励磁控制的一项关键技术。
        由于风速变化的不稳定性，风力发电机难以长时间稳定运行在同步速。为了避免反复跨越同步点和在同步速附近小转差区的控制难度，在实际变速恒频风力发电系统中，总是把稳定运行工作点选在避开同步速附近小转差区(|s|<0.05)以外的区间。自然，跨越同步点是难免的。
        跨越同步点的三种运行状态的转换可采用两种不同的方法，一是采用“交-直-交”控制模式，二是采用“交-交”控制模式。“交-直-交”控制模式是随着发电机转速的增高逐渐降低转子绕组电流的频率，当转速接近同步速时供给转子绕组直流（此时转子三相绕组为“两并一串”的联接方式而变流器以PWM方式控制不同桥臂的三个功率开关器件同时导通或关闭，输出可控的直流励磁电流）。当转速超过同步速后，变流器停止直流供电，此时转子绕组向变流器输出转差频率的交流电。采用“交-直-交”控制模式的发电机跨越同步速时的转子电流实测波形如图6所示。“交-交”控制模式因省去了向转子绕组供直流电的环节，控制稍微容易一些，但三种运行状态转换的平滑性稍差一些，其转子电流试验波形如图7所示。

5  结论
         （1）跨越同步速是变速恒频双馈风力发电机励磁控制关键技术之一，采用“交-直-交”或“交-交”控制模式，可实现亚同步、同步和超同步运行方式之间的转换。
         （2）并网操作是变速恒频双馈风力发电机励磁控制需要解决的另一关键技术。可采用不同的并网方式（异步方式或同步方式），但需要解决并网过程中的电流冲击和电压波动问题。

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