變速恒頻雙饋風力發電機勵磁控制技術研究

    3  勵磁控制系統的硬件設計

    3.1  勵磁控制系統的基本功能

    為滿足雙饋發電機低于同步速、同步速和高于同步速運行的各種工況要求，向轉子繞組饋電的雙向變流器應滿足輸出電壓（或電流）幅值、頻率、相位和相序可調。通過控制勵磁電流的幅值和相位可以調節發電機的無功功率；通過控制勵磁電流的頻率可調節發電機的有功功率；通過風力機變槳距控制與發電機勵磁控制相結合，可按最佳運行方式調節發電機的轉速。

    3.2  勵磁控制系統基本組成

    VSCF雙饋風力發電機模擬試驗系統框圖如圖3所示。該系統由額定功率為2.8kW的繞線轉子感應電機 、直流拖動電動機、調壓器、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、PC機及參數顯示器等組成。

4  勵磁控制技術研究

4.1  變速恒頻控制

         雙饋風力發電機的變速恒頻控制，就是根據風力機轉速的變化相應地控制轉子勵磁電流的頻率，使雙饋發電機輸出的電壓頻率與電網保持一致。實現變速恒頻控制可以采用兩種方法，即有轉速傳感器和無轉速傳感器的變速恒頻控制。前者控制相對容易，但需要光電編碼器；后者控制技術稍復雜一些。

         圖3 所示勵磁控制系統采用有速度傳感器的變速恒頻控制。電機的極對數p=2，定子電流頻率f₁=50Hz。將p和f₁值代入式(1)，可得勵磁電流頻率f₂的與電機轉速檢測信號的關系式。

        亞同步速時饋入轉子的電流頻率為

　　式中k_p是計數器在每10ms所記錄的光電編碼器的輸出脈沖數。可根據光電編碼器每轉輸出2000個脈沖計算出電機轉速與k_p的關系。

        圖4是雙饋發電機低于同步速運行時轉子繞組電流隨轉速調節頻率的波形。由圖可以看出，轉子電流的頻率根據轉速按式(1)的規律變化，實現了雙饋發電機的變速恒頻控制。

4.2  恒定電壓控制

     當定子繞組開路，雙饋發電機作空載運行時,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匝數和繞組系數。每極磁通f₀= f(I₂)由轉子繞組勵磁電流決定。

        由式(7)可知，當定子繞組電壓頻率f₁為恒定值時，在不同轉速下只要保持轉子繞組勵磁電流值不變便可使定子繞組端電壓保持不變。然而當發電機負載運行時，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磁場的影響，即使轉子勵磁電流不變，每極磁通和定子繞組端電壓也不再是常數。為了保持在不同運行狀況下發電機端電壓恒定，需要通過電壓反饋調節轉子勵磁電流實現閉環恒壓控制。試驗表明，雙饋發電機輸出電壓采用閉環控制后，轉速由1300r/min增加到1480r/min，定子繞組輸出電壓僅變化了0.2V。

4.3  雙饋發電機的并網控制