雙饋電機風力發電系統的理論研究

1引言

在能源消耗日益增長、環境污染日漸嚴重的今天，作為可再生綠色能源的風能成為世界各國普遍重視的能源，風力發電技術也成為各國學者競相研究的熱點。風力發電技術中的變速恒頻發電方式是目前風力發電技術的發展方向，變速恒頻控制技術的風力發電系統主要由風力機、雙饋發電機、變頻器勵磁系統、控制檢測系統組成，如圖1所示。采用雙饋電機的風力發電系統允許原動機在一定范圍內變速運行，簡化了調整裝置，減少了調速時的機械應力；同時使機組控制更加靈活、方便，提高了機組運行效率，而且應用矢量控制可實現有功、無功的獨立調節[1][2]。

本文試圖對雙饋電機風力發電系統的一些基本理論進行分析，為后面進一步的仿真、實驗等研究工作提供理論依據。

圖1變速恒頻風力發電系統的基本結構

2雙饋異步發電機的基本結構和工作原理

雙饋型異步發電機在結構上類似繞線式異步電機，具有定、轉子兩套繞組，在正常工作時，雙饋電機的定子繞組接入工頻電網，轉子繞組由一個頻率、幅值、相位都可以調節的三相變頻電源供電，而變頻器的輸出直接或通過隔離變壓器接入電網。由于發電機的定子、轉子都參與了勵磁，“雙饋”的含義因此而得[3]。

從上式可知，當發電機轉速變化時，可通過調節轉子勵磁電流頻率f2保持定子輸出電能頻率f1恒定，這是變速恒頻運行的原理。當發電機亞同步運行時（nrn1），轉子繞組相序與定子相同，轉子電流產生的旋轉磁場轉速n2與轉子的轉速方向相同，因此有n1=nr+n2；當發電機超同步運行時（nr>n1），改變轉子繞組的相序，則其所產生的旋轉磁場轉速n2的轉向與轉子的轉向相反，因此有n1=nr-n2；當發電機同步速（nr=n1）運行時，f2=0，轉子進行直流勵磁[4]。

3雙饋電機的控制策略[5][6][7]

基于定子繞組接入無窮大電網，定子旋轉磁場角速度為同步角速度。因此，選用在空間以恒定同步速度旋轉的d—q—0坐標系下的變量，替代三相靜止坐標系下的真實變量來對電機進行分析。在穩態時，各電磁量的空間矢量相對于坐標軸靜止，這些電磁量在d—q—0坐標系下就不再是正弦交流量，而成了直流量。雙饋電機非線性、強耦合的數學模型在d—q—0同步坐標系中變成了常系數微分方程，電流、磁鏈等變量也以直流量的形式出現，如圖2所示。

圖2d—q軸下雙饋電機的物理模型

由式（6）可知，在定子磁鏈定向下，雙饋電機定子輸出有功功率P1和無功功率Q1分別與定子電流在d、q軸上的分量ids、iqs成正比，調節ids、iqs可分別獨立地調節P1、Q1，兩者實現了解耦控制。

代入定子磁鏈方程，整理后有：

這個轉子三相電壓分量值就可以用作產生PWM波轉子勵磁電源控制所需的指令信號，用于控制逆變主電路開關管的通斷，產生所需頻率、大小、相位的三相交流勵磁電源。以上關系式就構成了定子磁鏈定向下雙饋電機的矢量控制方程。

4定子磁鏈定向控制

根據前一節得到的矢量控制基本方程，可以設計出雙饋電機風力發電系統在定子磁鏈定向下的矢量控制側系統框圖，如圖4所示。

圖4雙饋電機定子磁鏈定向矢量控制框圖

5結語

總之，將雙饋電機應用在風力發電系統中，雙饋電機的轉子繞組經過雙向變頻器也接入電網，轉子繞組除電流頻率可調外，電流的幅值、相位也可調。初步研究顯示，通過矢量控制調節勵磁，可以實現發電機輸出的有功功率和無功功率的獨立調節。在實現最大風能捕獲的同時，還可以調節電網功率因數，提高了電力系統的動靜態性能和穩定性。

參考文獻

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附注

校級課題：小型風力發電機的變頻系統及控制策略的研究（項目編號：K200912）

作者簡介

方寧（1972—），男，副教授，研究方向為自動化與新能源■