變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)研究

    3  勵(lì)磁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)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)的無功功率；通過控制勵(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)框圖如圖3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。

         圖3 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)p=2，定子電流頻率f₁=50Hz。將p和f₁值代入式(1)，可得勵(lì)磁電流頻率f₂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

　　式中k_p是計(jì)數(shù)器在每10ms所記錄的光電編碼器的輸出脈沖數(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k_p的關(guān)系。

        圖4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。

4.2  恒定電壓控制

     當(dāng)定子繞組開路，雙饋發(fā)電機(jī)作空載運(yùn)行時(shí),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(lián)匝數(shù)和繞組系數(shù)。每極磁通f₀= f(I₂)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f₁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。然而當(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