1  引言

    風(fēng)力發(fā)電以其無污染和可再生性，日益受到世界各國的廣泛重視，近年來得到迅速發(fā)展。采用雙饋電機的變速恒頻風(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，如風(fēng)能利用系數(shù)高，能吸收由風(fēng)速突變所產(chǎn)生的能量波動以避免主軸及傳動機構(gòu)承受過大的扭矩和應(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算機控制的交流勵磁控制技術(shù)。盡管可采用理論分析和計算機仿真對變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)進行研究，然而由于仿真模型及其參數(shù)的非真實性和控制算法的非實時性，仿真研究往往難以代替模擬系統(tǒng)的試驗研究。本文在分析雙饋電機運行原理和勵磁控制方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計和構(gòu)建了基于80C196MC單片機的VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機的勵磁控制試驗系統(tǒng)，并對其控制技術(shù)進行了系統(tǒng)的試驗研究。

    2  VSCF風(fēng)力發(fā)電機的工作原理

    2.1  雙饋電機的VSCF控制原理

    VSCF風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機、增速箱、雙饋發(fā)電機、雙向變流器和控制器組成，其原理框圖如圖1。雙饋發(fā)電機的定子繞組接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵，一般采用交-交變流器或交-直-交變流器供電。雙饋發(fā)電機可在不同的轉(zhuǎn)速下運行，其轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化可作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使風(fēng)力機的運行始終處于最佳狀態(tài)，以提高風(fēng)能的利用率。當(dāng)電機的負載和轉(zhuǎn)速變化時，通過調(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)電機的功率因數(shù)。

    根據(jù)感應(yīng)電機定、轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對靜止的原理，可知VSCF風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速與定、轉(zhuǎn)子繞組電流頻率的關(guān)系如下

式中  f₁、f₂、n和p分別為定子電流頻率、轉(zhuǎn)子電流頻率、發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和極對數(shù)。

        由式(1)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化時，若調(diào)節(jié)f₂相應(yīng)變化，可使f₁保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機的VSCF控制。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機處于亞同步速運行時，式(1)取正號；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機處于超同步速運行時，式(1)取負號；同步速運行時，f₂=0，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁電流。

2.2  不同運行方式下的轉(zhuǎn)子繞組功率流向

        當(dāng)忽略電機損耗并取定子為發(fā)電機慣例而轉(zhuǎn)子為電動機慣例時，發(fā)電機的定子輸出電功率P₁等于轉(zhuǎn)子輸入電功率P₂與電機軸上輸入機械功率P_mech之和，即

式中  s為轉(zhuǎn)差率。

        由式(2)~(4)可知，當(dāng)發(fā)電機在亞同步速運行時，s>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sP₁，風(fēng)力機傳遞給定子的電功率只有(1-s)P₁。當(dāng)發(fā)電機在超同步速運行時，s<0，此時轉(zhuǎn)子繞組向外供電，即定轉(zhuǎn)子同時發(fā)電，此時風(fēng)力機供給發(fā)電機的功率增至(1+|s|)P₁。

         雙饋發(fā)電機在低于和高于同步速不同運行方式下的輸入輸出功率關(guān)系，可用圖2功率流向示意圖表示。由于在低于和高于同步速不同運行方式下轉(zhuǎn)子繞組的功率流向不同，因此需要采用雙向變流器。