变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究

、、入叶阿程学第期卷第月年中国电以刃机工报、。文章编号中图分类号文献标识码学科分类号变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究林成武,王凤翔,姚兴佳沈阳工业大学辽宁沈阳呵认叭一了界各国的广泛重视加闪,℃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腼芜巩】叼涨月山一肠的而风力发电系统相比具有显著的优势数高如风能利用系切加政能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免以及可以主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力改善系统的功率因数等址尔以月犯们。即奴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俪加知勿珍加叮放。旧面】讲姆枕尽廿管可采用理论分析和计算机仿真对变速恒频风力发犷加加旧加旧电系统控制技术进行研究然而由于仿真模型及其团山比参数的非真实性和控制算法的非实时性仿真研究面往往难以代替模拟系统的试验研究加改侧本文在分析双设计和双馈风力加卯】面馈电机运行原理和励磁控制方法的基础上构建了基于加单片机的发电机的励磁控制试验系统加双馈电机变速恒频并对其控制技术进行了系统的试验研究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摘要风力发电机的工作原理双馈电机的控制原理单片机的制方法的基础上设计和构建了基于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风力发电系统主要由风力机增速箱双馈发电机图如图一双向变流器和控制器组成其原理框转子绕双馈发电机的定子绕组接电网一组由具有可调节频率的三相电源激励一交变流器或交直交变流器供电一般采用交双馈发电机可关键词风力发电机变速恒频双馈励磁控制在不同的转速下运行当的调整其转速随风速的变化可作适以提引言风力发电以其无污染和可再生性垂金项目丁石使风力机的运行始终处于最佳状态高风能的利用率日益受到世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国家高技术基金项目吮压和频率不变而且还能调节发电机的功率因数硒叩根据感应电机定磁场相对静止的原理转子绕组电流产生的旋转可知卜目侧风力发电机转速第期林成武等变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究电网侧器变流器驱动电路路定子电压定子电流转子电压转子电流电机转速图】变速恒频风力发电系统原理框图罗此七城笋四卿与定式中转子绕组电流频率的关系如下人士九关和分别为定子电流频率转子电图流频率发电机的转速和极对数可知勇勇低于同步速运行伪高于同步速运行双馒风力发电机的功率流向袱邵由式当转速发生变化时若调节人励磁控制系统的硬件设计励磁控制系统的基本功能为满足双馈发电机低于同步速于同步速运行的各种工况要求相应变化持一致可使五保持恒定不变即与电网频率保实现风力发电机的式控制当风力当风同步同步速和高发电机处于亚同步速运行时取正号取负号向转子绕组馈电的力发电机处于超同步速运行时速运行时人习式双向变流器应满足输出电压相位和相序可调或电流幅值频率变流器向转子提供直流励磁电流通过控制励磁电流的幅值和相位通过控制励磁电流的通过风力机变桨距不同运行方式下的转子绕组功率流向可以调节发电机的无功功率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尸频率可调节发电机的有功功率控制与发电机励磁控制相结合调节发电机的转速发电机的定子输出电功率可按最佳运行方式等于转子输入电功率凡与电机轴上输入机械功率之和即,励磁控制系统基本组成驴双馈风力发电机模拟试验系统框图如图根据感应电机的运行原理转子绕组的电功率和电所示应电机该系统由额定功率为的绕线转子感机轴上的机械功率可分别表示为尸尸衅二一直流拖动电动机一一一一一调压器交直交电源一一式中时为转差率由式一可知当发电机在亚同步速运行伞直流电动机定子电压转子电压电源电压电机转速仓辅助负载需要向转子绕组馈入电功率,由转子传令井双馈发电机双向变流器递给定子的电磁功率为电功率只有风力机传递给定子的一尸当发电机在超同步速运行时此时转子绕组向外供电即定转子同时发电、电流电流驱动电路此时风力机供给发电机的功率增至下的输入输出功率关系叻《犯州双馈发电机在低于和高于同步速不同运行方式可用图显示功率流向示意图图表示由于在低于和高于同步速不同运行方式下转变速恒频风力发电模拟试验系统框图山叨却甸喇”吧子绕组的功率流向不同因此需要采用双向变流器廿中国电机工程学报第卷双向变流器光电编码器电流及电压传感器值时在不同转速下只要保持转子绕组励磁电流值单片机机及参数显示器等组成不变便可使定子绕组端电压保持不变然而当发电励磁控制技术研究变速恒频控制机负载运行时励磁电流不变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每极磁通和定子绕组端电压也不再双馈风力发电机的变速恒频控制就是根据风是常数为了保持在不同运行状况下发电机端电压力机转速的变化相应地控制转子励磁电流的频率双馈发电机输出的电压频率与电网保持一致使恒定需要通过电压反馈调节转子励磁电流实现闭实现变环恒压控制闭环控制后试验表明转速由双馈发电机输出电压采用娜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需要光电编码器图关增加到加前者控制相对容易但定子绕组输出电压仅变化了双馈发电机的并网控制后者控制技术稍复杂一些所示励磁控制系统采用有速度传感器的传统的风力发电机组多采用异步发电机网时对电网的冲击较大并变速恒频控制将电机的极对数和五值代入式定子电流频率双馈发电机可通过调节转避免并网时发生的电流冲可得励磁电流频子励磁电流实现软并网率人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九一击和过大的电压波动在图和相序的励磁控制系统中并网前用电压传感称一器分别检测出电网和发电机电压的频率机输出电压与电网相应电压频率满足并网条件时自动并网运行定子电流有振荡现象后幅值相位超同步速时馈入转子的电流频率为通过双向变流器调节转子励磁电流使发电并网后凡式中称是计数器在每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个幅值及相位一致由图看出这是由于在并网试验中没有采脉冲计算出电机转速与气的关系是双馈发电机低于同步速运行时转子绕图组电流随转速调节频率的波形子电流的频率根据转速按式了双馈发电机的变速恒频控制广一下一一下一一犷一爪一一丁一一用有功和无功功率闭环控制造成的采用闭环控制发电机的功角保持不变可解决电流震荡问题由图可以看出转的规律变化实现窖乙叭卿禅内卿姗卿并网前电压《一一班边气弄入弃八洲讥兀件斤界汗厅八让工斌址沪认以以从孰认赚并网后电压滤之协耐叭叭似卿闷并网前电流码邸卿八卜犷网共井后电流一‘璐加干刀图自发电机并网过程定子电压和电流波形加略图电机转速变化转子绕组电流频率变化波形柱’一时的璐价”山如图电压所示并网前发电机电压略高于电网并网后发电机电压即为电网电压并网前发恒定电压控制当定子绕组开路电机电流为辅助负载的电流并网后的电流为馈入双馈发电机作空载运行时电网的电流电流监测辅助负载用于并网前的发电机电压和为了便于并网定子绕组开路相电压的有效值为壳关和式中人为定子绕组的电压频率,并网后将辅助负载切除前后发电机定子绕组电压电流的比较分别为流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在实际定子绕组每相串联匝数和绕组系数只由转子绕组励磁电流决定由式每极磁通贴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可知当定子绕组电压频率关为恒定足并网条件第期林成武等变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究三态转换控制结论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在亚同步速运行时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一一采用“一交直交一”或“交通过变流器馈入电网亚同步同步和超同步三种交”控制模式可实现亚同步同步和超同步运不同运行状态的动态转换是变速恒频双馈风力发电行方式之间的转换机励磁控制的一项关键技术长时间稳定运行在同步速并网操作是变速恒频双馈风力发电机励由于风速变化的不稳定性风力发电机难以磁控制需要解决的另一关键技术网方式可采用不同的并为了避免反复跨越同步在实际变异步方式或同步方式但需要解决并网点和在同步速附近小转差区的控制难度过程中的电流冲击和电压波动问题速恒频风力发电系统中总是把稳定运行工作点选以外的区间在避开同步速附近小转差区自然参考文献赶卜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二是采用“翻一是采用”“交直交一一”控制模式一”哩交直交控制交交控制模式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一“一』’山当转速接近同步速时供给转子绕组直流“加肠即汇川此时转子三相绕组为而变流器以两并一串”的联接方式方式控制不同桥臂的三个功率开由几口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一直一交控制模式的发电机跨越同步速时一的转子电流实测波形如图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关器件同时导通或关闭【《妞几、’“”〔】比昆“”翻孔址协〕常进张曾科感应电机恒功率因数控制的研究址内中国电机工程学报些其转子电流试验波形如图所示黄科元贺益康卞松江矶胡几截八六六八八八八姗盆西戮垮之姗到认俨幻矩阵式变换器交流励磁的变速恒频风力发电系统研究耐中国电机工程学报侧胳山璐收稿日期作者简介林成武风力发电控制技术图“交一直一交转换模式的转子电流波形招男教授主要研究方向为双馈调速与变速恒频一。卑之晒肠“姗嚼格王凤翔男教授博士生导师主要研究方向为特种电机及其控制姚兴佳电力电子与运动控制男教授主要研究方向为风力发电技术责任编辑韩蕾图艳交交一”转换模式的转子电流波形吧仪