雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的理論研究

1引言

在能源消耗日益增長、環(huán)境污染日漸嚴(yán)重的今天，作為可再生綠色能源的風(fēng)能成為世界各國普遍重視的能源，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也成為各國學(xué)者競相研究的熱點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的變速恒頻發(fā)電方式是目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向，變速恒頻控制技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、變頻器勵(lì)磁系統(tǒng)、控制檢測系統(tǒng)組成，如圖1所示。采用雙饋電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)允許原動(dòng)機(jī)在一定范圍內(nèi)變速運(yùn)行，簡化了調(diào)整裝置，減少了調(diào)速時(shí)的機(jī)械應(yīng)力；同時(shí)使機(jī)組控制更加靈活、方便，提高了機(jī)組運(yùn)行效率，而且應(yīng)用矢量控制可實(shí)現(xiàn)有功、無功的獨(dú)立調(diào)節(jié)[1][2]。

本文試圖對雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一些基本理論進(jìn)行分析，為后面進(jìn)一步的仿真、實(shí)驗(yàn)等研究工作提供理論依據(jù)。

圖1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2雙饋異步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

雙饋型異步發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似繞線式異步電機(jī)，具有定、轉(zhuǎn)子兩套繞組，在正常工作時(shí)，雙饋電機(jī)的定子繞組接入工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由一個(gè)頻率、幅值、相位都可以調(diào)節(jié)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(wǎng)。由于發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子都參與了勵(lì)磁，“雙饋”的含義因此而得[3]。

從上式可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)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(yùn)行的原理。當(dāng)發(fā)電機(jī)亞同步運(yùn)行時(shí)（nrn1），轉(zhuǎn)子繞組相序與定子相同，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n2與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速方向相同，因此有n1=nr+n2；當(dāng)發(fā)電機(jī)超同步運(yùn)行時(shí)（nr>n1），改變轉(zhuǎn)子繞組的相序，則其所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n2的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反，因此有n1=nr-n2；當(dāng)發(fā)電機(jī)同步速（nr=n1）運(yùn)行時(shí)，f2=0，轉(zhuǎn)子進(jìn)行直流勵(lì)磁[4]。

3雙饋電機(jī)的控制策略[5][6][7]

基于定子繞組接入無窮大電網(wǎng)，定子旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的d—q—0坐標(biāo)系下的變量，替代三相靜止坐標(biāo)系下的真實(shí)變量來對電機(jī)進(jìn)行分析。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，各電磁量的空間矢量相對于坐標(biāo)軸靜止，這些電磁量在d—q—0坐標(biāo)系下就不再是正弦交流量，而成了直流量。雙饋電機(jī)非線性、強(qiáng)耦合的數(shù)學(xué)模型在d—q—0同步坐標(biāo)系中變成了常系數(shù)微分方程，電流、磁鏈等變量也以直流量的形式出現(xiàn)，如圖2所示。

圖2d—q軸下雙饋電機(jī)的物理模型

由式（6）可知，在定子磁鏈定向下，雙饋電機(jī)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(diào)節(jié)ids、iqs可分別獨(dú)立地調(diào)節(jié)P1、Q1，兩者實(shí)現(xiàn)了解耦控制。

代入定子磁鏈方程，整理后有：

這個(gè)轉(zhuǎn)子三相電壓分量值就可以用作產(chǎn)生PWM波轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源控制所需的指令信號，用于控制逆變主電路開關(guān)管的通斷，產(chǎn)生所需頻率、大小、相位的三相交流勵(lì)磁電源。以上關(guān)系式就構(gòu)成了定子磁鏈定向下雙饋電機(jī)的矢量控制方程。

4定子磁鏈定向控制

根據(jù)前一節(jié)得到的矢量控制基本方程，可以設(shè)計(jì)出雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在定子磁鏈定向下的矢量控制側(cè)系統(tǒng)框圖，如圖4所示。

圖4雙饋電機(jī)定子磁鏈定向矢量控制框圖

5結(jié)語

總之，將雙饋電機(jī)應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)過雙向變頻器也接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組除電流頻率可調(diào)外，電流的幅值、相位也可調(diào)。初步研究顯示，通過矢量控制調(diào)節(jié)勵(lì)磁，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。在實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的同時(shí)，還可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率因數(shù)，提高了電力系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能和穩(wěn)定性。

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附注

校級課題：小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變頻系統(tǒng)及控制策略的研究（項(xiàng)目編號：K200912）

作者簡介

方寧（1972—），男，副教授，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化與新能源■