雙饋電機風(fēng)力發(fā)電系統的理論研究

1引言

在能源消耗日益增長(cháng)、環(huán)境污染日漸嚴重的今天，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)電系統主要由風(fēng)力機、雙饋發(fā)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(fēng)力發(fā)電系統允許原動(dòng)機在一定范圍內變速運行，簡(jiǎn)化了調整裝置，減少了調速時(shí)的機械應力；同時(shí)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(shí)現有功、無(wú)功的獨立調節[1][2]。

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

圖1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統的基本結構

2雙饋異步發(fā)電機的基本結構和工作原理

雙饋型異步發(fā)電機在結構上類(lèi)似繞線(xiàn)式異步電機，具有定、轉子兩套繞組，在正常工作時(shí)，雙饋電機的定子繞組接入工頻電網(wǎng)，轉子繞組由一個(gè)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(guò)隔離變壓器接入電網(wǎng)。由于發(fā)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(fā)電機轉速變化時(shí)，可通過(guò)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(fā)電機亞同步運行時(shí)（nrn1），轉子繞組相序與定子相同，轉子電流產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)轉速n2與轉子的轉速方向相同，因此有n1=nr+n2；當發(fā)電機超同步運行時(shí)（nr>n1），改變轉子繞組的相序，則其所產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)轉速n2的轉向與轉子的轉向相反，因此有n1=nr-n2；當發(fā)電機同步速（nr=n1）運行時(shí)，f2=0，轉子進(jìn)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(wú)窮大電網(wǎng)，定子旋轉磁場(chǎng)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(shí)變量來(lái)對電機進(jìn)行分析。在穩態(tài)時(shí)，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(xiàn)性、強耦合的數學(xué)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(wú)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(shí)現了解耦控制。

代入定子磁鏈方程，整理后有：

這個(gè)轉子三相電壓分量值就可以用作產(chǎn)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(kāi)關(guān)管的通斷，產(chǎn)生所需頻率、大小、相位的三相交流勵磁電源。以上關(guān)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(fēng)力發(fā)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(yǔ)

總之，將雙饋電機應用在風(fēng)力發(fā)電系統中，雙饋電機的轉子繞組經(jīng)過(guò)雙向變頻器也接入電網(wǎng)，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(guò)矢量控制調節勵磁，可以實(shí)現發(fā)電機輸出的有功功率和無(wú)功功率的獨立調節。在實(shí)現最大風(fēng)能捕獲的同時(shí)，還可以調節電網(wǎng)功率因數，提高了電力系統的動(dòng)靜態(tài)性能和穩定性。

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附注

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

作者簡(jiǎn)介

方寧（1972—），男，副教授，研究方向為自動(dòng)化與新能源■