雙饋式風力發電機運行原理及發電控制技術研究

刁帥

摘要：隨著全球各國的工業發展速度加快，化石燃料儲存量隨之減少，因此風能發電技術愈加重要。因為電力企業的風能發電需求，風力發電機得到廣泛運用。現階段，我國在風力發電機的發展速率、技術運用和推廣力度方面和國外相比存在一定差距。為推動風力發電機快速發展、運用，文章從雙饋式風力發電機角度分析了其運行原理及發電控制技術。

關鍵詞：雙饋式風力發電機；運行原理；發電控制技術；矢量控制；模糊控制 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM614 文章編號：1009-2374（2016）20-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.069

根據相關調查顯示，在全球各國中，因風力發電項目，每年投入1000億元資金總額，約有100個國家開始研究、運用風力發電技術。因此，隨著化石燃料逐漸減少，社會生產需要太陽能技術、發電技術和水利技術，這些技術也有可能代替火力發電技術。對于風力發電技術，加強風力發電機研究和運用具有十分重要的現實意義，大多數選擇雙饋式設計方式。筆者結合自身多年的風電企業的從業經驗，立足雙饋式風力發電機角度，分析其運行原理、發電控制技術。

1 雙饋式風力發電機的結構、特點

雙饋式風力發電機是由英國學者的設想而來，在自級聯導發電機研發基礎上，逐漸研發而來，雙饋式發電機與繞線異步電機有著結構類似性，因定子、轉子兩部分均可以饋出、饋入電能，所以稱之為雙饋。另外，因雙饋式發電機利用轉子形成交流，因此，雙饋式發電機又叫做交流勵磁發電機。

雙饋式風力發電機，雙饋主要指電機定子、轉子，都能完成電力供應。通常而言，雙饋式發電機是由接線盒、轉子、定子、冷卻系統、滑環系統和傳動結構構成。轉子結構一般為散嵌繞組、半線圈與成型繞組構成?；h系統包含滑環座、維護罩、碳刷、風扇等構成，滑環環氧澆注式、熱套式類型，冷卻系統包含水冷式和風冷式方式。

從某種性質來看，雙饋式發電機屬于異步式發電機范圍，這類發電機具有同步式發電機的勵磁繞組，一般用于功率因素、勵磁過程的調控，所以雙饋式發電機具有異步、同步兩種優點。

針對雙饋式發電機定子貼心，有相同形狀凹槽的均勻分布，主要是用于嵌入定子繞組，通過定子三相電流，產生一定旋轉磁場。在轉子中，利用嵌入絕緣導線，可組成三相繞組。在轉子上引出三相線，再連接轉軸的集電環，通過電刷引出。通常而言，定子和工頻電網能夠直接連接，轉子通過變換器與電網連接，以便于轉子的交流勵磁。

同時，雙饋式發電機的成本較低、體積較小，調節方式為無功率調節，且抗電磁的干擾能力強，具有簡便易行的特點。發電機勵磁過程和供電網絡沒有直接聯系，由轉子即可直接完成所處電路。所以雙饋式發電機的輸出能量較為穩定，在工作過程中，電網通常不會發生較大的波動幅度。雙饋式發電機系統利用電機勵磁過程的控制，能夠準確和快速地調節運轉狀態、功率因素。此外，對于風力變化影響，雙饋式發電機適應能力較強，可保持穩定的輸出能力。

2 雙饋式風力發電機的運行原理分析

對于雙饋式發電機，定子連接供電網絡后，轉子連接雙脈沖調制變流器，接著介入到相應網絡。所以在雙饋式風力發電機的定子端，如果電力參數沒有發生變化，利用雙脈沖變流器，即可調節轉子端電流。此外，在雙饋式發電機的運行流程中，轉子部分利用交流，即可完成勵磁過程，確保發電機具有較強適應能力、足夠穩定性，對降低發電成本十分重要。按照定子和轉子的磁場轉動速率，雙饋式發電機主要包含以下三種運轉模式：

2.1 超同步模式

如果定子磁場處于一種轉動狀態且低于轉子磁場的轉動效率，轉軸輸出功率，則高于定子磁場功率。對于轉子所處電路，就無需直流勵磁電流。借助雙脈沖調制變流器，即可為供電網絡供電，所以處于該種模式狀態，發電機通過定子與轉子，向所處電路傳輸電能，即雙饋式發電機的正常工作模式。

2.2 同步模式

處于定子磁場轉動狀態下，如果和轉子磁場轉動速率相等，則轉軸出功率和電子功率也基本相同。雙饋式發電機就只能運用定子所處電路，為供電網絡輸送電能，轉子所處電路無法參與其中，主要接受直流勵磁電流。處于這種狀態中，三者的轉動速率基本相同，所以雙饋式發電機能夠實現同步模式工作。

2.3 亞同步模式

如果定子磁場處于一種轉動狀態，且低于轉子磁場速率，轉軸輸出功率低于定子磁場功率。因此，在該種模式狀態下，必須依靠雙脈沖變流器，方可實現轉子供電網絡的電能供給。電能輸出需依靠定子電路承擔，又稱之為補償發電。在發電機實際過程中，環境因素決定了發電機工作模式。若風力變化較小，則雙饋式發電機處于亞同步模式。如果風力充足，則雙饋式發電機處于正常工作模式。

2.4 模式分析

對于上述三種工作模式，筆者以變速恒頻風力發電系統為例，處于該系統中，發電機定子與電網直接連接，轉子通過兩個背靠背連接，通過PWM變換器，交直交變換器連接電網。對于雙饋電機工作，主要分為超同步、同步階段，加上轉子側轉差功率傳遞方向存在一定區別。雙饋式發電機功率主要分為4個不同狀態，次同步電動、次同步發電、超同步電動、超同步發電。假設將定子側功率設定為P1，轉子側設定為P2，電機機械功率設定為PJ，按照規定，如果定子為電網輸送電能，P1值就為正值，由電網吸收電能，則P1值為負值。如果轉子通過電網饋送電能，P2值為正值，由電網吸收電能，P2值為負值。如果電機吸收機械功率，PJ值為正值，電機輸出機械功率，PJ值為負值。

3 雙饋式風力發電機控制技術

近些年來，隨著人們日益渴望再生能源，重視科學技術進步，風電能源受到了社會各界關注，在整個電力系統的重要性也日益凸顯。風力產生是風力推動槳葉轉動后，推動發電機轉動，使風能轉化為電能。但風速處于恒定不變狀態，進而增加了槳葉轉速的不穩定性，使得發電機電能頻率、電能波動，所以如何保證風力發電機穩定性，控制好風力發電機的輸出電能，是風電系統的重要研究問題。在風力作用下，槳葉處于轉動狀態，所產生，動能能夠推動發電機轉子運轉。按照定子、轉子轉動的速率，通過轉子磁場的轉動對轉子電流頻率、轉動速率進行調節，即可完成雙饋式發電機的基本控制。一般而言，雙饋式發電機主要包含以下控制技術：

3.1 矢量控制

矢量控制技術的核心在于，按照定子相位值、電流頻率值構建電流矢量參數，通過控制算法，能夠將直流量轉化成交流量。進而控制發電機的工作狀態與功率因素，提高能量轉化效率，保證電能輸入穩定性、可靠性。一般來說，矢量控制技術適用于風力較小地區。

3.2 模糊控制

模糊控制技術是一種智能化控制技術，通常利用軟件對人類思維方式進行模擬，借助相關經驗、處理辦法，根據風向變化和風力變化，做出相應動作反應。處于各種情況下，所獲得控制數據，能夠保證系統順利運轉，與系統最優值最為接近。因此，該類控制技術運用狀況對預設控制、開發人員經驗具有顯著依賴性。該種控制技術在風力較大區域適用。

3.3 直接轉矩控制

直接轉矩控制技術關鍵是通過輸入轉矩的調控，根據相關分析理論，對發電機運轉狀態進行控制，通過各種技術，在簡單矢量建模、不復雜運算基礎上，能夠直接計算出轉矩參數，對輸出電能穩定性、參數具有控制作用。同時，雙饋式風力發電機的控制技術有著多種類型，如滑膜變結構等。

3.4 變速恒頻控制

對于風力發電系統，因風速呈現時變性質，因此利用風能發電具有一定難度，所以提升風力發電技術可有效提升風機效率，實現風能資源優化利用。通常而言，供電網絡對于電能質量，主要是有上網電壓頻率變化量、變化率的要求，這兩個量和上網有功、無功相關。因此。針對發電機輸出電壓控制十分重要。雙饋式發電機控制，是通過變頻器控制勵磁相位與幅值，再控制電流頻率，通過三個量的控制調節，對勵磁控制器給定值進行控制，以滿足變速恒頻控制的目的。

4 結語

綜上所述，雙饋式風力發電機具備了異步式、同步式的優點，為供電網絡能夠提供可靠、高效和穩定的電能供應，運用、推廣前景十分廣泛。近些年來，隨著發電機制造工藝、控制技術的不斷發展、優化，在風力發電領域，雙饋式風力發電機得到了廣泛運用。同時，對于風力發電機的研究人員來說，還需加強進一步產品研發，提高發電機的控制性能，為我國工業生產、社會發展創造更多的能源。

參考文獻

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