東汽FD77雙饋式變速恒頻風力發電機的控制策略

張玉輝++陳琳琳

摘 要

在分析了東汽FD77雙饋式變速恒頻風力發電機控制方法的基礎上，從而建立了交直交變流器網的測電壓電路以及轉而開始測定子序磁場定向的矢量方向的磁場。對系統的VSCF控制、并網控制技術進行了實驗研究，結果表明，該系統能夠，減小輸出濾波電感的壓降，提高了系統動態響應能力，輸入輸出有功、無功功率可以獨立調節。

【關鍵詞】電機 風力發電 交直交變流器 變速恒頻

目前最常用的網側控制策略是以坐標變換理論為基礎的雙閉環控制，來實現對有功無功功率的控制。由于諧波的幅值以及電壓頻率的快速變化，用作勵磁電源時會在發電機定子側產生大量空載諧波電壓，極大程度上影響了電波輸出的頻率，甚至是導致了并網的困難。雙饋風力發電系統變流器網側采用PWM矢量控制，變流器轉子側則采用了定子磁場定向的去測量磁力。并且具有雙向的功率移動，輸入以及輸出的功率可以自行進行調節，具有不明顯的諧波和閃現，可以大范圍的使用。

1 系統構成

雙饋發電機交直交雙PWM變流器則由一對三相整流/逆變器組成，二者之間由電容直流母線連接、雙DSP控制器、并網保護裝置以及虛擬變速風機等部分組成。在其中的功率器械利用的是IPM模塊，這個變流器的一側利用三廂的電桿接入電網，另一側則通過滑環和電刷接入雙饋發電機的轉子繞組。并網保護裝置包括轉子接觸器和定子接觸器兩個部分雙饋發電機定子按星型連接，其結構示意圖如圖1。

2 雙饋電機矢量控制

2.1 雙饋電機矢量控制原理

交流電機轉子電壓含有基波和大量諧波的正、負序及零序分量。由于零序電壓在電機中產生不了零序電流，但過氣隙的磁通為零。忽略鐵心的非線性飽和，將電磁曲線線性化處理，去除漏感的影響，僅僅是對電阻進行改正。這樣就可以吧交直交變流器輸出的基波和各次諧波電壓看做成單獨在電機等效電路的轉子側電源，根據這個來計算分流、轉矩和他的功率以及使用的損耗。其電流傳遞函數如圖2所示。

雙饋發電機運動方程：

這個式子當中，Tm作為原動機的轉矩值，Te作為電磁作用下的轉矩，J作為系統的轉動慣量，np為電機極的對數，ω為電機的電角速度。根據相關數據以及磁場的能量特點，可以將電磁轉矩特點給分析出來：

電磁力的轉向角度與方向相反就為正，轉差率S按照小于同步的轉速為正，參照異步電機的分析方法，雙饋發電機的等效電路，如圖3所示。

根據有關等效的電路圖數據，可以得到雙饋發電機的基本得數：

式中：

R1、X1分別為定子側的電阻和漏抗；

R2、X2分別為轉子折算到定子側的電阻和漏抗；

Xm為激磁電抗；

分別為定子側電壓、感應電勢和電流；

分別為轉子側感應電勢，轉子電流經過頻率和繞組折算后折算到定子側的值。

轉子勵磁電壓經過繞組折算后的值，為再經過頻率折算后的值。

2.2 并網控制

變速恒頻雙饋風力發電機通過控制轉子電流頻、相位及幅值實現軟并網和軟解列。在啟動前，當風速達到切入風速并維持一段時間后，變流器通過控制轉子勵磁電流的幅值、相位和頻率使轉子勵磁，控制定子繞組的空載端電壓與電網電壓一致，發電機處于并網等待狀態。在進入了并網的運行階段之后，根據實際情況的風的速度和電網要求的數據不時地調節輸入輸出數據。解列過程與并網過程相反。平時的解列過程可以通過調節槳的方法，將發電機的負載度降至最低，使得發電機差不多在不負載的情況下供電。

3 實驗結果

為了驗證東汽交直交雙饋變速恒頻系統在風力發電應用中的優勢及采用的矢量控制策略的有效性，對于整個操作系統的輸入輸出功率的反饋、動態與靜態性能展開了研究。圖4給出了并網實驗中發電機定子繞組端電壓和定子電流的實測波形，從圖中可以看出，并網瞬間沖擊電流很小。該實驗表明，東汽FD77發電機在采用電壓控制的并網方法時，它的發電機的定子端的電壓、相位和頻率各個方面都具有相同的性能，條件嚴苛的滿足了工作的條件，將發電機實現成軟并網狀態。發電機的定子側和變流器網側都可以運行在單位功率因數并且變流器的能量，業可以不是單向的流動，與此同時可以保證正弦輸入輸出電流，這個系統能夠保持風力發電的充足性。

4 結論

本文針對東汽FD77變速恒頻風力發電機的特點特別的研發了一套針對于控制電流的工作方案。結合該系統建立交直交變流器矢量控制系統模型，并在此基礎上進行了實驗研究。實驗的最終現象表明，變速恒頻雙饋風力發電系統具有豐富的動態以及靜態的穩固性能，并且能夠切實可行的調解輸入輸出電壓，并最終實現發動機的平滑工作性能，具有良好可靠性及穩定性。

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作者簡介

張玉輝（1979-），男，碩士研究生學歷。現為河北大唐國際新能源股份有限公司工程師，主要從事風力發電運行及試驗維護方面工作。

作者單位

1.河北大唐國際新能源股份有限公司 河北省承德市 067000

2.國網冀北豐南調控中心 河北省唐山市 063000