交流勵磁變速恒頻風力發電系統的運行與控制策略的相關研究

朱黎

【摘 要】本文僅對雙饋風力發電系統中由網側變換器和轉子側變換器構成的背靠背變換器的控制和并網策略進行相關研究。網側變換器實質上是電壓型高頻整流器，可以用來整流，也可以用來作有源逆變，甚至可以當成是靜止無功功率發生器或是有源電力濾波器等等。

【關鍵詞】交流勵磁變速恒頻；風力發電系統；系統的運行；控制策略

交流勵磁發電機作為發電機運行的風力發電系統，利用變速恒頻技術后可大大提高風能的利用率。交流勵磁發電機可改善電力系統穩定性，轉子轉速可變，具有獨立的有功無功調節能力，可以深度進行運行而不失步.特別適用于風力發電、抽水蓄能電站等場合。下面本文全面介紹了一種最新應用于風力發電的變速恒頻技術，證明了發電機的性能由轉差率、轉子電壓的相位和幅值、定轉子電壓相位差所決定的。

一、交流勵磁發電機基本電磁關系

交流勵磁發電機與繞線型感應電機相似，只是轉子繞組上加有滑環和電刷，這樣轉予側既可以輸入電能也可以輸出電能。當采用交流勵磁時，轉子的轉速與勵磁電流的頻率有關，從而使得交流勵磁發電機的內部電磁關系即不同于異步發電機又不同于同步發電機，本章主要介紹交流勵磁雙饋型發電機基本原理、等效電路圖、基本方程式、相量圖、能量流動與平衡關系等等，以便在下面其它章節中能夠對它進行更為詳細的理論分析、仿真和研究。交流勵磁發電機ACEG（ACExcitedGenerator）的主要結構特點是：定子與一般三相交流發電機定子一樣，具有分布式交流繞組；轉子不是采用同步發電機式的直流集中繞組，而是采用三相分布式對稱交流繞組，與三相繞線式異步電機（繞線型感應電機）的轉子結構相似。它在正常工作時，其定子繞組接入工頻電網，轉子繞組經一個頻率、幅值、相位都可以調節的三相變頻電源供電，通常轉子勵磁系統的變頻電源采用交一交變頻電源，交流勵磁風力發電機系統的結構如圖1所示。

當交流勵磁發電機空載時，其氣隙旋轉磁場的形成類似于同步發電機。它僅決定于轉子側勵磁電流，但是當發電機并網帶負載后，由定子電流引起的電樞反映將影響氣隙磁場，并且由于電機轉子的旋轉速度不等于同步速度，使得描述電機行為特性的數學模型就變為一組多變量、時變系數的微分方程組。要對交流勵磁發電機進行控制，必須分析其數學模型，從而找出比較適合的勵磁控制方法和策略。

二、交流勵磁風力發電機勵磁系統矢量控制策略

（一）矢量控制

由于交流勵磁風力發電機系統是一個高階的非線性強耦合的多變量系統，若用常規的控制方法將十分復雜，而且效果難以令人滿意。而矢量控制可以在坐標交換的基礎上。簡化電機內部各變量間的耦合關系，簡化控制。矢量控制可以簡化電機內部各變量之間的電磁耦合關系，即可以簡化控制。

在理論上講，采用矢量控制技術可使得交流電機具有和直流電機某些方面一樣的控制效果。目前，矢量控制在交流電動機方面的研究取得了很多的成果并已大規模應用到生產實踐中，而將矢量控制技術應用于發電機還處于研究階段。對于交流電動機的矢量控制，目前各種文獻較多。我們知道標準的三相交流電流通過對稱的三相繞組時能產生一個旋轉磁場，這個旋轉磁場的頻率（或者稱為轉速）是和交流電流的頻率是一致的，它的幅值是其中某一相電流幅值的1.5倍，這個磁場（或電流）是一個有方向、大小可旋轉的物理量，被稱為磁場矢量（或電流矢量），通過改變交流電流的頻率、幅值、相位以及相序，可以方便地控制磁場矢量的轉向、大小及空間的相對位置。

從物理上看，該磁場矢量是和一個可旋轉的，由一個單一直流線圈產生的磁場相等效。通過改變直流線圈中的電流來改變磁場的大小。通過控制線圈的轉速、位置、轉向來改變磁場的變化。換句話說，靜止的三相對稱交流電產生的磁場和旋轉的直流電流產生的磁場等效。通過上面的分析我們可以認為，電機中的旋轉磁場矢量可以由產生它的三相交流電來控制，我們把這個旋轉矢量概念加以推廣，就得到電壓矢量、電流矢量、磁場矢量等等。矢量控制就是通過對交流電流的控制來達到控制目標矢量空間的位置，使之能滿足我們的要求。

交流電機中的各種電磁量的關系，基本上都可以用各自相應的矢量來描述，它們之間的制約關系，也可以從矢量的分析得到。（1）交流勵磁發電機矢量控制的目標交流勵磁發電機由兩套繞組：定子三相繞組和轉子三相繞組。轉子繞組如果流動三相交流電流，就會在空間中產生旋轉磁場矢量，這個磁場矢量切割定子繞組產生三相電流。反過來，定子電流在空間中也產生旋轉磁場矢量，對轉子電流也會產生影響，使它的幅值、相位發生變化。交流勵磁發電機中的各個電磁量的相互作用，可以認為是各相應矢量的相互作用。從效果上看，轉子的電壓矢量及電流矢量和定子電流矢量，電壓矢量存在一個相互制約的關系。在交流電機中，影響電機運行狀態的還有電機轉子的轉速和輸入轉矩。通過電機中的復雜電磁耦合關系，交流電機的運行狀態正是由這幾個參量依照某些關系決定的。矢量控制的目標就是使這些復雜的關系達到充分解耦控制，實現控制簡單化。

（二）交流勵磁發電機的功率矢量控制

在交流電路中，除了電阻外還包含電抗，這使得電路中的電壓和電流產生相位差，在這種含有電抗的交流電路中，電壓和電流有效值的乘積稱為視在功率。而有功功率是指電流消耗在電阻中的功率，數值上是電流和電阻壓降的有效值乘積，無功功率是指電流和電抗壓降的乘積。由于正弦波電流可以由兩個相互正交的同頻率的正弦電流合成，所以，電流可以看成是如下兩個分量的合成：與電壓同相位的分量和與電壓相位相差90度分量。一般有功功率可以認為是電壓和與其同相位的電流的乘積，無功功率可以認為是電壓和與其正交的電流的乘積。無窮大電網的電壓和頻率被認為是不變的，當交流勵磁風力發電機并入這樣的電網之后，它的端電壓可以認為是常量，只有定子的電流是可以受到控制的，其中和電壓同相的分量稱為有功分量，和電壓正交的分量稱為無功分量。因而，對發電機功率的控制，在并網的條件下，可以認為是對電流的控制。

三、結束語

由于風力發電系統產生的電能隨機波動對電網有著很大的沖擊。為了有效控制劇烈變化的風速引起的輸出功率的波動，在變速恒頻風力發電系統中，采用RCC控制策略，實現了有功功率和無功功率的靈活調節。同時，消除由于瞬變風速引起的功率波動。

【參考文獻】

[1]高強，李駁飛.基于交流勵磁雙饋電機變速恒頻風力發電系統的研究[J].通信電源技術，2016，33（5）：61-63.

[2]張鵬.并網型交流勵磁變速恒頻風力發電系統控制研究[J].信息記錄材料，2017，18（5）：58-59.

[3]崔鳳明.交流勵磁變速恒頻雙饋型異步發電機的穩態功率關系[J].化工管理，2017（20）：15-15.