双馈电机风力发电系统的理论研究

   1 引言

    在能源消耗日益增长、环境污染日渐严重的今天，作为可再生绿色能源的风能成为世界各国普遍重视的能源，风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。风力发电技术中的变速恒频发电方式是目前风力发电技术的发展方向，变速恒频控制技术的风力发电系统主要由风力机、双馈发电机、变频器励磁系统、控制检测系统组成，如图1所示。采用双馈电机的风力发电系统允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调速时的机械应力；同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组运行效率，而且应用矢量控制可实现有功、无功的独立调节[1][2]。

    本文试图对双馈电机风力发电系统的一些基本理论进行分析，为后面进一步的仿真、实验等研究工作提供理论依据。

图 1 变速恒频风力发电系统的基本结构

    2 双馈异步发电机的基本结构和工作原理

    双馈型异步发电机在结构上类似绕线式异步电机，具有定、转子两套绕组，在正常工作时，双馈电机的定子绕组接入工频电网，转子绕组由一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电，而变频器的输出直接或通过隔离变压器接入电网。由于发电机的定子、转子都参与了励磁，“双馈”的含义因此而得[3] 。

    从上式可知，当发电机转速变化时，可通过调节转子励磁电流频率f2保持定子输出电能频率f1恒定，这是变速恒频运行的原理。当发电机亚同步运行时（nr< n1），转子绕组相序与定子相同，转子电流产生的旋转磁场转速n2与转子的转速方向相同，因此有n1=nr+n2；当发电机超同步运行时（nr>n1），改变转子绕组的相序，则其所产生的旋转磁场转速n2的转向与转子的转向相反，因此有n1=nr- n2；当发电机同步速（nr= n1）运行时，f2=0，转子进行直流励磁[4]。

    3  双馈电机的控制策略[5][6][7]

    基于定子绕组接入无穷大电网，定子旋转磁场角速度为同步角速度。因此，选用在空间以恒定同步速度旋转的d—q—0坐标系下的变量，替代三相静止坐标系下的真实变量来对电机进行分析。在稳态时，各电磁量的空间矢量相对于坐标轴静止，这些电磁量在d—q—0坐标系下就不再是正弦交流量，而成了直流量。双馈电机非线性、强耦合的数学模型在d—q—0同步坐标系中变成了常系数微分方程，电流、磁链等变量也以直流量的形式出现，如图2所示。                                 

图2  d—q轴下双馈电机的物理模型 

    由式（6）可知，在定子磁链定向下，双馈电机定子输出有功功率P1和无功功率Q1分别与定子电流在d、q轴上的分量ids、iqs成正比，调节ids、iqs可分别独立地调节P1、Q1，两者实现了解耦控制。

    代入定子磁链方程，整理后有：

    这个转子三相电压分量值就可以用作产生PWM波转子励磁电源控制所需的指令信号，用于控制逆变主电路开关管的通断，产生所需频率、大小、相位的三相交流励磁电源。以上关系式就构成了定子磁链定向下双馈电机的矢量控制方程。

    4  定子磁链定向控制

    根据前一节得到的矢量控制基本方程，可以设计出双馈电机风力发电系统在定子磁链定向下的矢量控制侧系统框图，如图4所示。

图4  双馈电机定子磁链定向矢量控制框图 

    5  结语

    总之，将双馈电机应用在风力发电系统中，双馈电机的转子绕组经过双向变频器也接入电网，转子绕组除电流频率可调外，电流的幅值、相位也可调。初步研究显示，通过矢量控制调节励磁，可以实现发电机输出的有功功率和无功功率的独立调节。在实现最大风能捕获的同时，还可以调节电网功率因数，提高了电力系统的动静态性能和稳定性。

    参考文献

    [1]沙非，马成廉.变速恒频风力发电系统及其控制技术研究[J].电网与清洁能源，2009(1)：44-47

    [2]刘万琨.风能与风力发电技术[M].北京：化学工业出版社，2007.

    [3]林波， 宋平岗，赵芳.变速恒频风力发电系统中双馈发电机的理论分析[J]. 电工技术，2008(5)：71-73

    [4]孙东升.交流励磁变速恒频风力发电系统建模与仿真[J]. 计算机仿真，2007(11)：235-239

    [5]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，2005.

    [6]卞松江.变速恒频风力发电关键技术研究[D]：[博士学位论文].浙江：浙江大学，2003

    [7]陈坚.交流电机数学模型及调速系统[M].北京：国防工业出版社，1989.

    [8]R. Pena. J. C. Clare. and G M. Asher. Doubly fed induction generator using back-to-

back PWM converters and its application to variable speed wind-energy generation

[J]. IEEE Proc.B, vol 143. no. 3 ,May 2002: 231-241.

    [9]于世涛，颜湘武，刘树勇，李和明.交流励磁发电机定子磁场定向矢量控制[J].华北电力大学学报，2005，32（2）：10-14.

    [10]Wang Q,chang L.An Intelligent Maximum Power Extraction Algorithm for Inverter-Based Variable Speed Wind Turbine System.IEEE Transaction on Power Electronics,2004,19(5):1242～1249

    附注

    校级课题：小型风力发电机的变频系统及控制策略的研究（项目编号：K200912）

    作者简介

    方宁（1972—），男，副教授，研究方向为自动化与新能源■