变速恒频双馈异步发电机的控制策略

摘　要：随着经济全球化的发展，人类社会的发展也开始步入新的时代，众所周知，能源、信息和材料是人类在21世纪走向新文明的三大支柱产业，这三大产业奠定了人类文明发展的基石。尤其是其中的能源产业。能源产业对我国的发展影响更为重要与深远。而电气传动系统作为能源产业的一个重要组成部分，是研究的重中之重。以研究变速恒频双馈异步发电机为例进行阐述。

关键词：变速恒频；发电机；同步；励磁

一、变速恒频双馈异步发电机研究的背景

由于人们对大自然的过度开采，造成了今天地球上的环境污染日益严重，矿产资源也日益短缺。鉴于这种情况越来越严重，世界上各个国家都开始开发和发展新能源——可再生的绿色能源。当然，也包括我国。而风能作为一个可再生、无污染、可循环使用的新能源已被各个国家所利用与开发［4］。

变速恒频双馈异步发电机就是运用了风能。

二、变速恒频双馈异步发电机工作的原理

日前，在主流的风力发电机系统中，大多都采用的是变速恒频的控制方式。并且一般都采用的是双馈电机或者永磁同步电机来作为风力发电机的。

1.双馈的运行原理。“双馈”的意思和含义就是分别从电机的定、转子双向馈电，由于双馈电机由转子提供交流励磁，因而也被称为异步化同步电机或者是交流励磁同步电机。双馈调速是指将双馈电机的定子绕组直接接到工频电源上，转子组接到一个幅值、频率、相序和相位都可以调节的变频电源上。

由于变频电源的控制方式有所不同，所以双馈调速也可以划分为自控式调速和他控式调速。他控式调速在工作中通过专门的频率给定装置独立控制变频器的输出功率。而自控式则是由转子侧逆变器的频率通过系统的调节，然后根据运行的状态进行自动控制的。这就是变速恒频双馈异步发电机运行的原理。

2.励磁控制系统的基本功能。为满足双馈发电机低于同步速、等于同步速和高于同步速运行的各种工况要求，向转子绕组馈电的双向变频器应买足输出电压（或者电流）的频率、幅值、相序和相位的可调。通过控制励磁电流的幅值和相位可以调节发电机的无功功率；通过控制励磁电流的频率可调节发电机的有功功率；通过风力机变桨距控制与发电机励磁控制相结合，可按最佳运行方式调节发电机的转速[1]。

三、变速恒频双馈异步发电机控制的意义

1.由于双馈电机所使用到的转子的侧逆变频电源只能调节转差能量，所以在调速范围比较小的情况下，转差的能量在整个电机中所占的比重是相对较小的。这就可以降低调速系统的成本。

2.变速恒频双馈异步发电机它的结构构成简单、运行起来可靠、制造起来也容易、价格也不高等等的优点，使得变速恒频双馈异步发电机广泛地应用于工农业生产之中。它还能够对定子侧的功率因数进行有效的调节，这样就使得变速恒频双馈异步发电机可以在很高的功率因数的状态下运行，甚至可以向电网发出无功功率。变速恒频双馈异步发电机的这种做法对于整个电网的稳定性都起到了积极的影响。

3.变速恒频双馈异步发电机在双馈条件的应用下，改变了整个能源系统的整体的性能。还充分利用了线绕型感应电机的结构特点。

4.双馈电机集中了同步电动机和感应电动机两者的特点，由于变速恒频双馈异步发电机能在次同步速至超同步速的较大范围内都可以发出交流电，并且还是频率稳定的交流电的这个特性，所以变速恒频双馈异步发电机与电网是柔性的连接。这样就会使得电网在发生扰动时，变速恒频双馈异步发电机可以通过快速改变侧频率的方法来迅速改变转速，能充分地利用到转子的功能，以此来释放或者吸收能量。就可以达到弥补电网由于扰动而失去的能源这样一个目的　[2]。

四、变速恒频双馈异步发电机控制的策略

1.变速恒频控制。双馈风力发电机的变速恒频控制，就是根据风力转速的变化相应地控制转子励磁电流的频率，使双馈发电机输出的电压频率与电网保持一致。实现变速恒频控制可以采取两种方法，即有转速传感器和无转速传感器的变速恒频控制。前者控制相对容易，但是需要光电编码器，而后者控制技术稍微复杂些。

2.恒定电压控制。当定子绕组开路，双拼发电机作空载运行时，定子绕组电压频率如果是恒定值的话，那么就要求在不同的转速下只要保持转子绕组励磁电流值不变，便可使定子绕组端的电压保持不变。

然而，当发电机负载运行时，由于定子绕组电阻和漏电抗压降，以及由于定子电流电枢反应磁场的影响，即使转子励磁电流不变，每极磁通和定子绕组端电压也不再是常数。为了保持在不同运行状态下发电机端电压的恒定，那么就需要电压反馈调节转子励磁电流实现闭环恒压控制。

实验表明，双馈发电机输出电压采用闭环控制后，转速由1300　r/min增加到1480　r/min，定子绕组输出电压仅仅变化了0.2v ［3］。

3.双馈发电机的并网控制。在励磁控制系统中，并网前用电压传感器分别检测出电网和发电机电压的频率、幅值、相位和相序，通过双向变流器调节转子励磁电流，使发电机输出电压与电网相应电压频率、幅值及相位一致，满足并网条件时自动并网运行。

4.三态转换控制。在亚同步运行时，变频器向转子绕组馈入交流励磁电流，同步速运行时变流器向转子绕组馈入直流电，而超同步速运行时转子绕组输出交流电通过变流器馈入电网。当亚同步、同步和超同步三种不同运行状态的动态转换是变速恒频双馈风力发电机励磁控制的一项关键技术。

五、结论

本文针对变速恒频双馈异步发电机系统进行了理论上的描述，而实现变速恒频双馈异步发电机的运行则需要进行仿真的研究，理论要运用到实践中去。而这些理论也是从实践中得来的。这些理论的描述，满足了大家对变速恒频双馈异步发电机了解的需要，为以后更好地控制变速恒频异步发电机做好了充分的理论准备。

参考文献：

［1］张强，梁维燕，邹继斌.变速恒频发电机的励磁系统［J］.大电机技术，2004（06）.

［2］李辉，韩力，何蓓.双馈发电机最大风能捕获和转换策略的仿真［J］.系统仿真学报，2007（15）.

［3］朱振东.发电机交流励磁变速运行研究［M］.杭州：浙江大学，1996.

［4］杨文白，任艳林.2005年世界各国风电发展回顾［J］.世界环境，2006（02）.

（作者单位　江苏电大武进学院）