交流励磁变速恒频风力发电系统的运行与控制策略的相关研究

朱黎

【摘 要】本文仅对双馈风力发电系统中由网侧变换器和转子侧变换器构成的背靠背变换器的控制和并网策略进行相关研究。网侧变换器实质上是电压型高频整流器，可以用来整流，也可以用来作有源逆变，甚至可以当成是静止无功功率发生器或是有源电力滤波器等等。

【关键词】交流励磁变速恒频；风力发电系统；系统的运行；控制策略

交流励磁发电机作为发电机运行的风力发电系统，利用变速恒频技术后可大大提高风能的利用率。交流励磁发电机可改善电力系统稳定性，转子转速可变，具有独立的有功无功调节能力，可以深度进行运行而不失步.特别适用于风力发电、抽水蓄能电站等场合。下面本文全面介绍了一种最新应用于风力发电的变速恒频技术，证明了发电机的性能由转差率、转子电压的相位和幅值、定转子电压相位差所决定的。

一、交流励磁发电机基本电磁关系

交流励磁发电机与绕线型感应电机相似，只是转子绕组上加有滑环和电刷，这样转予侧既可以输入电能也可以输出电能。当采用交流励磁时，转子的转速与励磁电流的频率有关，从而使得交流励磁发电机的内部电磁关系即不同于异步发电机又不同于同步发电机，本章主要介绍交流励磁双馈型发电机基本原理、等效电路图、基本方程式、相量图、能量流动与平衡关系等等，以便在下面其它章节中能够对它进行更为详细的理论分析、仿真和研究。交流励磁发电机ACEG（ACExcitedGenerator）的主要结构特点是：定子与一般三相交流发电机定子一样，具有分布式交流绕组；转子不是采用同步发电机式的直流集中绕组，而是采用三相分布式对称交流绕组，与三相绕线式异步电机（绕线型感应电机）的转子结构相似。它在正常工作时，其定子绕组接入工频电网，转子绕组经一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电，通常转子励磁系统的變频电源采用交一交变频电源，交流励磁风力发电机系统的结构如图1所示。

当交流励磁发电机空载时，其气隙旋转磁场的形成类似于同步发电机。它仅决定于转子侧励磁电流，但是当发电机并网带负载后，由定子电流引起的电枢反映将影响气隙磁场，并且由于电机转子的旋转速度不等于同步速度，使得描述电机行为特性的数学模型就变为一组多变量、时变系数的微分方程组。要对交流励磁发电机进行控制，必须分析其数学模型，从而找出比较适合的励磁控制方法和策略。

二、交流励磁风力发电机励磁系统矢量控制策略

（一）矢量控制

由于交流励磁风力发电机系统是一个高阶的非线性强耦合的多变量系统，若用常规的控制方法将十分复杂，而且效果难以令人满意。而矢量控制可以在坐标交换的基础上。简化电机内部各变量间的耦合关系，简化控制。矢量控制可以简化电机内部各变量之间的电磁耦合关系，即可以简化控制。

在理论上讲，采用矢量控制技术可使得交流电机具有和直流电机某些方面一样的控制效果。目前，矢量控制在交流电动机方面的研究取得了很多的成果并已大规模应用到生产实践中，而将矢量控制技术应用于发电机还处于研究阶段。对于交流电动机的矢量控制，目前各种文献较多。我们知道标准的三相交流电流通过对称的三相绕组时能产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的频率（或者称为转速）是和交流电流的频率是一致的，它的幅值是其中某一相电流幅值的1.5倍，这个磁场（或电流）是一个有方向、大小可旋转的物理量，被称为磁场矢量（或电流矢量），通过改变交流电流的频率、幅值、相位以及相序，可以方便地控制磁场矢量的转向、大小及空间的相对位置。

从物理上看，该磁场矢量是和一个可旋转的，由一个单一直流线圈产生的磁场相等效。通过改变直流线圈中的电流来改变磁场的大小。通过控制线圈的转速、位置、转向来改变磁场的变化。换句话说，静止的三相对称交流电产生的磁场和旋转的直流电流产生的磁场等效。通过上面的分析我们可以认为，电机中的旋转磁场矢量可以由产生它的三相交流电来控制，我们把这个旋转矢量概念加以推广，就得到电压矢量、电流矢量、磁场矢量等等。矢量控制就是通过对交流电流的控制来达到控制目标矢量空间的位置，使之能满足我们的要求。

交流电机中的各种电磁量的关系，基本上都可以用各自相应的矢量来描述，它们之间的制约关系，也可以从矢量的分析得到。（1）交流励磁发电机矢量控制的目标交流励磁发电机由两套绕组：定子三相绕组和转子三相绕组。转子绕组如果流动三相交流电流，就会在空间中产生旋转磁场矢量，这个磁场矢量切割定子绕组产生三相电流。反过来，定子电流在空间中也产生旋转磁场矢量，对转子电流也会产生影响，使它的幅值、相位发生变化。交流励磁发电机中的各个电磁量的相互作用，可以认为是各相应矢量的相互作用。从效果上看，转子的电压矢量及电流矢量和定子电流矢量，电压矢量存在一个相互制约的关系。在交流电机中，影响电机运行状态的还有电机转子的转速和输入转矩。通过电机中的复杂电磁耦合关系，交流电机的运行状态正是由这几个参量依照某些关系决定的。矢量控制的目标就是使这些复杂的关系达到充分解耦控制，实现控制简单化。

（二）交流励磁发电机的功率矢量控制

在交流电路中，除了电阻外还包含电抗，这使得电路中的电压和电流产生相位差，在这种含有电抗的交流电路中，电压和电流有效值的乘积称为视在功率。而有功功率是指电流消耗在电阻中的功率，数值上是电流和电阻压降的有效值乘积，无功功率是指电流和电抗压降的乘积。由于正弦波电流可以由两个相互正交的同频率的正弦电流合成，所以，电流可以看成是如下两个分量的合成：与电压同相位的分量和与电压相位相差90度分量。一般有功功率可以认为是电压和与其同相位的电流的乘积，无功功率可以认为是电压和与其正交的电流的乘积。无穷大电网的电压和频率被认为是不变的，当交流励磁风力发电机并入这样的电网之后，它的端电压可以认为是常量，只有定子的电流是可以受到控制的，其中和电压同相的分量称为有功分量，和电压正交的分量称为无功分量。因而，对发电机功率的控制，在并网的条件下，可以认为是对电流的控制。

三、结束语

由于风力发电系统产生的电能随机波动对电网有着很大的冲击。为了有效控制剧烈变化的风速引起的输出功率的波动，在变速恒频风力发电系统中，采用RCC控制策略，实现了有功功率和无功功率的灵活调节。同时，消除由于瞬变风速引起的功率波动。

【参考文献】

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