变速恒频双馈异步发电机运行原理讲义.docx

变速恒频双馈风力发电机运行原理张波风力发电以其无污染和可再生性，日益受到世界各国的广泛重视，近年 来得到迅速发展采用双馈电机的变速恒频风力发电系统与传统的恒速恒频风力 发电系统相比具有显著的优势，如风能利用系数高，能吸收由风速突变所产生的 能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力，以及可以改善系统的功 率因数等双馈电机变速恒频（VSCF）风力发电系统，是通过调节转子绕组励磁电流的 频率、幅值、相位和相序来实现变速恒频控制它的核心技术是基于电力电子和 计算机控制的交流励磁控制技术1 工作原理1.1双馈电机的VSCF控制原理VSCF 风力发电系统主要由风力机、增速箱、双馈发电机、双向变频器 和控制器组成双馈发电机可在不同的转速下运行，其转速随风速的变化可作适 当的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，以提高风能的利用率当电机的负 载和转速变化时，通过调节馈入转子绕组的电流，不仅能保持定子输出的电压和频 率不变，而且还能调节发电机的功率因数双馈异步发电机的结构类似绕组感应发电机，其定子绕组直接接入电网，转子 绕组由一台频率、电压可调的低频电源（一般采用交-交变频器或交-直-交变频器） 供给三相低频电流，图1给出这种系统的原理框图。

当转子绕组通过三相低频电流 时，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度nO与转子的机械转2速（n）相叠加，使其等于定子的同步转速O）,即1n 土 n = n21从而在发电机定子绕组中感应出相应与同步转速的工频电压氐 1 Block dia^mm of VSCK wind power ^cntTJiNin si-rfrm由上面转速关系可以推出风力发电机转速与定、转子绕组电流频率的关系， 即A (1)式中 f、f、n和p分别为定子电流频率、转子电流频率、发电机的转速和极12对数当风速变化时，转速随之而变化由式(1)可知，当转速 n 发生变化时，若调节f (f =±f)相应变化，可使f保持恒定不变，即与电网频率保持一致，2 2 1 1实现风力发电机的VSCF控制当风力发电机处于亚同步速运行时，式(1 )取正号； 当风力发电机处于超同步速运行时，式(1)取负号；同步速运行时，f=0，变流器 2 向转子提供直流励磁电流1.2 不同运行方式下的转子绕组功率流向当忽略电机损耗并取定子为发电机惯例而转子为电动机惯例时，发电机的定子输出电功率 P 等于转子输入电功率(转差功率)与电机轴上输入机械功 1率 P 之和，即mech力)睥F■同歩速薛ftP尸耳*户“ (2)根据憋吨电机的运行原障.转「绕殂的电功率扣电 机轴I：的就械功率町分别衣扳为P* (3)户庶冃卜訂片 ⑷( _ \式中s为转差率s = X。

n ,由式(2)、(4)可知，当发电机在亚同步速运行时，s>0,需要向转子绕 组馈入电功率，由转子传递给定子的电磁功率为sP,风力机传递给定子的电功1率只有(l-s)P当发电机在超同步速运行时，s<0，此时转子绕组向外供电，即1定转子同时发电，此时风力机供给发电机的功率增至(l+|s|)P1双馈发电机在低于和高于同步速不同运行方式下的输入输出功率关系可用图 2 功率流向示意图表示由于在低于和高于同步速不同运行方式下转子绕 组的功率流向不同，因此需要采用双向变频器圉2双烘凤力发电机的功军潦向Power nr>w«f JwMj fed wind ftemnstor2 励磁控制系统结构2.1 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满足输出电压（或电流）幅值、频率、 相位和相序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2.2 励磁控制系统基本组成VSCF 双馈风力发电机模拟试验系统框图如图 3 所示。

该系统由额定功率为2.8kW的绕线转子感应电机、直流拖动电动机、调压器、IGBT交直交双向变 频器、光电编码器、电流及电压传感器、80C196MC单片机、PC机及参数显示器 等组成电机转舞\ fa■M,a敝 I46MC1L1 凤示JIT力扯唱橫拟试验礙统権曲 卜显」 Block diaf^nni of an cxpfrfimcnUJ rurVSCF Miftd jMwvr leriKnttion3 励磁系统控制原理3.1 变速恒频控制 双馈风力发电机的变速恒频控制，就是根据风力机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 频控制可以采用两种方法，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，但需要光电编码器；后者控制技术稍复杂一些图 3 所示励磁控制系统采用有速度传感器的变速恒频控制电机的极对数P=2,定子电流频率f =50Hz将p和f值代入式(1),可得励磁电流频率11f 的与电机转速检测信号的关系式2亚同步速时馈入转子的电流频率为用=恥-岭门 * C5)趙问步連旳價入转子的电流频率为 '^±A^/10-5Q C6>式中k是计数器在每10ms所记录的光电编码器的输出脉冲数。

可根据光电编码p器每转输出2000个脉冲计算出电机转速与k的关系，具体推导公式详见附录p图4 是双馈发电机低于同步速运行时转子绕组电流随转速调节频率的波形由图可以看出，转子电流的频率根据转速按式(1)的规律变化，实现了双馈发电 机的变速恒频控制4电伙转連变代fIKMALWMrtiki】时的萍于SSSfi电谖頻串燮址玻阳Fig.4 R«(or turrtm waveform durinR mpwdvariulton from 12A0 (n I JOO r/mJn3.2 恒定电压控制 当定子绕组开路，双馈发电机作空载运行时,定子绕组开路相电压的有 效值为馮= *44办％ it ■谀 ⑺式中 f为定子绕组的电压频率；N和k分别为定子绕组每相串联匝数和绕组1 1 w1系数，公式推导详见附录每极磁通e =e(i)由转子绕组励磁电流决定02由式(7)可知，当定子绕组电压频率J为恒定值时，在不同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 保持在不同运行状况下发电机端电压恒定，需要通过电压反馈调节转子励磁电流 实现闭环恒压控制试验表明，双馈发电机输出电压采用闭环控制后，转速由 1300r/min增加到1480r/min,定子绕组输出电压仅变化了 0.2V3.3 双馈发电机的并网控制传统的风力发电机组多采用异步发电机，并网时对电网的冲击较大双 馈发电机可通过调节转子励磁电流实现软并网，避免并网时发生的电流冲击和过 大的电压波动在图3 的励磁控制系统中，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由 图5看出，并网后定子电流有振荡现象，这是由于在并网试验中没有采用有功和无 功功率闭环控制造成的，采用闭环控制后，发电机的功角保持不变可解决电流震荡 问题"・■ ■■■■■■•■■■■»■ W■■中J1网前巾断■T如画$雄电桥井网过程罡子电庄铀电渡液影 I'iRrS Waveforms of stator rd Cape and current during cannectinR generalor In supply maJns如图 5 所示，并网前发电机电压略高于电网电压，并网后发电机电压即 为电网电压。

并网前发电机电流为辅助负载的电流，并网后的电流为馈入电网的 电流辅助负载用于并网前的发电机电压和电流监测，并网后将辅助负载切除 为了便于并网前后发电机定子绕组电压电流的比较，并网试验中采用了辅助负载 检测并网前定子绕组的电压和电流，在实际VSCF系统中，不一定需要辅助负载, 可检测与比较电网和发电机的端电压以确定是否满足并网条件3.4 三态转换控制在亚同步速运行时，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由于风速变化的不稳定性，风力发电机难以长时间稳定运行在同步速 为了避免反复跨越同步点和在同步速附近小转差区的控制难度，在实际变速恒频 风力发电系统中，总是把稳定运行工作点选在避开同步速附近小转差区 (|s|<0.05)以外的区间自然，跨越同步点是难免的跨越同步点的三种运行状态的转换可采用两种不同的方法，一是采用 “交-直-交”控制模式，二是采用“交-交”控制模式交-直-交”控制模式 是随着发电机转速的增高逐渐降低转子绕组电流的频率，当转速接近同步速时供 给转子绕组直流(此时转子三相绕组为“两并一串”的联接方式而变频器控制不 同桥臂的三个功率开关器件同时导通或关闭，输出可控的直流励磁电流)。

当转 速超过同步速后，变流器停止直流供电，此时转子绕组向变流器输出转差频率的 交流电采用“交-直-交”控制模式的发电机跨越同步速时的转子电流实测波形 如图6 所示交-交”控制模式因省去了向转子绕组供直流电的环节，控制稍 微容易一些，但三种运行状态转换的平滑性稍差一些，其转子电流试验波形如图 7 所示40術冲6 式的转子电流适形F讪 Tested rotor cuTrcrrt fnr AC IM.'AC wver$hia 甜吐L : 1 :血4伽艸517 交转换複式前转干电流澹髀Fig.7 Tested n)cnr current fiir XC-ACcumtrsJon mode参考文献：⑴中国电机工程学报 第23卷 第11期 2003年11月 林成武王凤翔 姚兴 佳⑵《风力发电》讲座 第三讲 中国科学院电工研究所倪受元⑶《电机学》中国电力出版社 第三版 东南大学 周鹗⑷《风力发电》中国电力出版社 王承熙 张源附录：1、公式推导：(1) f = 土sf 推导:21由于f2 =烽，且叮n 土 n2，所以犷強土 p (n - n) pn n - n ”- 二 土 一1T 二 土 ST60 n 11-1-60推导：设发电机转子转速为n r/min，则1ms电机转速为n60X1000r/ms，所以10ms输出脉冲个数kp =念X 2000二1，代入上式得60f 7k = = = 10 f，故 f = pp 3 3 x 2 10(3) U 二4.44fNk 0 推导:0 1 1 w1 0设 ©=© sinGt,则空载电动势 e = - N — = -g N © cos Gt = \；'2 E sin Cot- 90 ), m 0 1 dt 1 m 0因此 E =GN£=2兀fN1©m0o=4.44 f N © = 4.44 。