变速恒频双馈异步发电机运行原理讲义

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1、内蒙古华电辉腾锡勒风力发电有限公司- 1 -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

2、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

3、 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 （ n2） 与 转 子 的机 械 转 速 （ n） 相 叠 加 ， 使 其 等 于 定 子 的 同 步 转 速 （ n1） ， 即2n从 而 在 发 电 机 定

4、子 绕 组 中 感 应 出 相 应 与 同 步 转 速 的 工 频 电 压 。内蒙古华电辉腾锡勒风力发电有限公司- 2 -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，即式中 f1、 f2、 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 f2 相应变化，可使 f1保持恒定不变，即与电网频率保持一致，实1()sf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

5、超 同 步 速 运 行 时 ， 式 (1)取 负 号 ； 同 步 速 运 行 时 ， f2=0， 变 流 器向 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 P1等于转子输入电功率（转差功率）与电机轴上输入机械功率Pmech之和，即内蒙古华电辉腾锡勒风力发电有限公司- 3 -式中 s 为转差率 。1ns由式(2)、(4)可知，当发电机在亚同步速运行时， s0，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 sP1，风力机传递给定子的电功率只有(1- s)P1。当发电机在超

6、同步速运行时， s0，此时转子绕组向外供电，即定转子同时发电，此时风力机供给发电机的功率增至(1+| 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。内蒙古华电辉腾锡勒风力发电有限公司- 4 -2 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

7、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。 3 励磁系统控制

8、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 。 前内蒙古华电辉腾锡勒风力发电有限公司- 5 -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

9、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 f1=50Hz。将 p 和 f1值代入式(1)，可得励磁电流频率 f2的与电机转速检测信号的关系式。亚同步速时馈入转子的电流频率为式中 kp是计数器在每 10ms 所记录的光电编码器的输出脉冲数。可根据光电编码器每转输出 2000 个脉冲计算出电机转速与 kp的关系，具体推导公式详见附录。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。3.2 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

10、相电压的有效值为式中 f1为定子绕组的电压频率； N1和 kw1分别为定子绕组每相串联匝数和绕组系数，公式推导详见附录。每极磁通 由转子绕组励磁电流决定。02I内蒙古华电辉腾锡勒风力发电有限公司- 6 -由式(7)可知，当定子绕组电压频率 f1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

11、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 0.2V。3.3 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 、

12、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 。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。内蒙古华电

13、辉腾锡勒风力发电有限公司- 7 -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

14、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

15、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。内蒙古华电辉腾锡勒风力发电有限公司- 8 -参考文献：中国电机工程学报 第 23 卷 第 11 期 2003 年 11 月 林成武 王凤翔 姚兴佳风力发电讲座 第三讲 中国科学院电工研究所 倪受元电机学中国电力出版社 第三版 东南大学 周鹗 风力发电中国电力出版社 王承熙 张源附录：1、公式推导：（1） 推导：21fs由于 ，且 ，所以 60pn 12n121160pnf sf（2） 推导：0pkf设发电机

16、转子转速为 n r/min，则 1ms 电机转速为 r/ms，所以 10ms601n输出脉冲个数 ，又 ，代入上式得12063pnkfp，故 6032pffk1pkf内蒙古华电辉腾锡勒风力发电有限公司- 9 -（3） 推导：0104.wUfNk设 ，则空载电动势 ，msint 0110cos2sin9mdeNtEtt因此 ，其中 ，110 11024.4.mmmfEffNk 1f10mk2、功角 将定义为功角。它表示发电机的励磁电势（空载电势）和端电压之间相角差。功角对于研究电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。为内功率因数角，其定义为空载电势与负载电流之间的夹角。如图所示：根据电机学原理，在忽略电机电枢绕组电阻情况下，隐极发电机的有功功率和无功功率可分别表示为其中，U 为发电机的端电压，E q为发电机的感应