1 引言
風力發電以其無汙染和可再生性，日益受到世界各國的廣泛重視，近年來得到迅速發展。採用雙饋電機的變速恆頻風力發電系統與傳統的恆速恆頻風力發電系統相比具有顯著的優勢，如風能利用係數高，能吸收由風速突變所產生的能量波動以避免主軸及傳動機構承受過大的扭矩和應力，以及可以改善系統的功率因數等。
變速恆頻雙饋風力發電系統的核心技術是基於電力電子和計算機控制的交流勵磁控制技術。儘管可採用理論分析和計算機**對變速恆頻風力發電系統控制技術進行研究，然而由於**模型及其引數的非真實性和控制演算法的非實時性，**研究往往難以代替模擬系統的試驗研究。本文在分析雙饋電機執行原理和勵磁控制方法的基礎上，設計和構建了基於80c196mc微控制器的vscf雙饋風力發電機的勵磁控制試驗系統，並對其控制技術進行了系統的試驗研究。
2 vscf風力發電機的工作原理
2.1 雙饋電機的vscf控制原理
vscf風力發電系統主要由風力機、增速箱、雙饋發電機、雙向變流器和控制器組成，其原理框圖如圖1。雙饋發電機的定子繞組接電網，轉子繞組由具有可調節頻率的三相電源激勵，一般採用交-交變流器或交-直-交變流器供電。雙饋發電機可在不同的轉速下執行，其轉速隨風速的變化可作適當的調整，使風力機的執行始終處於最佳狀態，以提高風能的利用率。
當電機的負載和轉速變化時，通過調節饋入轉子繞組的電流，不僅能保持定子輸出的電壓和頻率不變，而且還能調節發電機的功率因數。
根據感應電機定、轉子繞組電流產生的旋轉磁場相對靜止的原理，可知vscf風力發電機轉速與定、轉子繞組電流頻率的關係如下
式中 f1、f2、n和p分別為定子電流頻率（定子的輸出頻率）、轉子電流頻率（電網頻率）、發電機的轉速和極對數。
由式(1)可知，當轉速n發生變化時，若調節f2相應變化，可使f1保持恆定不變，即與電網頻率保持一致，實現風力發電機的vscf控制。當風力發電機處於亞同步速執行時，式(1)取正號；當風力發電機處於超同步速執行時，式(1)取負號；同步速執行時，f2=0，變流器向轉子提供直流勵磁電流。
2.2 不同執行方式下的轉子繞組功率流向
當忽略電機損耗並取定子為發電機慣例而轉子為電動機慣例時，發電機的定子輸出電功率p1等於轉子輸入電功率p2與電機軸上輸入機械功率pmech之和，即
式中 s為轉差率。
由式(2)~(4)可知，當發電機在亞同步速執行時，s>0，需要向轉子繞組饋入電功率，由轉子傳遞給定子的電磁功率為sp1，風力機傳遞給定子的電功率只有(1-s)p1。當發電機在超同步速執行時，s<0，此時轉子繞組向外供電，即定轉子同時發電，此時風力機供給發電機的功率增至(1+|s|)p1。
雙饋發電機在低於和高於同步速不同執行方式下的輸入輸出功率關係，可用圖2功率流向示意圖表示。由於在低於和高於同步速不同執行方式下轉子繞組的功率流向不同，因此需要採用雙向變流器。
3 勵磁控制系統的硬體設計
3.1 勵磁控制系統的基本功能
為滿足雙饋發電機低於同步速、同步速和高於同步速執行的各種工況要求，向轉子繞組饋電的雙向變流器應滿足輸出電壓（或電流）幅值、頻率、相位和相序可調。通過控制勵磁電流的幅值和相位可以調節發電機的無功功率；通過控制勵磁電流的頻率可調節發電機的有功功率；通過風力機變槳距控制與發電機勵磁控制相結合，可按最佳執行方式調節發電機的轉速。
3.2 勵磁控制系統基本組成
vscf雙饋風力發電機模擬試驗系統框圖如圖3所示。該系統由額定功率為2.8kw的繞線轉子感應電機 、直流拖動電動機、調壓器、igbt交直交雙向變流器、光電編碼器、電流及電壓感測器、80c196mc微控制器、pc機及引數顯示器等組成。
4 勵磁控制技術研究
4.1 變速恆頻控制
雙饋風力發電機的變速恆頻控制，就是根據風力機轉速的變化相應地控制轉子勵磁電流的頻率，使雙饋發電機輸出的電壓頻率與電網保持一致。實現變速恆頻控制可以採用兩種方法，即有轉速感測器和無轉速感測器的變速恆頻控制。前者控制相對容易，但需要光電編碼器；後者控制技術稍複雜一些。
圖3 所示勵磁控制系統採用有速度感測器的變速恆頻控制。電機的極對數p=2，定子電流頻率f1=50hz。將p和f1值代入式(1)，可得勵磁電流頻率f2的與電機轉速檢測訊號的關係式。
亞同步速時饋入轉子的電流頻率為
式中kp是計數器在每10ms所記錄的光電編碼器的輸出脈衝數。可根據光電編碼器每轉輸出2000個脈衝計算出電機轉速與kp的關係。
圖4是雙饋發電機低於同步速執行時轉子繞組電流隨轉速調節頻率的波形。由圖可以看出，轉子電流的頻率根據轉速按式(1)的規律變化，實現了雙饋發電機的變速恆頻控制。
4.2 恆定電壓控制
當定子繞組開路，雙饋發電機作空載執行時,定子繞組開路相電壓的有效值為
式中 f1為定子繞組的電壓頻率；n1和kw1分別為定子繞組每相串聯匝數和繞組係數。每極磁通f0= f(i2)由轉子繞組勵磁電流決定。
由式(7)可知，當定子繞組電壓頻率f1為恆定值時，在不同轉速下只要保持轉子繞組勵磁電流值不變便可使定子繞組端電壓保持不變。然而當發電機負載執行時，由於定子繞組電阻和漏電抗壓降，以及由於定子電流電樞反應磁場的影響，即使轉子勵磁電流不變，每極磁通和定子繞組端電壓也不再是常數。為了保持在不同執行狀況下發電機端電壓恆定，需要通過電壓反饋調節轉子勵磁電流實現閉環恆壓控制。
試驗表明，雙饋發電機輸出電壓採用閉環控制後，轉速由1300r/min增加到1480r/min，定子繞組輸出電壓僅變化了0.2v。
4.3 雙饋發電機的並網控制
傳統的風力發電機組多採用非同步發電機，並網時對電網的衝擊較大。雙饋發電機可通過調節轉子勵磁電流實現軟並網，避免並網時發生的電流衝擊和過大的電壓波動。
在圖3的勵磁控制系統中，並網前用電壓感測器分別檢測出電網和發電機電壓的頻率、幅值、相位和相序，通過雙向變流器調節轉子勵磁電流，使發電機輸出電壓與電網相應電壓頻率、幅值及相位一致，滿足併網條件時自動併網執行。由圖5看出，並網後定子電流有振盪現象，這是由於在並網試驗中沒有採用有功和無功功率閉環控制造成的，採用閉環控制後，發電機的功角保持不變可解決電流**問題。
如圖5所示，並網前發電機電壓略高於電網電壓，並網後發電機電壓即為電網電壓。並網前發電機電流為輔助負載的電流，並網後的電流為饋入電網的電流。輔助負載用於並網前的發電機電壓和電流監測，並網後將輔助負載切除。
為了便於併網前後發電機定子繞組電壓電流的比較，併網試驗中採用了輔助負載檢測並網前定子繞組的電壓和電流，在實際vscf系統中，不一定需要輔助負載，可檢測與比較電網和發電機的端電壓以確定是否滿足併網條件。
4.4 三態轉換控制
在亞同步速執行時，變流器向轉子繞組饋入交流勵磁電流，同步速執行時變流器向轉子繞組饋入直流電，而超同步速執行時轉子繞組輸出交流電通過變流器饋入電網。亞同步、同步和超同步三種不同執行狀態的動態轉換是變速恆頻雙饋風力發電機勵磁控制的一項關鍵技術。
由於風速變化的不穩定性，風力發電機難以長時間穩定執行在同步速。為了避免反覆跨越同步點和在同步速附近小轉差區的控制難度，在實際變速恆頻風力發電系統中，總是把穩定執行工作點選在避開同步速附近小轉差區(|s|<0.05)以外的區間。
自然，跨越同步點是難免的。
跨越同步點的三種執行狀態的轉換可採用兩種不同的方法，一是採用「交-直-交」控制模式，二是採用「交-交」控制模式。「交-直-交」控制模式是隨著發電機轉速的增高逐漸降低轉子繞組電流的頻率，當轉速接近同步速時供給轉子繞組直流（此時轉子三相繞組為「兩並一串」的聯接方式而變流器以pwm方式控制不同橋臂的三個功率開關器件同時導通或關閉，輸出可控的直流勵磁電流）。當轉速超過同步速後，變流器停止直流供電，此時轉子繞組向變流器輸出轉差頻率的交流電。
採用「交-直-交」控制模式的發電機跨越同步速時的轉子電流實測波形如圖6所示。「交-交」控制模式因省去了向轉子繞組供直流電的環節，控制稍微容易一些，但三種執行狀態轉換的平滑性稍差一些，其轉子電流試驗波形如圖7所示。
5 結論
（1）跨越同步速是變速恆頻雙饋風力發電機勵磁控制關鍵技術之一，採用「交-直-交」或「交-交」控制模式，可實現亞同步、同步和超同步執行方式之間的轉換。
（2）併網操作是變速恆頻雙饋風力發電機勵磁控制需要解決的另一關鍵技術。可採用不同的並網方式（非同步方式或同步方式），但需要解決併網過程中的電流衝擊和電壓波動問題。參考文
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