摘要：双馈异步风力发电机的出现，为解决风力发电的电能不稳定性这一问题提供了很好的方法。可是由于工程条件的限制，在实验室搭建风力发电的模拟平台进行实验研究是非常有必要的。在文中讨论并设计和实现了一个转速反馈的闭环控制调速系统，以及一个转速反馈的开环控制调频系统。并通过上位机的联合协调，对两个系统的工作进行控制，最后达到变速恒频的目标，使异步电机定子侧的输出电压在转子转速变化的情况下维持在了50Hz的有用电能输出。
关键词：风力发电；模拟双馈异步风力发电系统；调速；调频；变速恒频
0 引言
本文所采用的系统是一套模拟双馈异步风力发电系统。主要实现调速、调频功能，以达到在各种变化的风速下使异步发电机的定子侧输出电压频率稳定在50Hz附近，即变速恒频的目的。本文将主要围绕：模拟双馈异步风力发电系统的架构、直流电动机调速功能的设计与实现、系统调频以及变速恒频功能的设计与实现展开。本文所提供的思路以及程序设计方法，对实际工作环境中双馈异步风力发电控制系统的控制与设计提供了基本思路和解决问题的方案。
1 模拟双馈异步风力发电系统的架构
1.1双馈风电系统工作在超同步运行状态
当所模拟的实际风场的风速较大，异步电机转速超过同步转速时，将进入超同步运行状态。异步发电机的定子中的大部分电量直接将电能输送给我们预先接好的交流负载。转子也向外馈送功率。此时对于背靠背的双PWM变流器，机侧变流器工作在整流状态，在磁场定向矢量控制下将异步电机转子上的交流电变换为直流电，向直流储能电容充电。但是由于本模拟系统采用的变频器只能工作在两象限的状态，因而为了防止储能电容电压泵升，在变频器的中间直流侧加入了直流负载，对电容的泵升电压进行消纳。
1.2双馈风电系统工作在同步运行状态
当所模拟的实际风场的风速，即直流电动机的转速恰好使异步电机工作在同步转速的时候，将进入同步运行状态。异步发电机只有定子向交流负载馈送功率。
1.3双馈风电系统工作在欠同步运行状态
当所模拟的实际风场的风速较小，异步电机转速低于同步转速时，将进入亚同步运行状态。异步发电机的定子向交流负载馈送功率。转子需要从直流储能电容吸收能量，在磁场定向矢量控制下将机侧变流器变成逆变状态，由于储能电容释放能量将导致电压不足，需要向电网索取电能。因此网侧变流器工作在整流状态。以此维持异步电机定子侧输出的电能频率维持在50Hz。
2 系统调速部分的设计与实现
调速控制系统是一个转速反馈的闭环控制的调速系统。首先在预先设置好的实际风场曲线中，我们根据曲线中的风速，根据转换取定一个原动机最终转速的参考值。通过上位机程序根据所给定的参考转速通过算法计算出与之对应的电压值，并设定给可变电阻箱，改变直流电动机电枢绕组的电压进而达到调节直流电动机转速的目的。并通过转速测量仪实时地读出直流电动机的转速，通过RS-584通信传回上位机。在上位机程序的后台对传回的数据进行解析。取得实时的转速数据，与之前所给定的转速值相比较，对转速的偏差量通过直流电动机调压调速公式的计算，得到电压的偏差量。再施加到可变电阻箱上，进一步对直流电动机的转速进行修正，在经过3个左右的程序周期之后，就能够得到我们想要设定的转速了。
3 系统调频部分的设计与实现
本文所涉及的调频系统根据转速测量仪的转速反馈量，在后台通过算法计算，对变频器发出控制指令。使变频器的交流电流输出频率按照我们的给定值进行变化。由于频率的改变比起机械量转速的改变要迅速得多，因此不需要设计一个闭环的系统，对这一给定频率进行修正。实验结果和理论基础均表明，在变频器进行频率的改变的控制时，基本输出电流的频率的瞬时变化的。因此对于此部分，是一个开环控制的系统。转速作为系统的输入量，变频器交流电流输出频率作为系统的输出量。
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4 系统变速恒频的设计与实现
本文所设计的变速调频控制系统是一个转速反馈的闭环控制的调速调频系统。我们通过读出在调速部分取得的直流电动机的转速。直流电动机的转速，也就是此时异步发电机转子的转速。由异步发电机的工作原理我们可以知道：式中f为电网的频率一般为50Hz，f变为变频器相异步发电机输出的电流频率，f转子为转子自身在空间中转动所产生的感应电动势和电流的频率。
f = f变 + f转子 (1)
根据转子电流产生的磁动势与转子的相对转速为:式中f2为转子感应电动势和电流的频率，p为极对数。
n2=60f2/p (2)
本文采用的是极对数为3的异步电机，因此将p=3带入公式(2)中，再代入公式(1)中，即可得到：
f变=50-n2/20 (3)
以下是具体的程序实现思路：首先，上位机程序向转速测量仪发出请求读取转速信号的指令；转速测量仪接收到了之后，返回相应的转速测量数据给上为机。由于这一返回的数据只是一串遵循通信传输协议的十六进制数据包，因而在我们程序的后台首先要对数据包进行解析，提取我们所需要的转速信号，并进行通信传输的检错，即比对CRC校验码是否一致。校验通过之后，我们便可以将得到的转速数据在上位机的后台进行存储。根据此转速数据结合公式(3)，计算出变频器需要输出的交流电流的频率。再在后台对此数据进行转换，变成一串遵循通信传输协议的十六进制数据包，将其发送给变频器，控制变频器输出我们所需要的频率的电流，这正是变速恒频的真正含义。经过实验，本文的模拟双馈异步风力发电系统在此变速恒频的控制下，可以实现定子侧的输出电压频率稳定在±0.2Hz的范围以内。符合电网的电能质量规定。
5 结语
本文在模拟双馈风力发电系统的基础上，设计并实现了转速反馈的闭环控制调速功能，以及开环控制的调频功能，并通过上位机程序的协同作用，实现了在实验室环境下的模拟双馈异步风力发电系统的变速恒频发电运行。通过实验的验证，表明了理论分析和设计思路的正确性。对于变速恒频的双馈风电系统的设计思路和研究方法可以推广风电的实际运用。
参考文献：
[1] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M].5版.北京:机械工业出版社,2009
[2] 阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].4版,北京:机械工业出版社,2009.
论文作者:莫勰旻,黎炳坤,张龙威,杨福焜
论文发表刊物:《电力设备》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/18
标签：转速论文; 系统论文; 直流电动机论文; 转子论文; 频率论文; 变频器论文; 定子论文; 《电力设备》2017年第8期论文;