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摘 要：随着经济发展的不断壮大，对能源的需求指数日渐增长。风能以其优异的特性成为了各国广泛追求的一种新能源，并明显取得好的开端。双馈电机变速恒频（VSCF）风力发电系统在变速恒频控制方面，主要是通过对转子绕组励磁电流的相位、幅值、相序及频率的调节来实现的。因此文章就变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术分析。
关键词：变速恒频；双馈分离发电机；励磁控制
目前我国的风电场装机绝大多数是恒速恒频机组。而国外风电领域，变速恒频机组已经成为主流，以双馈风力发电机组为主。采用变速恒频双馈风电机组，风力机可以根据不同的工况变速运行，实现最大风能追踪，工作效率高。双馈型发电机的最大特点是在发电机转子侧进行交流励磁，发电系统可根据风力机的转速变化调节励磁电流的频率，实现恒频输出；通过改变励磁电流的幅值和相位实现发电机有功、无功功率的独立调节。这样，双馈型风力发电机组转子侧的电力电子变换器只要控制总能量的一小部分（20%～30%），也就是转差功率和换流器需要控制总功率的直驱型风力发电机系统相比，电力电子变流器的损耗可以减小，变流器的造价降低。基于以上优点，双馈电机变速恒频（VSCF）风力发电机的研究备受关注，针对变速恒频双馈风力发电系统来讲，其其关键技术就是以电力电子、计算机控制为基础的交流励磁控制技术。
一、VSCF风力发电机的工作原理分析
（一）双馈电机VSCF控制原理分析
针对VSCF风力发电系统来讲，其由多部分构成，如控制器、双馈发电机、风力机、双向变流器及增速箱等。对于双馈发电机而言，其定子绕组与电网相连；由于转子绕组具有能够可根据实际需要调节频率的三相电源激励，因此，通常情况下，系统会选用两种供电方式，其一为交-交变流器供电，其二为交-直-交变流器供电。针对双馈发电机而言，其无论在何种转速下，均能保持运行状态，并且其转速能够随着风速的改变而进行调整，因而能使风力机始终维持在最佳运行状态，始终获得最佳的风能利用率。如果电机的转速、负载发生改变时，通过对馈入转子绕组的电流进行适当调节，除了可以保障定子持续输出稳定不变的频率与电压外，还能根据实际需要，对发电机的功率因数进行合理调节。依据感应电机转子绕组、定子绕组电流能够产生相对静止的旋转磁场的原理得知，VSCF风力发电机的转速与转子绕组、定子绕组的电流频率之间存在如下关系：
f1=/60±f2（1）
在此公式中，f1表示定子电流频率，f2表示转子电流频率，n表示发电机的转速，p表示发电机的极对数。由此公式可知，如果转速n改变，并对f2的变化进行调节，能够使f1维持在恒定不变的状态，也就是始终一致于电网频率，以此达到有效控制风力发电机的目的。如果风力发电机维持在一种亚同步速运行状态，那么将上述公式取正号；如果风力发电机维持在超同步速运行状态，那么上述公式可取负号；如果是同步速运行，则f2=0，变流器会将直流激励磁电流提供给转子。
（二）各种运行方式下转子绕组功率的流向分析
如果将电机损耗忽略，且将定子当作发电机惯例，而转子当作电动机惯例时，那么此时的发电机定子输出功率P1，与电机轴上输入机械功率Pmech+转子输入电功率P2之和对等。依据感应电机的基本原理，针对转子绕组的电功率而言，可用公式表示为：P2=sP1（2）
而电机轴上的机械功率可用公式表示为：Pmech=（1-s）P1（3）。在公式当中，s表示的是转差率。综合分析上述公式可知，如果发电机的运行处于亚同步速状态时，则s>0，需将电功率馈入至转子绕组，转子向定子传递的电磁功率是sP1，而风力机向定子传递的电功率仅为（1-s）P1。如果的运行处于超同步速状态，则s<0，此时，转子绕组会持续向外供电，也就是定子与转子同时发电，风力机向发电机供电的功率增加到（1+s）P1。因高或低于同步速各种运行方式下，转子绕组会有不同的功率流向，所以，需选用双向变流器。
二、发电机励磁控制系统概述
发电机励磁系统是供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备的统称。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。发电机励磁系统包括直流励磁机、无励磁机、交流励磁机等。近十多年来，由于新技术，新工艺和新器件的涌现和使用，使得发电机的励磁方式得到了不断的发展和完善。在自动调节励磁装置方面，也不断研制和推广使用了许多新型的调节装置。励磁系统的主要作用有：1）根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；2）控制并列运行各发电机间无功功率分配；3）提高发电机并列运行的静态稳定性；4）提高发电机并列运行的暂态稳定性；5）在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以減小故障损失程度；6）根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。
三、变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术
（一）变速恒频控制
针对双馈风力发电机开展针对性的变速恒频控制，实际就是依据风力机转速方面的改变，来实现对转子励磁电流频率的有效控制，使双馈发电机所输出的电压频率一致于电网。通常情况下，控制变速恒频的方法主要有两种，其一为有转速传感器变速恒频控制，其二为无转速传感器控制。针对前者而言，其控制起来比较容易，但需增设光电编码器；而对于后者，则需要相对复杂的控制技术。将电机的极对数设定为p=2，而将其定子电流频率设为f1=50Hz。把这些数值均带入到公式（1）中，便可得到电机转速检测信号与励磁电流频率f2之间的关系式。当电机处于亚同步速时，馈入转子的电流频率用公式可表示为f2=50-kp/10（4）；而处于超同步速状态时，馈入转子的电流频率可用公式表示为：f2=kp/10-50（5）。在公式中，kp所表示的是每10ms中计数器所记录下的光电编码器相应输出脉冲数。可依据光电编码器每转输出2000个脉冲，将电机转速与kp之间的关系计算出来。当双馈发电机相比于同步速运行，处于偏低状态时，转子绕组电流便会随着转速的不同，而对频率波形进行调节。因此，依据公式（1）的规律变化，可将转子电流的频率求出，最终达到控制双馈发电机变速恒频的目的。
（二）双馈发电机并网控制
针对以往类型的风力发电机而言，其大多运用的是异步发电机，并网时会对电网产生较大冲击。而对于双馈发电机来讲，可根据实际情况，对转子励磁电流进行调节，以此来实现软并网，防止并网过程中可能出现的电压波动过大或电流冲击过大的情况。针对励磁控制系统来讲，在将要并网前，先用电压传感器将发电机电压以及电网的幅值、频率、相序及相位计算出来，利用双向变流器对转子励磁电流进行调节，促使发电机输出电压一致于电网幅值、电压频率及相位，当满足并网条件时，可以自动并网运行。如果并网后，定子电流出现震荡情况，究其原因，可能是并网试验中未选用无功与有功功率闭环控制所致，可选用闭环控制后，发电机功效保持不变，这便能有效解决电流震荡问题。
综上，针对跨越同步速来讲，其乃是整个变速恒频双馈风力发电机励磁控制操作的核心技术，可以根据实际需要，选择交-交控制模式，或者是交-直-交模式，可实现超同步、同步与亚同步等运行方式间的实时转换。
参考文献
[1]李自明，姚秀萍，王海云，常喜强，苗长越.变速恒频双馈风力发电机组的等值模型和仿真验证[J].电力电容器与无功补偿，2016，37（01）
[2]颜康.变速恒频双馈风力发电机的最大风能跟踪控制[D].沈阳工业大学，2015
[3]姬晓华.变速恒频双馈风力发电机组的运行控制[D].上海交通大学，2013
（作者单位：1北京东润环能科技股份有限公司；
2北京泰豪电力技术有限公司）
关键词：变速恒频；双馈分离发电机；励磁控制
目前我国的风电场装机绝大多数是恒速恒频机组。而国外风电领域，变速恒频机组已经成为主流，以双馈风力发电机组为主。采用变速恒频双馈风电机组，风力机可以根据不同的工况变速运行，实现最大风能追踪，工作效率高。双馈型发电机的最大特点是在发电机转子侧进行交流励磁，发电系统可根据风力机的转速变化调节励磁电流的频率，实现恒频输出；通过改变励磁电流的幅值和相位实现发电机有功、无功功率的独立调节。这样，双馈型风力发电机组转子侧的电力电子变换器只要控制总能量的一小部分（20%～30%），也就是转差功率和换流器需要控制总功率的直驱型风力发电机系统相比，电力电子变流器的损耗可以减小，变流器的造价降低。基于以上优点，双馈电机变速恒频（VSCF）风力发电机的研究备受关注，针对变速恒频双馈风力发电系统来讲，其其关键技术就是以电力电子、计算机控制为基础的交流励磁控制技术。
一、VSCF风力发电机的工作原理分析
（一）双馈电机VSCF控制原理分析
针对VSCF风力发电系统来讲，其由多部分构成，如控制器、双馈发电机、风力机、双向变流器及增速箱等。对于双馈发电机而言，其定子绕组与电网相连；由于转子绕组具有能够可根据实际需要调节频率的三相电源激励，因此，通常情况下，系统会选用两种供电方式，其一为交-交变流器供电，其二为交-直-交变流器供电。针对双馈发电机而言，其无论在何种转速下，均能保持运行状态，并且其转速能够随着风速的改变而进行调整，因而能使风力机始终维持在最佳运行状态，始终获得最佳的风能利用率。如果电机的转速、负载发生改变时，通过对馈入转子绕组的电流进行适当调节，除了可以保障定子持续输出稳定不变的频率与电压外，还能根据实际需要，对发电机的功率因数进行合理调节。依据感应电机转子绕组、定子绕组电流能够产生相对静止的旋转磁场的原理得知，VSCF风力发电机的转速与转子绕组、定子绕组的电流频率之间存在如下关系：
f1=/60±f2（1）
在此公式中，f1表示定子电流频率，f2表示转子电流频率，n表示发电机的转速，p表示发电机的极对数。由此公式可知，如果转速n改变，并对f2的变化进行调节，能够使f1维持在恒定不变的状态，也就是始终一致于电网频率，以此达到有效控制风力发电机的目的。如果风力发电机维持在一种亚同步速运行状态，那么将上述公式取正号；如果风力发电机维持在超同步速运行状态，那么上述公式可取负号；如果是同步速运行，则f2=0，变流器会将直流激励磁电流提供给转子。
（二）各种运行方式下转子绕组功率的流向分析
如果将电机损耗忽略，且将定子当作发电机惯例，而转子当作电动机惯例时，那么此时的发电机定子输出功率P1，与电机轴上输入机械功率Pmech+转子输入电功率P2之和对等。依据感应电机的基本原理，针对转子绕组的电功率而言，可用公式表示为：P2=sP1（2）
而电机轴上的机械功率可用公式表示为：Pmech=（1-s）P1（3）。在公式当中，s表示的是转差率。综合分析上述公式可知，如果发电机的运行处于亚同步速状态时，则s>0，需将电功率馈入至转子绕组，转子向定子传递的电磁功率是sP1，而风力机向定子传递的电功率仅为（1-s）P1。如果的运行处于超同步速状态，则s<0，此时，转子绕组会持续向外供电，也就是定子与转子同时发电，风力机向发电机供电的功率增加到（1+s）P1。因高或低于同步速各种运行方式下，转子绕组会有不同的功率流向，所以，需选用双向变流器。
二、发电机励磁控制系统概述
发电机励磁系统是供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备的统称。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。发电机励磁系统包括直流励磁机、无励磁机、交流励磁机等。近十多年来，由于新技术，新工艺和新器件的涌现和使用，使得发电机的励磁方式得到了不断的发展和完善。在自动调节励磁装置方面，也不断研制和推广使用了许多新型的调节装置。励磁系统的主要作用有：1）根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；2）控制并列运行各发电机间无功功率分配；3）提高发电机并列运行的静态稳定性；4）提高发电机并列运行的暂态稳定性；5）在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以減小故障损失程度；6）根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。
三、变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术
（一）变速恒频控制
针对双馈风力发电机开展针对性的变速恒频控制，实际就是依据风力机转速方面的改变，来实现对转子励磁电流频率的有效控制，使双馈发电机所输出的电压频率一致于电网。通常情况下，控制变速恒频的方法主要有两种，其一为有转速传感器变速恒频控制，其二为无转速传感器控制。针对前者而言，其控制起来比较容易，但需增设光电编码器；而对于后者，则需要相对复杂的控制技术。将电机的极对数设定为p=2，而将其定子电流频率设为f1=50Hz。把这些数值均带入到公式（1）中，便可得到电机转速检测信号与励磁电流频率f2之间的关系式。当电机处于亚同步速时，馈入转子的电流频率用公式可表示为f2=50-kp/10（4）；而处于超同步速状态时，馈入转子的电流频率可用公式表示为：f2=kp/10-50（5）。在公式中，kp所表示的是每10ms中计数器所记录下的光电编码器相应输出脉冲数。可依据光电编码器每转输出2000个脉冲，将电机转速与kp之间的关系计算出来。当双馈发电机相比于同步速运行，处于偏低状态时，转子绕组电流便会随着转速的不同，而对频率波形进行调节。因此，依据公式（1）的规律变化，可将转子电流的频率求出，最终达到控制双馈发电机变速恒频的目的。
（二）双馈发电机并网控制
针对以往类型的风力发电机而言，其大多运用的是异步发电机，并网时会对电网产生较大冲击。而对于双馈发电机来讲，可根据实际情况，对转子励磁电流进行调节，以此来实现软并网，防止并网过程中可能出现的电压波动过大或电流冲击过大的情况。针对励磁控制系统来讲，在将要并网前，先用电压传感器将发电机电压以及电网的幅值、频率、相序及相位计算出来，利用双向变流器对转子励磁电流进行调节，促使发电机输出电压一致于电网幅值、电压频率及相位，当满足并网条件时，可以自动并网运行。如果并网后，定子电流出现震荡情况，究其原因，可能是并网试验中未选用无功与有功功率闭环控制所致，可选用闭环控制后，发电机功效保持不变，这便能有效解决电流震荡问题。
综上，针对跨越同步速来讲，其乃是整个变速恒频双馈风力发电机励磁控制操作的核心技术，可以根据实际需要，选择交-交控制模式，或者是交-直-交模式，可实现超同步、同步与亚同步等运行方式间的实时转换。
参考文献
[1]李自明，姚秀萍，王海云，常喜强，苗长越.变速恒频双馈风力发电机组的等值模型和仿真验证[J].电力电容器与无功补偿，2016，37（01）
[2]颜康.变速恒频双馈风力发电机的最大风能跟踪控制[D].沈阳工业大学，2015
[3]姬晓华.变速恒频双馈风力发电机组的运行控制[D].上海交通大学，2013
（作者单位：1北京东润环能科技股份有限公司；
2北京泰豪电力技术有限公司）