双馈风力发电机励磁系统的研究与设计*

郑恩让， 高 飞

(陕西科技大学电气与信息工程学院风力发电实验室，陕西西安 710021)

0 引言

变速恒频双馈风力发电机组是目前风力发电的主流机型。它主要是通过双向变换器来实现交流励磁控制，通常的控制策略是将双向变换器分为网侧变换器和转子侧变换器，并对这两侧变换器分别进行控制，两者之间采用大容量电解电容来进行解耦。通过转子侧变换器调节馈入转子绕组的励磁电流，既可稳定定子输出的电压和频率，还可以调节发电机的功率因数。电网侧变换器从电网上获得电能变流后以直流形式供给转子侧励磁变换器，从而能给转子提供励磁电流，通过调节励磁电流，对电机转速进行控制，达到稳定功率输出的目的。但是当系统参数发生变化或有外部扰动时，都会使系统的闭环极点偏移，导致系统运行不稳定。因此，提出了一种基于免疫单神经元自适应PID算法的励磁控制策略，在系统参数发生变化或有外部扰动时，可以提高系统的可靠性和安全性。

1 变速恒频双馈发电机的控制原理

如图1所示，双馈式变速恒频风力发电系统由风力机、变速箱、双馈发电机、变换器及控制系统等构成。双馈发电机的定子绕组与电网相连，转子绕组由转子侧变换器供给励磁，本文中采用交-直-交变换器供电。双馈发电机的转速可随风速的变化在一定范围内作适当调整，从而使风机的运行始终处于最佳状态，以提高风能的利用率。图1中转子侧变换器和电网侧变换器均为双向变换器，通过转子侧变换器调节馈入转子绕组的励磁电流，一方面可稳定定子输出的电压和频率，另一方面还可以调节发电机的功率因数。电网侧变换器从电网上获得电能变流后以直流形式供给转子侧励磁变换器，从而能给转子提供励磁电流，通过调节励磁电流，对电机转速进行控制，从而达到稳定功率输出的目的。

图1 双馈风力发电系统结构框图

由于双馈发电机是三相绕线式异步发电机，可知双馈发电机的转速与定、转子绕组电流频率之间的关系为

式中:fs，fr——定、转子电流频率;

p、n——发电机的极对数和转速。

当发电机处于亚同步速运行时，式(1)取正号;发电机超同步速运行时，式(1)取负号。同步速运行时，fr=0，此时转子绕组从转子侧变换器获得直流励磁。

由式(1)可得，当发电机转速n发生变化时，可通过调节转子电流频率fr使得定子电流频率fs保持与电网频率同步，从而达到发电机的变速恒频控制。

2 励磁控制系统

2.1 励磁控制系统的功能

励磁控制系统是发电机的重要组成部分，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大影响。优良的励磁控制系统应能够保证发电机的可靠运行，而且还可以有效提高发电机的发电质量，保持电网的各项指标稳定;同时，励磁调节装置还能有效提高系统静态稳定的功率极限。

由于风力发电系统本身是时滞系统，来自系统各部分的运行状态信号也较多，因此励磁控制系统除了要完成其基本功能外，还要与风电系统其他部分配合，对发电机的转速、有功功率、无功功率，以及转子绕组的电压、电流、相位、幅值、频率等进行调节，以满足双馈发电机的各种运行状态的要求。

2.2 双馈风力发电励磁控制系统的构成

如图2所示，搭建双馈风力发电机模拟试验系统，由15 kW交流异步电机作为原动机，利用变频器可对其进行调速模拟风力机，7.5 kW绕线式异步发电机模拟双馈式风力发电机，在原动机的带动下旋转发电，其定子绕组接电网，转子绕组接转子侧变换器，转子侧变换器和电网侧变换器均为双向变换器。当双馈发电机低于同步速运行时，电网侧变换器从电网获取电能变换成直流，经转子侧变换器供给转子绕组交流励磁，当双馈发电机超同步速运行时，转子绕组向外供电，经转子侧变换器和电网侧变换器向电网输送电能，从而保证发电机输出稳定。

图2 双馈风力发电模拟试验系统

励磁控制器根据获得的发电机参数，包括转速、定子电压电流、转子电压电流等，可对变换器输出进行调节，供给发电机合适的励磁，保持发电机输出稳定并使其发出的电能达到并网标准。

2.3 控制方法及其实现

励磁控制器的主要功能是可以根据风速的变化，自动调节发电机的励磁，使发电机端电压达到规定值，同时在发生过电压、过电流、超载等故障时，励磁控制器可与上位机进行通信，及时采取措施对机组进行保护。

由于双馈风力发电机的励磁系统是一个典型的非线性系统，因此应用传统的PID控制算法很难获得满意的效果。为此，可采用单神经元自适应PID算法对发电机励磁进行调节，这样可使系统达到稳定时，保证发电机机端电压和频率等参数始终保持并网规定值，并可以排除一些外部扰动;当处于暂态过程时，可以避免系统出现超调和振荡。

2.4 单神经元自适应PID控制器的设计

单神经元自适应PID结合了神经元控制与传统PID控制的优点，它具有自学习和自适应能力，具有较强的鲁棒性，不但结构简单，还解决了传统PID不易进行在线实时整定参数、难于对一些复杂过程和参数慢时变系统进行有效控制的不足。

单神经元自适应PID控制结构如图3所示。

图3 单神经元自适应PID控制结构

图3中x1(k)为系统误差，x2(k)为一阶差分，x3(k)为误差累计，即:

神经元特性设为

目标函数为

与常规PID算法相比较，单神经元自适应PID控制算法可以较大地改变典型非线性时变对象的动态特性，可以适应过程时变特性，保证控制系统在最佳状态下运行。

本文采用Hebb学习规则，学习算法为

式中:ηI、ηP、ηD——积分、比例、微分的学习速率;

K——神经元的比例系数，K＞0。

对积分、比例、微分分别采用不同的学习速率ηI、ηP、ηD，可以对不同的权系数进行调整。这样使得单神经元自适应PID控制比传统的PID控制有更好的抗干扰能力，使系统具有更好的稳定性。

3 仿真试验

根据单神经元PID自适应算法，在仿真软件中搭建试验系统，双馈发电机为2 MW风力发电机，发电机定子绕组直接与电网相连，转子绕组接转子侧变流器，经直流回路到达电网侧变流器，从而构成双向变流器，转子绕组既可通过双向变流器向电网输送电能，也可通过网侧变流器吸收电网电能。

双向变流器的调节主要通过根据单神经元自适应PID控制算法所设计出的调节器进行。主要对风速与功率的关系、风能利用率以及额定功率以上的系统输出进行了仿真。系统仿真试验波形如图4～6所示。

图4 风速与功率曲线

图5 风力机Cp-λ曲线

图6 额定风速以上输出功率动态曲线

从图中可以看出，采用单神经元自适应PID算法对系统励磁进行调节，可以很好地调节系统的输出，保持系统的稳定，同时也可以使双馈风力发电系统能够很好地追踪最大风能利用率，保证系统的输出能与并网规定值始终保持一致。

4 结 语

本文介绍了双馈风力发电机励磁系统的设计方案。双馈风力发电系统的核心技术是基于电力电子和微机控制的交流励磁控制技术。无论是在稳态运行还是在暂态运行过程中，双馈发电机运行状态都在很大程度上与励磁有关，励磁系统性能的好坏直接影响到风力发电机及电力系统运行的可靠性、安全性和稳定性。在该励磁系统的设计中根据系统的运行特点，采用单神经元自适应PID控制方法，获得了满意的控制效果。

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