1、 发电体系 SEC 电容的优化方案 6700 字1、引言风能作为最干净的可再生能源，蕴含量巨大，取之不尽，用之不竭，早已成为全世界范围的研究热点。笼型转子感应电机因其具有价格低廉、结构坚固简单及可靠性等优点，已成为独立电源和风力发电系统的重要选择之一1,2。而定子双绕组感应发电机(Din的 DWIG 样机上进行了实验验证。2、系统构成和工作原理DWIG 风力发电系统主要由风力机、一级增速齿轮、DWIG、SEC 等主要部件组成，风力机经一级增速齿轮箱拖动DWIG 至发电状态运行，将风能转化为电能。功率侧绕组接交流励磁电容，通过整流桥输出直流电，控制侧绕组与 SEC 之间接有滤波电感，由 SEC
2、控制发电机内部磁通，使得系统变速变负载情况下输出稳定的直流电压。为了充分利用低风速下的风能，利用控制侧绕组经 SEC 发电，输送至 SEC 直流母线，拓扑采用控制侧 SEC 的直流母线经功率二极管与功率侧整流桥并接输送电能的方式，具体的系统结构框图如图 1 所示。图 1 所示的新拓扑使得 DWIG 风力发电系统在很宽的风速范围内都能输出稳定的直流电压，充分利用低风速下的风能13。系统在低风速下运行时，由于发电机的转速较低，功率侧绕组的端电压无法达到额定电压的要求，因此通过控制侧 SEC 的泵升作用，利用电机控制绕组的自身漏感和滤波电感作储能，将 SEC 的开关管信号为零矢量时存储的能量在非零矢
3、量时泵升至直流母线侧，使其端电压达到指令值，发出的电能通过 SEC 的直流母线端经并联二极管往外送出。为了使 DWIG 具备良好的带载能力，此时需维持发电机内部的磁通恒定。当风速逐渐上升，直至功率侧绕组端电压提升达到指令值时，由功率侧的整流桥往外输出电能，并联二极管被阻断，此时由并联的交流励磁电容和 SEC 共同向电机提供需要的励磁无功，SEC 的调控功能是维持其自身直流母线电压恒定不变的同时，调节输出的励磁无功维持系统输出直流电压恒定。3、励磁电容的优化特定的风力机在一定风速下，都存在一个最大功率输出点，因此发电机输出功率也会有一个最大点。将所有不同风速下的最大输出功率点连接起来，即可得到发
4、电机最优输出功率曲线，如图 2所示。DWIG 系统所需的励磁无功容量主要取决于发电机参数、转速范围、负载等因素9-11，在发电机参数、转速范围等这些因素都确定的情况下，DWIG 风力发电系统运行于图 2 所示的最优输出功率曲线上，选择不同大小的励磁电容必然会影响 SEC 工作时的电流大小：如果选择过小，系统在低速运行时 SEC 需要提供过大的励磁无功;选择过大，高速运行时会产生大量多余的励磁无功需要由 SEC吸收。因此优化选择一个合适的励磁电容值，可以使得 SEC 容量最小化。3.1 系统励磁电容优化的难点由图 2 所示，本系统以高低风速运行状态的切换转速 ns 为分界点，形成了两段不同的运行
5、区间：一为低风速区 ABC 段，包含风力机的起动、系统建压以及低风速运行，此阶段由控制侧 SEC 直流母线端输出电能，功率侧的整流桥被阻断，由励磁电容和 SEC 共同提供励磁无功以维持电机内部磁通恒定，此时因发电机频率低，励磁电容低频下提供的励磁无功电流较小，励磁无功由 SEC 提供，因此该运行区间内控制绕组电流的大小取决于励磁无功电流分量与有功电流分量的合成，根据发电机转速与输出功率之间的特性关系，可知两种运行状态之间的切换转速会影响有功分量的大小，继而也会影响励磁电容的优化选取;二为高风速区 CDE 段，包括部分额定转速以下以及超过额定转速的弱磁区，此时系统从功率侧输出电能，由 SEC 吸
6、收励磁电容提供的过多的励磁无功，以此来调节电机内部磁通，从而稳定输出的直流母线电压，此时控制侧 SEC 的有功损耗只占很小一部分，因此无功电流分量在控制绕组电流中占主要成分。综上所述，本文研究的宽风速运行的 DWIG 风力发电系统，与文献10,11 研究的系统在拓扑和控制上有非常大的不同，造成了系统存在着另外几个影响励磁电容优化选取的关键点如下：一是系统存在两种运行状态，在有功和无功电流已解耦的情况下，高低风速两种状态下控制绕组电流中有功和无功分量的组成完全不同，造成了文献10,11 中的优化原则对于本系统完全失去了作用，必须针对本系统探讨新的优化原则;二是何时从低风速运行切换至高风速运行，即
7、两种运行状态之间切换时机的选择将会影响励磁电容的优化选取;三是如何将高低风速两种运行状态不同控制方式下的控制电流综合起来考虑励磁电容的优化，选择一个合适的方案。3.2 控制绕组电流的计算下面针对两种不同的运行状态，分析控制电流的组成。为了简化分析，忽略定子绕组之间互漏感的影响，且只考虑系统的基波分量。假设负载为阻性，以 RL 表示，其中 p,s,r 分别代表功率绕组、控制绕组和等效的转子绕组。两种运行状态下的 DWIG 电机数学模型均相同，不同之处在于各自运行状态下电机发出的电能由何处输出，由此导致系统的等效电路与相量图与之前拓扑的系统有所不同。低风速下运行时，由控制侧 SEC 的直流母线输出
8、电能，由低风速运行状态切换至高风速运行状态时，发电机的输出功率与转速之间仍然要满足发电机最优输出功率特性，且必须切换平滑，无冲击及扰动，因此切换转速的选取尤为重要，在切换后此转速下功率侧必须仍然具备输出所需最优功率的能力。仿真结果是理想化的，未考虑系统中的非线性因素，但是可以作为优化选取的参考。本文在仿真结果的基础上，结合了循环计算和实验验证的方法来获取最佳切换转速和最优励磁电容值，其流程图如图 6 所示。以边界点1000r/min、205F 为起始参考条件，判断约束条件|Is+Ih|和PoutPopt(n)，当不满足条件时，循环叠加对应的 C 和 n，直至找到最优的励磁电容值和最佳切换转速。
9、其中 Popt(n)表示发电机最优输出功率曲线上转速为 n 时对应的输出功率值。采用图 6 所示的方法，经过若干次循环计算和验证之后，可求得优化励磁电容值Copt=235F，ns=1100r/min，此时控制绕组的正向最大和负向最小电流都约为 18A。5、实验研究在实验室一台 37kM440 变频器驱动一台普通三相交流异步电机来模拟风力机15。实验时负载采用自制的并逆变器，效率达99%， THD5%，输出的有功功率给定遵循 DC56F8346DSP 作处理器，硬件由 MitsubishiIPM 模块构建，控制周期为 100s，滤波电感为 4mH，励磁电容为 235F。实验中 Din，每隔 10
10、0r/min 给出对应的发电机输出功率及控制绕组电流大小，具体实验结果如图 7 所示，其中控制绕组电流值以有效值表示。系统在 5002000r/min 转速范围内能运行稳定，切换速度下控制绕组电流正向最大值与高速满载抽取励磁无功时负向最大电流基本相等，约为 17.5A，SEC 容量约为额定功率的 31%，与原拓扑的 Din 时系统在蓄电池的辅助励磁下建压运行(输出DC600V 额定值)的波形。待建压完成后，系统按最优输出功率曲线运行，在转速范围(5001100r/min)内为低风速运行状态，通过电压泵升原理由控制侧 SEC 直流母线端输出电能。图 8b 为 1000r/min 时输出 8kin
11、 后切换为高风速运行状态，发电机的输出功率约为 12kin输出额定功率时的系统电压和电流波形，此时控制绕组电流有效值约为 17.3A。6、结论采用新拓扑的 Dulink 仿真研究，得到不同励磁电容下两种工作状态下控制电流变化规律，采用循环计算和实验验证的方法得到最佳的切换转速为 1100r/min，最优励磁电容约 235F。经实验验证，系统在 5002000r/min 的转速范围内运行稳定，优化选取励磁电容后，SEC 容量约占发电机额定功率的 31%，与之前 DWIG 风力发电系统的 SEC 容量相当。可见，经过优化方案过后，在只需要增加一个单向功率二极管的前提下，即可通过新的拓扑和控制方法实现宽风速范围内(1:4) 输出稳定的高压直流电，充分利用了低风速下的风能。
