无刷励磁同步风力发电机励磁系统设计
发布时间：2009-11-06 作者：郑恩让, 张文苑
0 引 言
对同步发电机励磁进行控制,是对发电机的 运行实行控制的重要内容之一[ 1 ] 。近半个世纪 以来,同步发电机励磁控制一直是学术界关注和 研究的热点,几乎所有的先进控制理论,如线性最 优、非线性最优、鲁棒控制、人工智能[ 224 ]等,都被 引入到励磁控制的研究中。但是同步发电机励磁 控制在风力发电领域的研究却很少。
一般同步发电机的励磁是由外部电源通过电 刷和滑环引到转子上的,有电刷的存在,就需要维 修,而且在需要防爆的场合,电刷火花往往还是一 种危险源。为了提高同步发电机的可靠性和安全 性, 可以采用无刷励磁技术[ 6 ] 。本系统同步风力 发电机结合长星集团风力发电机组,采用无刷励 磁控制技术,取消了电刷和滑环,并设计了基于可 编程逻辑控制器( PLC)的发电机无刷励磁调节 器,应用改进的P ID控制算法,外加电力系统稳定 器( PSS)附加调节器。该系统具有可靠性高、抗
干扰能力强、硬件简单和系统可扩展性强等特点。
1 风力发电无刷励磁系统组成及原 理
同步风力发电机的励磁系统一般由两个部分 组成。一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流 电流,以建立直流磁场,通常称之为励磁功率输出 部分(或称为功率单元) ;另一部分用于在正常运 行或发生事故时调节励磁电流,以满足运行时的需要,它包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁或 自动灭磁等,一般称为励磁控制单元。
1. 1 无刷励磁系统的组成
无刷同步风力发电机主要由齿轮箱、交流副 励磁发电机PGE、交流主励磁发电机GE、发电机 G、旋转整流器及励磁调节器等组成,如图1 所 示。主发电机为旋转磁极式的同步发电机,它的 副励磁机永磁同步发电机磁极是旋转的,电枢是 静止的,旋转整流器为模块式的三相整流桥。风 力机带动发电机旋转时,交流励磁机的电枢绕组、 硅整流器和发电机转子一起同轴旋转。由于整流 器和发电机转子是相对静止的,所以整流器的输 出和转子绕组可以直接连接在一起,不需要滑环 和炭刷,因此该系统称为无刷励磁。随着现代半 导体技术的发展,能够利用机械性能好、高电压、 大电流的硅整流元件作为旋转整流器,使得无刷 励磁成为一种很有发展前途的励磁方式。
1. 2 风力发电无刷励磁调节原理
整个励磁系统由主励磁电机的转子电枢产生 的三相交流电通过旋转整流器变成直流电,给主 发电机励磁。励磁调节器通过调节主励磁电机的 励磁电流即可调节主发电机的输出,而且交流励 磁机与整流器同时安装在传动轴上,总占地面积 可以减少。
励磁调节器的主要功能是根据风速的变化, 自动调节主励磁发电机的励磁,使发电机的电压 达到规定值;同时,励磁调节器还有过电压、过电 流、超载等保护功能。励磁电机的容量通常不到 主电机的百分之一,它的励磁电压、电流更小,通 常可以采用可控硅进行斩波调节,这样很适合于 自动励磁调节。
2 基于PLC的自动励磁调节器
随着计算机和大规模集成电路在电力工业中 的广泛应用,微机(数字)型励磁调节器将逐渐替 代半导体(模拟型)励磁调节器。PLC具有可靠 性高、结构简单等特点,能够实现复杂的控制策 略,具有完备的限制和保护功能等,从而在同步发 电机组中得到日益广泛的应用。可编程励磁调节 框图如图2所示。
2. 1 控制方法及其实现
伴随着线性控制理论和非线性控制理论的发 展,虽然同步发电机的非线性励磁控制在理论上 已经得到了充分研究,并在我国开始应用,但我国 大部分机组还是使用PSS/P ID的控制方式,因为 非线性控制领域中还存在一些问题有待进一步完 善[ 7 ] 。
结合PLC的运算特点,应用改进的PID进行 励磁调节,可使系统在达到稳态时有较大的放大 倍数,使机端电压接近恒定,调节精度达0. 1%以 内,有较大的抗干扰稳定极限;暂态时有较小的放 大倍数,避免超调和振荡。改进的P ID 调节如 下[ 8 ] 。
(1) 采用积分分离的PID控制。以避免系统 加入积分校正后,偏差太大而产生过大的超调量。 在P ID算法中加入逻辑判断,当偏差太大时,取消 积分项控制;当偏差较小时再投入积分项控制。 完成上述逻辑判断,可在积分项前加分离逻辑系 数Kf ,使
(2) 采用不完全微分算法。由于微分控制容 易引起高频干扰,在数字P ID控制中,串入一个低通滤波器来抑制高频干扰,其传递函数为:
(3) 采用带死区的P ID算法, 防止晶闸管触 发角的改变过于频繁和调节过于灵敏。带死区的 P ID实际上属于非线性控制,实际实现时,可设逻 辑判断: 当| e ( KT ) | > | e0 |时, 令e′( KT ) = e ( KT) ; | e ( KT) | < | e0 |时, 令e′( KT) = 0。式中 e0 为阈值, e′( KT)作为数字调节器的输入,即:当 | e ( KT) | > | e0 |时, P ID 调节有输出; 当| e ( KT) | < | e0 |时, P ID调节输出为零。 图3为适合于励磁系统的具有积分分离、不 完全微分和带死区的PID调节系统。
2. 2 PSS原理及其设计
重负荷、弱联系的电力系统在采用快速励磁、 高增益电压调节器的情况下,往往会产生负阻尼。 容易引发电力系统以阻尼不足为特征的低频振 荡。为此,电力系统普遍采用在励磁调节器上附 加PSS的附加励磁控制方案。这样可以产生一个 正阻尼转矩作用,去克服原电压调节器产生的负 阻尼转矩作用,提高电力系统动态稳定水平,使其 不低于稳定水平,并有良好的适应性[ 9 ] 。
图4是通用PSS传递函数。PSS采用的信号
有发电机轴速度偏差(Δω) 、机端电压频率偏差 (Δf) 、电功率偏差(ΔPe )和过剩功率(ΔPm )及它 们的组合等。不同的输入信号,领先/滞后环节阶 数不同,时间常数也不同。由于这些信号相对于 轴速度的相位不同,为使PSS的输出信号具有产 生正阻尼的合适相位,一般PSS都要设置相位领 先/滞后网络。
3 试验数据
试验数据是从长星集团试验风力机获得的数 据,风力机风轮的扫风面积A 为2 500 m2 ;齿轮箱 升速比N 为67. 67; 发电机的额定功率为850 kW。
(1)对于一台确定的风力机,风力机在转速 为8～9 r/min时开始准备投入励磁系统,开始时 满励磁运行。
(2)额定风速以下(3. 5～11 m / s)时,桨距角 β= 0°(桨距角一般保持在- 2°～ + 2°范围内不 变,通常是0°) ,偏航系统保证风力机始终正对风 向,控制主励磁机的励磁电流,从而控制风力发电 的励磁,维持输出电压恒定为690 V,达到最大风能利用系数。 (3)额定风速以上( 11～24 m / s)时,为了防 止频繁的往复变桨,功率偏差在10 kW时不进行 变桨。偏航系统保证风力机始终正对风向。 (4)风速高于24 m / s时发电机组制动刹车。
4 结 语
本文介绍了风力发电机组无刷励磁系统的设 计方案。励磁调节系统是同步发电机的重要组成 部分,无论是在稳态运行还是在暂态运行过程中, 同步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 本励磁系统的设计中,充分发挥了PLC的强抗干 扰、接口及驱动能力,提高了系统的可靠性。运用 其软件所具有的P ID调节模块,根据系统的运行 特点,采用改进的P ID控制方法附加PSS,简化了 编程,并可根据运行要求实现在线调整参量。
【参考文献】
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