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无刷励磁同步风力发电机励磁系统设计

作者:郑恩让, 张文苑2009.11.06阅读 17283

        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www.cechina.cn,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控制工程网版权所有,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www.cechina.cn,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。
       

 图1 无刷励磁同步风力发电机原理图

        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www.cechina.cn,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www.cechina.cn,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
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