無刷雙饋風力發(fā)電機的控制策略與實現(xiàn)

文偉，黑開偉

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2.武漢軍械士官學校，武漢 430075）

0 引言

能源對于國家建設(shè)的重要性不言而喻。隨著工業(yè)革命的發(fā)生和推進，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)了嚴重的能源問題，一方面是一次能源的掠奪式開發(fā)，另一方面是二次能源和物質(zhì)的極大浪費，這些現(xiàn)象的發(fā)生對于全球可持續(xù)發(fā)展提出了嚴峻的考驗。基于此，解決能源問題必須要從兩個方面入手，第一要解決能源浪費問題，主要涉及到各種生產(chǎn)性設(shè)備的技術(shù)改進以及普通用電、耗能領(lǐng)域的優(yōu)化，第二是積極開發(fā)綠色能源，尋求可再生的替代能源，從而在源頭上實現(xiàn)能源生產(chǎn)的多元化發(fā)展。風能作為清潔能源和可再生能源近年來受到了各國的重視，對其生產(chǎn)技術(shù)進行研究也成為了各國提升競爭力的主要手段。

1 無刷雙饋發(fā)電機發(fā)展概述

無刷雙饋發(fā)電機是在級聯(lián)發(fā)電機的基礎(chǔ)上研制而成的，相比傳統(tǒng)的級聯(lián)機具有結(jié)構(gòu)簡單、動率強大、同步異步高集成度等技術(shù)優(yōu)勢。級聯(lián)機的運行要依靠兩臺異步電機，并且這兩臺電機的組合需要由Hunt進行連接，通過將兩臺電機的定子繞組進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以為電機無刷化發(fā)展提供實施依據(jù)。自級聯(lián)機是在級聯(lián)機的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，其定子和轉(zhuǎn)子都具有各自的繞組結(jié)構(gòu)，并且形成不同的極對數(shù)。后期在對自級聯(lián)機進行改進時，研制出一種鼠籠式導條轉(zhuǎn)子，這種轉(zhuǎn)子與自級聯(lián)機的不同之處在于兩者導條分布的巨大差異。在電機正常運轉(zhuǎn)時，新型轉(zhuǎn)子能夠使磁路中產(chǎn)生兩個技術(shù)不同的磁場，經(jīng)過途徑實現(xiàn)能量的高效傳遞。這種能量傳遞方式和變頻器相結(jié)合就是無刷雙饋發(fā)電機的技術(shù)基礎(chǔ)。

無刷雙饋發(fā)電機的雙饋原理為：當能量通過變頻器向電網(wǎng)回饋時，電機的運行模式處于亞同步級別，而當電網(wǎng)通過變頻器將能量向電機輸送使，其運行模式處于超同步狀態(tài)。隨著技術(shù)的發(fā)展和設(shè)計理念的轉(zhuǎn)變，關(guān)于無刷雙饋風力發(fā)電機的研究呈現(xiàn)出繁盛趨勢，主要的研究方向為建立電機數(shù)學模型、電機應用特征、電機結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機控制策略等。我國對于無刷雙饋電機的研究相對較晚，并且存在實際應用上的局限性，需要作出大量的研究以充實該領(lǐng)域的理論建設(shè)和實踐依據(jù)。現(xiàn)行的無刷雙饋風力發(fā)電機主要有三個結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，即一個轉(zhuǎn)子繞組和兩個定子繞組，具體結(jié)構(gòu)見圖 1，在進行風力發(fā)電運行時，電機與發(fā)電系統(tǒng)的組合方式一般是將風力發(fā)電機直接安裝在轉(zhuǎn)子上，部分發(fā)電裝置是將其運用聯(lián)軸器實現(xiàn)與轉(zhuǎn)子的連接。

2 無刷雙饋風力發(fā)電機的控制策略

2.1 對電機直接扭矩的控制

無刷雙饋發(fā)電機的控制環(huán)境對系統(tǒng)的動、靜性能有一定的要求，將其利用至風力發(fā)電中必須使其符合風力發(fā)電的全部功能要求，如發(fā)電功率要求、風能捕獲要求等，為此可以考慮使用閉環(huán)控制方式對電動機直接扭矩進行控制。實現(xiàn)扭矩控制的基本模式見圖 2。在實現(xiàn)發(fā)電功率最大化的途徑中，必須要解決風能跟蹤和能量轉(zhuǎn)化問題。從目前的研究成果看，實現(xiàn)風能控制的有效方式包含爬山搜索法、最佳葉尖速比法以及功率反饋法，這幾種方法各自具有不同的優(yōu)勢和使用環(huán)境。

圖1 無刷雙饋風力發(fā)電機單元結(jié)構(gòu)

1）最佳葉尖速比法

這種風能跟蹤控制方法應用的最有利情況為風速能夠被準確測量情況下的控制，只有實現(xiàn)了這一基準條件才能對風力發(fā)電機的最佳葉尖速比進行設(shè)定和控制。為了實現(xiàn)對風能的最大化跟蹤，需要對風速進行實時的監(jiān)測，并運用葉尖速比計算出發(fā)電機運行過程中的最佳功率和轉(zhuǎn)速。這種方法的局限性在于實時風速的測量難度較大，并且由于非線性速率變動影響，不可能非常精確地測得風速，這也是目前解決風力發(fā)電及空氣流體工程學諸多問題首要考慮的難點。

圖2 常見扭矩控制模式

2）功率反饋法

功率反饋法通過測量發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)速以及輸出功率獲得電機運行的實際轉(zhuǎn)速。該控制方法的優(yōu)勢在于對風力發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)速進行了有機的整合，使兩者在統(tǒng)一度量尺度下運行，實現(xiàn)了由功率曲線的觀測獲取實時風速的功能，并在此基礎(chǔ)上確定出最佳功率點。但是由于風力發(fā)電機的功率曲線存在較大的差異性，因此在計算不同電機的功率曲線時存在一定的技術(shù)難度，限制了功率反饋法的普及度。

3）爬山搜索法

爬山搜索法是在對前兩種控制方式進行整個以及技術(shù)改進的基礎(chǔ)上設(shè)計出來的新型風能跟蹤控制方法，能夠有效克服最佳葉尖速比法存在的實時風速測定問題以及功率反饋法存在的功率曲線計算問題。爬山搜索法的控制原理是通過對電機施加一定程度的加速擾動，并對電機功率變動趨勢進行觀測研究，進而找出最佳轉(zhuǎn)速點。

爬山搜索法的實施途徑為以下內(nèi)容，將兩個相鄰時刻電機采樣功率相減，得出變化功率，如果該變化功率為負數(shù)，則將轉(zhuǎn)速擾動指令設(shè)置為與原始擾動指令相反的符號；如果變化功率為正數(shù)，則使轉(zhuǎn)速擾動指令保持原來狀態(tài)，對這一時刻的轉(zhuǎn)速進行設(shè)置就可以參考上一周期轉(zhuǎn)速擾動指令和轉(zhuǎn)速參考值兩項內(nèi)容。

2.2 無刷雙饋風力發(fā)電機功率控制

無刷雙饋風力發(fā)電機對于功率的控制系統(tǒng)主要包含以下幾個方面。第一是功率觀測器，這部分的構(gòu)件主要是實現(xiàn)對電機繞組子系統(tǒng)具體指標的測定，包括電流和電壓的實時測量，并通過運算得出輸出功率的最佳值；第二是磁鏈觀測器，該部分功能要對功率磁鏈值進行測量，并通過位置角的設(shè)定為計算繞組頻率奠定基礎(chǔ)；轉(zhuǎn)速控制器，傳統(tǒng)的功率控制器存在很大的功率耗損，轉(zhuǎn)速控制器能夠選擇合理的模式比較轉(zhuǎn)速值和效率最高狀況下的轉(zhuǎn)速，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)最佳控制；功率控制器，主要是對比無功功率參考值和實際值之間的差異，并通過實時控制輸出與差異相對應的繞組分流參考值；補償計算單元，該單元實現(xiàn)對電壓解耦項的補償性運算，從而獲得最佳的運行控制電壓；電流調(diào)節(jié)器，該結(jié)構(gòu)控制功能較為多樣，并且其控制內(nèi)容涉及到電機的關(guān)鍵參考值，因此在具體設(shè)計時給予充分的關(guān)注。其控制內(nèi)容有定子繞組無功功率和有功功率情況下的電流參考值、子系統(tǒng)電流分量值等，在對以上要素進行控制的前提下輸出電壓分量，并經(jīng)過三相靜止坐標系運算得出控制指令。

3 結(jié)論

風力發(fā)電是解決當前能源枯竭、可持續(xù)發(fā)展問題的有效途徑，在實現(xiàn)具體應用時，需要借助先進的技術(shù)設(shè)備和理論支持，因此研發(fā)和改進性能優(yōu)良的電機調(diào)速系統(tǒng)成為開發(fā)風能的必然趨勢。當前交流調(diào)速系統(tǒng)存在著系統(tǒng)成本高、諧波污染嚴重等問題，遠不能滿足先進社會發(fā)展的需要，無刷雙饋發(fā)電機可以有效降低變頻器容量，減少諧波污染，并在最大程度上節(jié)約了系統(tǒng)成本，使電機能夠安全、可靠、平穩(wěn)運行，為風力發(fā)電在更大范圍內(nèi)的使用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

[1] 朱云國, 張興, 劉淳等.無刷雙饋風力發(fā)電機的無速度傳感器矢量控制技術(shù)[J]. 電力自動化設(shè)備, 2013,（08）.

[2] 王峰, 何風有, 王斌等.無刷雙饋風力發(fā)電機變速恒頻控制研究[J].電力電子技術(shù)，2011,（08）.

[3] 張興, 朱云國, 劉淳等.無刷雙饋發(fā)電機雙向變換器內(nèi)模-前饋復合控制方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013,（02）.

[4] 楊俊華, 馮小峰, 張先亮等. 雙電壓合成的無刷雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)矩陣變換器勵磁控制[J]. 高電壓技術(shù), 2010,（08）.

[5] 李王輝, 白鋼華. 無刷雙饋風力發(fā)電機的最大風能追蹤控制策略[J]. 機械研究與應用，2010,（01）.

[6] 黃慧敏. 變速恒頻無刷雙饋風力發(fā)電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究[D]. 蘭州: 蘭州交通大學，2011.