探討無刷雙饋風力發電機的設計、分析與控制

于亮　趙悅彤

【摘 要】文章首先分析了無刷雙饋風力發電機的設計方法與分析，包括穩態分析、動態建模、設計優化等，隨后介紹了無刷雙饋風力發電機的控制策略，包括閉環標量控制、矢量控制、非線性控制等，希望能給相關人士提供一些參考。

【關鍵詞】風力發電；設計分析；控制策略

引言：無刷雙饋風力發電機這種類型的設備擁有一個公用的機械端口和兩個可以用來進行饋電交流的端口，是一種新型發電機。這種電機能夠輔助實現恒頻變速運行。因為將傳統雙饋風力發電機內部結構內電刷集電環徹底去除，所以在一定程度上提高了發電機運行的安全性和穩定性，降低了后期維護修理成本，此外還能夠促進無功和有功近似解耦控制，從而被看作是一種能夠代替傳統雙饋發電機的電機產品。

一、無刷雙饋風力發電機的設計方法與分析

（一）穩態分析

因為無刷雙饋風力發電機是一種正弦波磁場形式的電機設備，因此可以通過單相等效電路對電機的穩定性高進行系統分析。和單饋感應的電機種類不同，無刷雙饋風力發電機主要是以二端口網絡作為穩態等效電路的。單相等效電路一開始是用來對CDFIG雙饋同步轉矩實力、運行范圍、操作原理以及變換器容量進行研究的。為了能夠計及鐵耗，學習感應電機關于鐵耗分析方法，在穩態等效電路兩側勵磁之路并聯隨著轉差率產生鐵耗電阻變化時，可以得到一種精準的計算值。

因為NLR-BDFIG中的轉子結構的特殊性，從而致使轉子繞組出現各種空間諧波，讓穩態分析工作的難度進一步加大，通過將導體分布函數的復數形式引入進來，對嵌套環轉子的無刷雙饋風力發電機轉矩和阻抗參數表達式實施深入推導解析。通過空間諧波影響和諧波漏電抗計對無刷雙饋風力發電機內部T形串聯等效電路模型進行系統整理，同時利用適當變形提取其中的參數。為了判斷鐵耗影響，補充添加隨轉差率產生改變的鐵耗電阻。盡管在現有的等效電路基礎上，可以獲得精準的轉矩計算值，但依然存定轉電分離漏電抗組和轉子導體電流無法計算等問題。BDFRG因為轉子中不存在繞組，穩態模型和有刷雙饋風力發電機存在一定的相似性，因此可以直接通過有刷雙饋相關方法進行系統分析。

因為DBFRG和NLR-BDFIG中存在各種空間諧波，可以對電機穩定性進行感應。同時轉子繞組內電流利用感應方式誕生，并不適用于計算靜磁場，因此無刷雙饋風力發電機可以通過瞬態場來求解有限元。在計算時間的過程中還擁有較為嚴格的場合限制，等效電路法與等效磁路法的優勢都較為突出。

（二）動態建模

無刷雙饋風力發電機動態建模主要有空間矢量理論、兩軸理論與耦合電路理論等方法，但是和傳統的交流電機相比，主要有以下幾種差異，首先是氣隙內擁有兩個不同轉速的旋轉磁場，旋轉的方向也完全不同于轉子。在通過傳統方法進行分析時，存在穩態模型隔離、數學推導不夠嚴謹以及模型階數高等問題，針對上述問題，通過螺旋矢量理論對無刷雙饋風力發電機實施分析和建模。

因為NLR-BDFIG轉子中含有數個短路線圈，在全耦合電路模型當中還擁有6+NS階電壓方程，其中S是每一單獨模塊中的嵌套環數，而N是單元數，通過將雙軸模型中的時階術下降到4+2S，將2+S階的空間矢量模型負數微分方程實施降階處理，從而能夠獲得和CDFIG階數相同的結果，可以對控制器進行有效設計。BDFRG全耦合電路是六階實數微分方程，結果最簡的是2階負數的微分方程。

（三）設計優化

無刷雙饋風力發電機的優化設計主要是以穩態簡化電路為基礎，無刷雙饋風力發電機早期通常是利用現有同步磁阻電機轉子和感應電機沖片，減少部分轉矩實力，對繞組進行重新設計。但是相關實踐證明，因為無刷雙饋風力發電機應該于定子槽中嵌套設置兩種極對數不同的定子繞組，現有沖片已經無法維持線負荷，因此無刷雙饋線成為一種獨立電機結構實施設計。

二、無刷雙饋風力發電機的控制策略

（一）閉環標量控制

閉環標量控制擁有成本低和算法簡便等突出優勢，因此受到了相關研究者的廣泛關注。閉環標量控制主要是利用PI控制器對逆變器運行頻率進行調節來控制整個電機的轉速，結合其他的PI控制器對繞組電流幅度進行調節，控制功率因數。標量控制還可以用于控制無刷雙饋風力發電機的運行功率，因為標量控制主要是以穩態管系為基礎建立起來的，不能對控制變量之間的動態關系和電磁轉矩進行準確描述，同時功率因數和轉速也無法全部解耦，為此標量控制方法控制并不能達到滿意的效果。

（二）矢量控制

定子磁鏈控制主要是以無功和有功功率控制基礎上，針對CDFIG提出來的，擁有和有刷雙饋風力發電機相似的無功、有功解耦功率解耦控制。其中控制繞組的電流分量可以對繞組中的無功功率進行控制，另一部分控制繞組中的有功功率，通過前饋控制實現轉子電阻引發交叉耦合的有效補償。還有部分研究者結合電機自身特點，在簡化控制器結構的基礎上，通過單級PI控制器對無功功率和轉速進行解耦控制，彰顯出在風力發電領域中的無限潛力，相同的控制結構也曾應用于BDFRG的控制當中[1]。

（三）非線性控制

無刷雙饋風力發電機動態模型十分復雜，雖然通過改善電機自身控制特點和前饋線補償能夠有限轉速中無功和有功的解耦控制，但是依然無法獲得滿意的控制成效，尤其是在電機運行轉速和功率繞組同步轉速十分接近的條件下。大部分的研究學者曾經嘗試把非線性控制這一有效方法應用到無刷雙饋風力發電機當中，比如反饋線性控制、滑模控制等[2]。

結語：綜上所述，通過對無刷雙饋風力發電機進行系統分析和研究后發現，無刷雙饋風力發電機更加適合被設計成一種為多極對數中低速型的發電機，從而能夠進一步改善發電機轉矩整體效率和密度。和傳統的結構形式相比，新型的無刷雙饋風力發電機主要的突出優勢可以從電能質量和轉矩密度等方面體現出來，因此成為擁有取代無刷雙饋風力發電機的發展潛力。

參考文獻：

[1]于思洋.兆瓦級復合轉子無刷雙饋風力發電機分析與設計方法研究[D].沈陽工業大學，2018.

[2]鞠孝偉，張鳳閣.雙定子直驅無刷雙饋風力發電機設計原則與反電勢分析[J].大電機技術，2017（05）：18-21+51.

（作者單位：華能云南富源風電有限責任公司）