卜飛飛 胡育文 黃文新 莊圣倫 邱 鑫

（南京航空航天大學江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點實驗室 南京 210016）

1 引言

風力發(fā)電是目前風能最主要的利用形式，也是近年來可再生能源發(fā)電中發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，受到了廣泛關(guān)注和深入研究[1]。由于風能具有很強的隨機性和不穩(wěn)定性，特別是隨季節(jié)變化，它常分布在很寬的風速范圍內(nèi)，包括高風速區(qū)和低風速區(qū)[1]。另外，在一些年平均風速不高的地區(qū)，風能還會常年集中在中、低風速區(qū)[2]。因此，若能拓寬風能利用范圍，尤其是能有效利用低風速區(qū)的風能，則將大大提高風電機組的年發(fā)電量和經(jīng)濟效益。

為適應風速的大范圍變化，以實現(xiàn)風能的最大限度利用，風力發(fā)電系統(tǒng)應具有寬變速運行能力。然而，目前主流風力發(fā)電系統(tǒng)——雙饋異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)和永磁電機風力發(fā)電系統(tǒng)，由于受限于變換器容量、發(fā)電效率以及系統(tǒng)成本等因素，它們變速運行的轉(zhuǎn)速范圍通常都不大，多為 1:2～1:3[3-5]，不易在更寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)電，更沒有過多地考慮低風速風能的利用，當然這對風速較穩(wěn)定、風能資源較豐富的地區(qū)影響并不大，也是合理的。但是，若將它們應用于風速變化較大或年平均風速不高的地區(qū)，就顯得很不合適，也很不經(jīng)濟。

針對上述問題，有不少文獻提出了解決方案[6-9]。例如，文獻[6]于 2009年提出了一種能寬轉(zhuǎn)速運行的定子雙繞組異步電機（DWIG）風力發(fā)電系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)通過將原有DWIG發(fā)電系統(tǒng)[9-12]中分離的兩個直流母線相并聯(lián)，并充分利用控制繞組側(cè)勵磁功率變換器（SEC）的電壓泵升能力，實現(xiàn)了系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速較低時也能輸出恒壓的目的，從而大大拓寬了系統(tǒng)變速運行的轉(zhuǎn)速范圍，能夠適應風速的大范圍變化，尤其是低風速運行。盡管該系統(tǒng)在寬風速范圍內(nèi)發(fā)電的正確性和可行性已得到了驗證[13]，但是仔細研究后發(fā)現(xiàn)，還存在一個較大問題：低速輕載時DWIG效率通常較低，這使得該系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速較低時也能輸出恒壓的優(yōu)勢大打折扣。若將其應用于風速變化較大或年平均風速不高的地區(qū)，這一問題還將更加凸顯。這是因為，在風力發(fā)電中，系統(tǒng)輸出功率與風速的三次方成正比關(guān)系，隨著風速的降低，系統(tǒng)輸出功率則會大大減小，這使得 DWIG應用于上述地區(qū)時會較長時間或常年運行于低速輕載狀態(tài)，即使采用最大風能追蹤使風能被充分利用，但由于此時DWIG效率較低，系統(tǒng)實際能發(fā)出的電能也較少，從而造成低風速區(qū)風能并沒有得到真正最大限度的有效利用，當然也就沒達到真正拓寬風能利用范圍的目的，這將大大削弱寬轉(zhuǎn)速運行的DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢和競爭力。

為將寬轉(zhuǎn)速運行的DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)更好地應用于風力發(fā)電中，真正發(fā)揮它寬風速范圍內(nèi)發(fā)電的優(yōu)勢，有必要對其低速輕載時的效率優(yōu)化問題進行深入研究。

2 系統(tǒng)拓撲及低速運行電壓控制原理

圖1給出了寬轉(zhuǎn)速運行的DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)的框圖。其中，DWIG的轉(zhuǎn)子為籠型，其定子上布置了兩套繞組，一套為功率繞組，接有輔助勵磁電容和整流橋；另一套為控制繞組，接有濾波電感和SEC。與原有 DWIG發(fā)電系統(tǒng)[9-12]相比，該發(fā)電系統(tǒng)的最大不同在于，它將原本分離的功率繞組直流母線和控制繞組直流母線通過一個二極管相并聯(lián)，并充分利用SEC的電壓泵升能力，使其在轉(zhuǎn)速較低時也能輸出額定電壓，從而大大拓寬了它變速運行范圍，能夠適應寬風速范圍內(nèi)發(fā)電需求。此外，為削弱功率繞組諧波電流產(chǎn)生的諧波磁動勢，在該發(fā)電系統(tǒng)中，還將功率繞組設(shè)置成空間上相位差30°電角度且中點相互獨立的雙三相星形聯(lián)結(jié)形式[10,12]。

圖1 寬轉(zhuǎn)速運行的DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of wide-speed-operation DWIG wind power system

在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行時，圖1所示的系統(tǒng)有兩種運行模式：低轉(zhuǎn)速運行模式和高轉(zhuǎn)速運行模式。在高轉(zhuǎn)速運行模式下，二極管VD2截止，兩直流母線電壓相互獨立，系統(tǒng)發(fā)出的電能從功率繞組直流母線輸出。因此，在高轉(zhuǎn)速運行模式下，該系統(tǒng)實際就等同于原有的采用常規(guī)拓撲的 DWIG發(fā)電系統(tǒng)，且它們的電壓控制原理也相同，即通過調(diào)節(jié)SEC向發(fā)電機提供的無功來保持輸出電壓穩(wěn)定。關(guān)于該電壓控制原理的詳細分析可參看文獻[9-12]。下面重點介紹低速運行時的電壓控制原理。

在低轉(zhuǎn)速運行模式下，由于發(fā)電機磁場會飽和，即使強勵，功率繞組整流輸出電壓也無法達到額定值，但好在SEC具有電壓泵升能力，它可利用存儲在電機電感和濾波電感中的能量對控制繞組直流母線電壓進行泵升，使系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速運行時也能輸出額定電壓。由于控制繞組直流母線電壓高于功率繞組整流輸出電壓，VD2正向?qū)ǎ鳂騽t反向截止。因此，在低轉(zhuǎn)速運行模式下，系統(tǒng)輸出電壓由控制繞組直流母線電壓決定，系統(tǒng)發(fā)出的電能從控制繞組直流母線輸出，此時SEC不僅要向發(fā)電機提供所需的無功，還要從發(fā)電機吸收一定的有功。

根據(jù)文獻[13]，若要實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出電壓的泵升和控制，關(guān)鍵就是要在不同轉(zhuǎn)速和負載條件下對控制繞組有功和無功進行有效控制。圖2給出了該系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速運行模式下的控制框圖。它利用控制繞組磁鏈定向（也可采用控制繞組電壓定向）對控制繞組電流的有功和無功分量進行解耦控制，從而實現(xiàn)對控制繞組有功和無功的有效控制。

圖2 寬轉(zhuǎn)速運行的DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速運行模式下的控制策略框圖Fig.2 Diagram of control strategy for wide-speed-operation DWIG in low-speed mode

3 低轉(zhuǎn)速運行時DWIG效率優(yōu)化控制原理

在一定的工況下（負載、轉(zhuǎn)速等一定時），提高系統(tǒng)效率的唯一有效途徑就是減小其損耗。由于在異步電機中，各種損耗的產(chǎn)生原因、變化規(guī)律、相對比例以及可控程度不同，在效率優(yōu)化時對它們的處理也有所區(qū)別。根據(jù)現(xiàn)有的異步電動機效率優(yōu)化研究成果[14-16]，在中小功率等級的異步電機調(diào)速和驅(qū)動系統(tǒng)中，輕載時，效率優(yōu)化前后，功率變換器的損耗減小量遠小于電機的損耗減小量，即此時電機損耗減小是系統(tǒng)效率提升的主要原因，而功率變換器損耗減小則是系統(tǒng)效率提升的次要原因；中等負載和重載時，效率優(yōu)化前后，功率變換器損耗和電機損耗的變化都很小，且系統(tǒng)效率相對輕載時較高，即此時效率優(yōu)化對系統(tǒng)效率提升不明顯[14]，正因為如此，目前異步電機調(diào)速和驅(qū)動系統(tǒng)的效率優(yōu)化研究大都是針對系統(tǒng)輕載運行來開展的，并常將整個系統(tǒng)的效率優(yōu)化問題近似等價為電機的效率優(yōu)化問題[15]。而在對異步電機的效率進行優(yōu)化時，考慮到銅損和鐵損約占電機總損耗的80%，且可控，又將減小銅損和鐵損作為異步電動機效率優(yōu)化的重點[16]。盡管上述研究成果都是針對異步電機電動運行得到的，但由于異步電機發(fā)電運行時和電動運行時損耗的組成、產(chǎn)生、特點和規(guī)律并無異處，故這些成果對異步電機發(fā)電運行同樣適用。因此，本文在對低轉(zhuǎn)速運行時寬轉(zhuǎn)速運行的DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)進行效率優(yōu)化時，也將 SEC的損耗忽略，并以DWIG的銅損和鐵損為重點來開展效率優(yōu)化研究。

由上節(jié)分析可知，低轉(zhuǎn)速運行時，DWIG功率繞組側(cè)不向外輸出功率，負載所需功率均由控制繞組側(cè)提供，因此，低轉(zhuǎn)速運行時DWIG的效率優(yōu)化控制就是，在保證控制繞組側(cè)輸出負載所需功率的前提下，利用SEC來調(diào)節(jié)某些變量，如控制繞組電流、控制繞組磁鏈、發(fā)電機轉(zhuǎn)差等，使發(fā)電機的損耗最小，效率最優(yōu)。由于低轉(zhuǎn)速運行時本系統(tǒng)采用了基于控制繞組磁鏈定向的控制策略，本節(jié)將結(jié)合該策略來分析DWIG效率優(yōu)化控制的基本原理。

圖3為低轉(zhuǎn)速運行時DWIG效率優(yōu)化控制的基本原理示意圖。轉(zhuǎn)速和負載一定時，隨著控制繞組無功電流icd的減小，控制繞組磁鏈ψc會相應降低，鐵損PFe則會隨之減小，此時，為了維持系統(tǒng)輸出功率不變，控制繞組有功電流icq必須增加，這會導致銅損PCu升高，而在一定范圍內(nèi)整個系統(tǒng)總損耗Ploss_t則會降低，輸入機械功率Pin也會相應減小。但是，ψc降得過低，盡管PFe會減至很小，但icq會增大很多，這又會導致PCu明顯增加，造成Ploss_t增加，Pin也隨之增大，而且還可能影響系統(tǒng)輸出電壓的性能，甚至造成系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。因此，在轉(zhuǎn)速和負載一定的工況下，存在一個使發(fā)電機損耗最小的最優(yōu)控制繞組磁鏈，使銅損和鐵損達到某種平衡，進而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的損耗達到或接近最小。圖 3中其他變量含義如下：uoDC為輸出電壓；ioDC為輸出電流；n為轉(zhuǎn)速；PSEC為勵磁變換器SEC的損耗。

圖3 低轉(zhuǎn)速運行時DWIG效率優(yōu)化控制基本原理圖Fig.3 Diagram of basic principle of efficiency optimization control for wide-speed-operation DWIG at low speeds

4 DWIG低速運行時的效率優(yōu)化控制策略

目前，有關(guān)異步電機的效率優(yōu)化研究多集中于異步電動機，鮮少涉及異步發(fā)電機，關(guān)于DWIG的更是未見報道。近年來，國內(nèi)外學者針對異步電動機提出了多種效率優(yōu)化控制方法，為DWIG的效率優(yōu)化研究提供了很好的借鑒。這些方法歸納起來主要有以下三類[15]：①基于損耗模型的最優(yōu)磁鏈控制法；②基于在線搜索的最小輸入功率控制法；③最小定子電流控制法。這三類異步電動機效率優(yōu)化方法各具特色，各有優(yōu)點。例如，基于損耗模型的最優(yōu)磁鏈控制法的優(yōu)點在于控制快速、穩(wěn)定，能實現(xiàn)系統(tǒng)效率的全局最優(yōu)，且與矢量控制兼容性好，但需要知道電機模型和參數(shù)?；谠诰€搜索的最小輸入功率控制法能實現(xiàn)包括功率變換器在內(nèi)的整個系統(tǒng)效率的全局最優(yōu)，且不依賴于電機模型和參數(shù)，但是，它對輸入功率的檢測精度要求較高，且收斂時間較長，尤其不適合負載變化較快的場合。最小定子電流控制法實現(xiàn)起來較為簡單、方便，但是，定子電流最小僅能保證定子銅損最小，未考慮鐵損和轉(zhuǎn)子銅損，只能做到局部效率最優(yōu)。

4.1 效率優(yōu)化控制方法的選擇

由上述分析可知，低轉(zhuǎn)速運行時DWIG效率優(yōu)化控制的基本原理與普通異步電動機的一樣，也是在銅損和鐵損達到某種平衡時，系統(tǒng)效率達到最優(yōu)。因此，從理論上來講，以上三類針對異步電動機的效率優(yōu)化控制方法均可應用于本系統(tǒng)，但實際并非如此。DWIG與普通異步電動機之間還存在諸多不同：①能量流動方向不同：異步電動機是將電能轉(zhuǎn)為機械能，而DWIG則是將風力機提供的機械能轉(zhuǎn)為電能；②系統(tǒng)運行狀態(tài)不同：在異步電動機中，電機電動運行，要在不同的負載條件下保持輸出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，而在DWIG中，電機發(fā)電運行，要在不同的轉(zhuǎn)速和負載下（低速輕載）對輸出電壓進行泵升并保持其恒定；③電機結(jié)構(gòu)不同：普通異步電動機定子上只有一套繞組，而DWIG定子上有兩套繞組。這些不同使得在將上述效率優(yōu)化控制方法應用于本系統(tǒng)時會出現(xiàn)許多特殊問題，具體選擇哪種還應綜合考慮。

首先來看最小定子電流控制法，盡管它具有簡單、易實現(xiàn)的優(yōu)點，但是它未考慮電機的鐵損和轉(zhuǎn)子銅損，只能做到局部效率最優(yōu)，具有一定的局限性。而基于損耗模型的最優(yōu)磁鏈控制法和基于在線搜索的最小功率控制法這兩類效率優(yōu)化控制方法對電機的鐵損和銅損均予以全面考慮，理論上可實現(xiàn)效率全局最優(yōu)。從效率提升的角度來說，相比最小定子電流控制法，其他兩類效率優(yōu)化控制方法更具優(yōu)勢。因此，本系統(tǒng)效率優(yōu)化控制方法的選擇主要在基于損耗模型的最優(yōu)磁鏈控制法和基于在線搜索的最小功率控制法之間展開。

前面已指出，基于在線搜索的最小輸入功率控制法具有不依賴電機參數(shù)等突出優(yōu)點，但若將該方法應用于本系統(tǒng)會遇到以下幾個問題：

（1）DWIG的輸入功率為機械功率，而機械功率的準確測量比電功率的準確測量要困難，往往需要加裝精密的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器，無疑會增大系統(tǒng)的硬件成本，這對于對系統(tǒng)造價和維護成本本身就有嚴格要求的風力發(fā)電系統(tǒng)來說是難以接受的，當然也可通過估算來獲得，這樣雖能省去硬件，但同時也喪失了該方法不依賴電機參數(shù)的最大優(yōu)點。

（2）在風力發(fā)電系統(tǒng)中，為捕獲盡可能多的風能，通常要進行最大風能追蹤，而目前最常用的最大風能追蹤方法就是擾動觀察法（爬山法）[1,4,8]，其本質(zhì)上也是一種基于在線搜索策略，這樣一來，一個系統(tǒng)中會存在兩種不同的搜索策略，不僅會增加系統(tǒng)的復雜性和實現(xiàn)難度，而且還會因二者搜索步長匹配不合理而造成系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。

（3）DWIG的負載會因風速不穩(wěn)定和最大功率追蹤而出現(xiàn)頻繁較快變化，這使得收斂速度較慢的最小輸入功率搜索策略很難適應，會影響系統(tǒng)效率優(yōu)化效果和控制性能。

相比基于在線搜索的最小功率控制法，基于損耗模型的最優(yōu)磁鏈控制法雖然對電機模型和參數(shù)具有一定的依賴性，但是它的最優(yōu)磁鏈由計算直接得到，無需增加額外硬件，且控制快速、穩(wěn)定，能適應負載頻繁較快的變化，因而它更符合風力發(fā)電和本發(fā)電系統(tǒng)的實際。特別是對于采用控制繞組磁鏈定向控制的DWIG來說，由于控制繞組的有功電流和無功電流是解耦的，對發(fā)電機磁鏈的控制很容易，能與基于損耗模型的最優(yōu)磁鏈控制法很好地結(jié)合。但是，需要指出是，現(xiàn)有的基于損耗模型的最優(yōu)磁鏈控制法均是針對普通異步電動機提出的，其電機損耗模型和最優(yōu)磁鏈計算都不適用于DWIG。

綜上所述，相比與最小定子電流控制法和基于在線搜索的最小輸入功率控制法，基于損耗模型的最優(yōu)磁鏈控制效率優(yōu)化方法更適合于本發(fā)電系統(tǒng)，但由于DWIG特殊性，電機的損耗模型需要重新建立，相應地最優(yōu)磁鏈的求解方程也需重新推導。

4.2 考慮鐵損時DWIG在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型

現(xiàn)有文獻[9-12]在建立 DWIG數(shù)學模型時為便于分析常將鐵損予以忽略，但在研究電機效率時，鐵損則不能忽略。影響鐵損的因素有很多，從理論上很難推導出精確的鐵損計算公式。一般若要在電機動態(tài)模型中考慮鐵損，可根據(jù)鐵損產(chǎn)生機理，將電機鐵損用一等效電阻來表示，并與勵磁支路并聯(lián)[17]。據(jù)此，圖 4給出了考慮鐵損時 DWIG在 dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的等效電路，其中，因功率繞組由兩組三相繞組組成，所以定子側(cè)有三條支路；由于轉(zhuǎn)子中鐵損較小，可將其忽略，故只在定子側(cè)增加了鐵損等效電阻；定子繞組之間的互漏感通常較小，暫不考慮。

圖4 考慮鐵損時DWIG在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的等效電路Fig.4 Equivalent circuit of DWIG in dq synchronous rotating coordinates considering iron losses

本發(fā)電系統(tǒng)采用了基于控制繞組磁鏈定向的控制策略，則dq同步坐標系的旋轉(zhuǎn)速度取控制繞組磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，即同步旋轉(zhuǎn)速度ω1。根據(jù)圖4，很容易推導出考慮鐵損時DWIG在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型。

（1）電壓方程

（2）磁鏈方程

（3）電流方程

（4）轉(zhuǎn)矩方程[18]

4.3 低轉(zhuǎn)速運行時DWIG的損耗計算

上述DWIG數(shù)學模型能較為準確地反映了電機內(nèi)部各變量在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標下的關(guān)系，但這樣的數(shù)學模型對于分析和解決效率優(yōu)化問題還是過于復雜，需作適當簡化[19]：①假定負載和轉(zhuǎn)速不變，按穩(wěn)態(tài)運行條件來研究效率優(yōu)化問題；②由于定、轉(zhuǎn)子漏磁鏈遠小于勵磁磁鏈，忽略定、轉(zhuǎn)子漏感；③只考慮系統(tǒng)基波分量，不考慮系統(tǒng)諧波分量。

基于以上簡化，d軸和q軸的電流均為直流，所以勵磁電感Lm兩端電壓為零，且在基于控制繞組磁鏈定向的控制策略中，各磁鏈之間存在如下關(guān)系：

式中，ψcamp為控制繞組磁鏈ψc的幅值。

相應地，電壓方程也簡化為

由于鐵損和銅損在異步電機總損耗中約占80%，且可控，則在對異步電動機效率優(yōu)化時，常以這部分損耗作為主要研究對象[14,16]，本文亦是如此。對于鐵損而言，它包括渦流損耗和磁滯損耗這兩部分，與電機鐵心結(jié)構(gòu)、同步頻率、磁通密度等有關(guān)，一般在等效電路中用一等效電阻（如圖4中RFe）上的損耗來表示?，F(xiàn)有文獻研究表明[20]，鐵損等效電阻主要受同步頻率影響，不是一個常數(shù)，但可近似用經(jīng)驗公式來表示。為了討論方便，在此先假設(shè)它為一個固定值，最后再用經(jīng)驗公式替換。

由以上簡化及式（3）、式（5））和式（6）可得

式中，ωslip為轉(zhuǎn)差頻率，可表示為

式中，ψramp為轉(zhuǎn)子磁鏈ψr的幅值，由式（5）可知，ψramp=ψcamp。

根據(jù)式（7），DWIG的銅損和鐵損可計算如下：

（1）定子銅損PCus

低轉(zhuǎn)速運行時，DWIG功率繞組側(cè)不輸出有功，因而可將功率繞組有功電流ipq1、ipq2忽略，則ipd1、ipq2就等于功率繞組輔助勵磁電容C提供的電流的幅值，即

式中，Ep為功率繞組反電動勢幅值；Zc為輔助勵磁電容C的阻抗。

根據(jù)式（3）、式（6）和式（10），控制繞組有功電流icq和無功電流icd可表示為

式中，因鐵損等效電阻遠大于轉(zhuǎn)子電阻，故q軸鐵損等效電流iFeq相對于q軸轉(zhuǎn)子電流irq小得多，可將其忽略，這種近似處理方法在異步動電機效率優(yōu)化中較普遍，多處文獻都有提及[15-17,19]。

（2）轉(zhuǎn)子銅損PCur

（3）鐵損PFe

因此，DWIG的鐵損和銅損之和Ploss_el為

4.4 最優(yōu)磁鏈的求解

對式（14）分析易知，當轉(zhuǎn)速和負載一定時，DWIG的鐵損和銅損之和Ploss_el是控制繞組磁鏈幅值ψcamp的凸函數(shù)，因而存在一個使Ploss_el最小的最優(yōu)磁鏈ψcamp_opt。

將式（14）對ψcamp求偏導，得

令上式為零，即可得到不同轉(zhuǎn)速和負載情況下的最優(yōu)磁鏈，為

式中，ω1由定向角θ的微分算得；考慮鐵損的轉(zhuǎn)矩Te可通過聯(lián)立式（2）～式（5）和式（7）由下式算得

如前所述，為討論方便，一直將RFe當作常數(shù)來分析。實際上RFe并不為常數(shù)，它主要受同步頻率影響。根據(jù)文獻[20]，在異步電機中，一般可將RFe近似表示為電機同步頻率的函數(shù)，即

式中，RFeN為額定同步頻率ω1N下的鐵損等效電阻。

為提高效率優(yōu)化的效果，將式（16）中的RFe用式（18）代替。當然，除鐵損等效電阻外，電機的定、轉(zhuǎn)子電阻、電感等參數(shù)也會隨系統(tǒng)工況（如溫度變化、磁飽和效應等）的變化而變化，這對效率優(yōu)化的精度同樣會產(chǎn)生一定影響。若要獲得更為精確的效率優(yōu)化效果，可根據(jù)各參數(shù)變化對效率優(yōu)化效果的影響程度不同，結(jié)合相應的參數(shù)辨識算法對最優(yōu)磁鏈進行適當校正。關(guān)于這方面的研究非本文重點，在此不展開討論。

4.5 具體實現(xiàn)方法

當?shù)玫阶顑?yōu)磁鏈后，如何實現(xiàn)便成為關(guān)鍵。在DWIG中，控制繞組端電壓由控制繞組磁鏈決定，因而對控制繞組端電壓進行控制就可實現(xiàn)對控制繞組磁鏈的間接控制[11-13]。而且這對于低轉(zhuǎn)速運行時所采用的基于控制繞組磁鏈定向的控制策略來說更為方便，只需根據(jù)磁鏈與電壓之間的關(guān)系將圖2中的控制繞組線電壓給定按照最優(yōu)磁鏈來設(shè)置即可?；诖?，本文提出了適用于低轉(zhuǎn)速運行模式下的基于DWIG損耗模型的效率優(yōu)化控制策略，如圖5所示。圖中，按下式來給定。

圖5 低轉(zhuǎn)速運行模式下基于DWIG損耗模型的效率優(yōu)化控制策略Fig.5 Efficiency optimization control strategy for DWIG operating in low-speed mode based on loss model of DWIG

式中，Kcp為控制繞組與功率繞組之間的匝比。

5 實驗驗證

為對上述效率優(yōu)化控制策略進行驗證，在一臺DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺上進行了實驗研究，該實驗平臺主要由基于三相異步電動機的風力機模擬系統(tǒng)，DWIG發(fā)電系統(tǒng)，基于Labview的上位機監(jiān)控系統(tǒng)，負載（包括電阻和并網(wǎng)逆變器兩種）等構(gòu)成，本文所研究的寬轉(zhuǎn)速運行的 DWIG發(fā)電系統(tǒng)樣機主要參數(shù)如下：①額定電壓uoDCN=600V；②額定功率PoutN=20kW；③額定轉(zhuǎn)速nN=750r/min（輸出額定電壓的最低轉(zhuǎn)速為500r/min）；④轉(zhuǎn)速變化范圍n=[300,1 200]r/min（1:4）；⑤DWIG 主要參數(shù)：Rp=0.653Ω，Rc=0.549Ω，Rr=0.355Ω，Lms=95.6mH（Lm=1.5Lms=143.4mH），RFeN=168Ω，Kcp=0.714；⑥控制繞組側(cè)和功率繞組側(cè)直流母線電容CcDC=CpDC=1100μF（900V）；⑦輔助勵磁電容C=60μF（450V）；⑧濾波電感L=6.6mH；⑨平衡電抗器Lp=9mH；⑩蓄電池ub=48V（12A·h）。

為更好地進行實驗驗證，本文實驗研究分兩步進行：首先，對所提出效率優(yōu)化控制策略的正確性和有效性進行驗證，此時，原動機不模擬風力機，只變速運行，負載采用電阻；其次，對本發(fā)電系統(tǒng)能有效利用低風速區(qū)風能的優(yōu)勢進行驗證，此時，原動機按風力機的機械特性運行，負載采用并網(wǎng)逆變器，最大風能追蹤由上位機監(jiān)控系統(tǒng)通過控制并網(wǎng)逆變器的輸出功率來完成。

圖6給出的是低速輕載時有無采用效率優(yōu)化控制的對比實驗波形。圖中，uoDC表示系統(tǒng)輸出電壓；Tm表示發(fā)電機輸入機械轉(zhuǎn)矩；ioDC表示系統(tǒng)輸出電流（負載電流）；ucab表示控制繞組a、b相線電壓。采用效率優(yōu)化控制時，控制繞組線電壓給定按式（19）來設(shè)置；未采用效率優(yōu)化控制時，按恒壓頻比（V/f=13）來設(shè)置。從圖 6可以看出：①系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速運行時，無論是否采用效率優(yōu)化控制，它的輸出電壓均可達到并穩(wěn)定于 600V；②當系統(tǒng)在300r/min下帶600W負載時，與無效率優(yōu)化控制相比，采用效率優(yōu)化控制后，輸入到發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩由42N·m下降至32N·m，即系統(tǒng)效率由45.5%上升至59.7%；③當系統(tǒng)在500r/min下帶2kW負載時，與未采用效率優(yōu)化控制相比，采用效率優(yōu)化控制后，輸入到發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩由63N·m下降到54N·m，即系統(tǒng)效率由 60.6%上升至 70.7%?？梢?，低速輕載時，采用本文提出的效率優(yōu)化控制策略對系統(tǒng)效率的提升具有較明顯的作用，進一步增強了寬轉(zhuǎn)速運行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)在風力發(fā)電中應用的優(yōu)勢和競爭力。

圖6 低轉(zhuǎn)速運行時有無采用效率優(yōu)化控制的對比實驗波形Fig.6 Experimental waveforms comparison for system operating in at low speeds with and without efficiency optimization control

以上對寬轉(zhuǎn)速運行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)的效率優(yōu)化控制策略的正確性和有效性進行了驗證。為考察它能有效利用低風速區(qū)風能的優(yōu)勢，有必要針對風力發(fā)電的實際情況進行相關(guān)實驗研究。實驗時，風力機機械特性曲線按本發(fā)電系統(tǒng)主要參數(shù)來設(shè)置，風速變化范圍為 4～12m/s（低風速區(qū)：4～6m/s，高風速區(qū)：6～12m/s），額定風速為 10m/s（對應系統(tǒng)額定輸出功率20kW），最大風能追蹤策略采用的是常用的基于擾動觀察法（爬山法）。

圖7給出的是低風速區(qū)典型風速5m/s下有無采用效率優(yōu)化控制的系統(tǒng)最大輸出功率對比實驗波形。圖中，Poinv表示并網(wǎng)逆變器輸出功率；ioinvA表示并網(wǎng)逆變器A相輸出電流；eA表示電網(wǎng)A相電壓；ica表示控制繞組 a相線電流；n表示發(fā)電機轉(zhuǎn)速；其他變量定義與圖6一致。從圖7可以看出：①風速5m/s下系統(tǒng)運行于最大功率點時，發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)速約為 440r/min，輸入轉(zhuǎn)矩約為 61N·m（即輸入機械功率約為 2.81kW），系統(tǒng)輸出電壓均可穩(wěn)定于600V；②采用效率優(yōu)化控制時并網(wǎng)逆變器的輸出功率約為1.85kW，比未采用效率優(yōu)化控制時并網(wǎng)逆變器的輸出功率（約 1.6kW）要多 250W。為進一步驗證基于本發(fā)電系統(tǒng)的風力發(fā)電系統(tǒng)能有效利用低風速區(qū)風能的優(yōu)勢，還對低風速區(qū)不同風速下有無效率優(yōu)化控制的系統(tǒng)最大輸出功率做了對比實驗，實驗結(jié)果如圖8所示，它與圖7的規(guī)律一致。

圖7 低風速區(qū)5m/s下有無采用效率優(yōu)化控制的最大輸出功率對比實驗波形Fig.7 Experimental waveform comparison for maximum output power at wind speed of 5m/s with and without efficiency optimization control in low wind speed region

圖8 低風速區(qū)不同風速下有無采用效率優(yōu)化控制的最大輸出功率對比實驗結(jié)果Fig.8 Experimental waveform comparison for maximum output power at different wind speeds with and without efficiency optimization control in low wind speed region

由圖7和圖8可知，在低風速區(qū)，基于本發(fā)電系統(tǒng)的風力發(fā)電系統(tǒng)是能正常發(fā)電運行的，而且與未采用效率優(yōu)化控制相比，采用效率優(yōu)化控制，在相同風速下，系統(tǒng)可輸出更多的電能，能提高低風速風能的利用效率。

6 結(jié)論

本文對寬轉(zhuǎn)速運行的DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)低速輕載運行時的效率優(yōu)化問題進行了研究，提出了一種基于DWIG損耗模型的效率優(yōu)化控制策略，并給出了具體實現(xiàn)方法。本文得到以下幾點結(jié)論：

（1）由于DWIG與普通異步電動機之間存在諸多不同，相比與最小定子電流控制法和基于在線搜索的最小輸入功率控制法，基于損耗模型的最優(yōu)磁鏈控制效率優(yōu)化方法更適合于本發(fā)電系統(tǒng)，但由于DWIG特殊性，需根據(jù)考慮鐵損的DWIG數(shù)學模型，重新建立DWIG的損耗模型，并推導適用于DWIG的最優(yōu)磁鏈求解方程。

（2）在DWIG中，控制繞組端電壓由控制繞組磁鏈決定，對控制繞組端電壓進行控制就可實現(xiàn)對控制繞組磁鏈的間接控制，因此，在現(xiàn)有的基于控制繞組磁鏈定向的控制策略中嵌入所提出的效率優(yōu)化控制策略很容易，也很方便，只需根據(jù)磁鏈與電壓之間的關(guān)系將控制繞組線電壓給定按照最優(yōu)磁鏈來設(shè)置即可。

（3）樣機實驗結(jié)果表明，所提出的效率優(yōu)化控制策略是正確、有效的，它不僅能使系統(tǒng)保持低速運行時輸出恒壓的優(yōu)勢，而且還能明顯提高系統(tǒng)低速輕載運行時的效率，從而實現(xiàn)了低風速區(qū)風能的有效利用。

另外，需要指出的是，所提出的效率優(yōu)化控制策略對電機參數(shù)有一定的依賴性，若要獲得更為精確的效率優(yōu)化效果，還應結(jié)合相應的參數(shù)辨識算法，這也是今后需要進一步解決的問題。

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