于亮　趙悅彤

【摘 要】文章首先分析了無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計方法與分析，包括穩(wěn)態(tài)分析、動態(tài)建模、設(shè)計優(yōu)化等，隨后介紹了無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機的控制策略，包括閉環(huán)標量控制、矢量控制、非線性控制等，希望能給相關(guān)人士提供一些參考。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電；設(shè)計分析；控制策略

引言：無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機這種類型的設(shè)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(fā)電機。這種電機能夠輔助實現(xiàn)恒頻變速運行。因為將傳統(tǒng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)電刷集電環(huán)徹底去除，所以在一定程度上提高了發(fā)電機運行的安全性和穩(wěn)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?zhèn)鹘y(tǒng)雙饋發(fā)電機的電機產(chǎn)品。

一、無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計方法與分析

（一）穩(wěn)態(tài)分析

因為無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機是一種正弦波磁場形式的電機設(shè)備，因此可以通過單相等效電路對電機的穩(wěn)定性高進行系統(tǒng)分析。和單饋感應(yīng)的電機種類不同，無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機主要是以二端口網(wǎng)絡(luò)作為穩(wěn)態(tài)等效電路的。單相等效電路一開始是用來對CDFIG雙饋同步轉(zhuǎn)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(xué)習(xí)感應(yīng)電機關(guān)于鐵耗分析方法，在穩(wěn)態(tài)等效電路兩側(cè)勵磁之路并聯(lián)隨著轉(zhuǎn)差率產(chǎn)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特殊性，從而致使轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)各種空間諧波，讓穩(wěn)態(tài)分析工作的難度進一步加大，通過將導(dǎo)體分布函數(shù)的復(fù)數(shù)形式引入進來，對嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子的無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)矩和阻抗參數(shù)表達式實施深入推導(dǎo)解析。通過空間諧波影響和諧波漏電抗計對無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機內(nèi)部T形串聯(lián)等效電路模型進行系統(tǒng)整理，同時利用適當變形提取其中的參數(shù)。為了判斷鐵耗影響，補充添加隨轉(zhuǎn)差率產(chǎn)生改變的鐵耗電阻。盡管在現(xiàn)有的等效電路基礎(chǔ)上，可以獲得精準的轉(zhuǎn)矩計算值，但依然存定轉(zhuǎn)電分離漏電抗組和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電流無法計算等問題。BDFRG因為轉(zhuǎn)子中不存在繞組，穩(wěn)態(tài)模型和有刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機存在一定的相似性，因此可以直接通過有刷雙饋相關(guān)方法進行系統(tǒng)分析。

因為DBFRG和NLR-BDFIG中存在各種空間諧波，可以對電機穩(wěn)定性進行感應(yīng)。同時轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)電流利用感應(yīng)方式誕生，并不適用于計算靜磁場，因此無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機可以通過瞬態(tài)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(yōu)勢都較為突出。

（二）動態(tài)建模

無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機動態(tài)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(tǒng)的交流電機相比，主要有以下幾種差異，首先是氣隙內(nèi)擁有兩個不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)的方向也完全不同于轉(zhuǎn)子。在通過傳統(tǒng)方法進行分析時，存在穩(wěn)態(tài)模型隔離、數(shù)學(xué)推導(dǎo)不夠嚴謹以及模型階數(shù)高等問題，針對上述問題，通過螺旋矢量理論對無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機實施分析和建模。

因為NLR-BDFIG轉(zhuǎn)子中含有數(shù)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(huán)數(shù)，而N是單元數(shù)，通過將雙軸模型中的時階術(shù)下降到4+2S，將2+S階的空間矢量模型負數(shù)微分方程實施降階處理，從而能夠獲得和CDFIG階數(shù)相同的結(jié)果，可以對控制器進行有效設(shè)計。BDFRG全耦合電路是六階實數(shù)微分方程，結(jié)果最簡的是2階負數(shù)的微分方程。

（三）設(shè)計優(yōu)化

無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機的優(yōu)化設(shè)計主要是以穩(wěn)態(tài)簡化電路為基礎(chǔ)，無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機早期通常是利用現(xiàn)有同步磁阻電機轉(zhuǎn)子和感應(yīng)電機沖片，減少部分轉(zhuǎn)矩實力，對繞組進行重新設(shè)計。但是相關(guān)實踐證明，因為無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)該于定子槽中嵌套設(shè)置兩種極對數(shù)不同的定子繞組，現(xiàn)有沖片已經(jīng)無法維持線負荷，因此無刷雙饋線成為一種獨立電機結(jié)構(gòu)實施設(shè)計。

二、無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機的控制策略

（一）閉環(huán)標量控制

閉環(huán)標量控制擁有成本低和算法簡便等突出優(yōu)勢，因此受到了相關(guān)研究者的廣泛關(guān)注。閉環(huán)標量控制主要是利用PI控制器對逆變器運行頻率進行調(diào)節(jié)來控制整個電機的轉(zhuǎn)速，結(jié)合其他的PI控制器對繞組電流幅度進行調(diào)節(jié)，控制功率因數(shù)。標量控制還可以用于控制無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機的運行功率，因為標量控制主要是以穩(wěn)態(tài)管系為基礎(chǔ)建立起來的，不能對控制變量之間的動態(tài)關(guān)系和電磁轉(zhuǎn)矩進行準確描述，同時功率因數(shù)和轉(zhuǎn)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(chǔ)上，針對CDFIG提出來的，擁有和有刷雙饋風(fēng)力發(fā)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(xiàn)轉(zhuǎn)子電阻引發(fā)交叉耦合的有效補償。還有部分研究者結(jié)合電機自身特點，在簡化控制器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過單級PI控制器對無功功率和轉(zhuǎn)速進行解耦控制，彰顯出在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中的無限潛力，相同的控制結(jié)構(gòu)也曾應(yīng)用于BDFRG的控制當中[1]。

（三）非線性控制

無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機動態(tài)模型十分復(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速和功率繞組同步轉(zhuǎn)速十分接近的條件下。大部分的研究學(xué)者曾經(jīng)嘗試把非線性控制這一有效方法應(yīng)用到無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機當中，比如反饋線性控制、滑?？刂频萚2]。

結(jié)語：綜上所述，通過對無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機進行系統(tǒng)分析和研究后發(fā)現(xiàn)，無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機更加適合被設(shè)計成一種為多極對數(shù)中低速型的發(fā)電機，從而能夠進一步改善發(fā)電機轉(zhuǎn)矩整體效率和密度。和傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式相比，新型的無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機主要的突出優(yōu)勢可以從電能質(zhì)量和轉(zhuǎn)矩密度等方面體現(xiàn)出來，因此成為擁有取代無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻：

[1]于思洋.兆瓦級復(fù)合轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機分析與設(shè)計方法研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2018.

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

（作者單位：華能云南富源風(fēng)電有限責(zé)任公司）