無刷雙饋風力發電機的控制策略與實現

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

能源對于國家建設的重要性不言而喻。隨著工業革命的發生和推進，全球范圍內出現了嚴重的能源問題，一方面是一次能源的掠奪式開發，另一方面是二次能源和物質的極大浪費，這些現象的發生對于全球可持續發展提出了嚴峻的考驗?；诖耍鉀Q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性設備的技術改進以及普通用電、耗能領域的優化，第二是積極開發綠色能源，尋求可再生的替代能源，從而在源頭上實現能源生產的多元化發展。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，對其生產技術進行研究也成為了各國提升競爭力的主要手段。

1 無刷雙饋發電機發展概述

無刷雙饋發電機是在級聯發電機的基礎上研制而成的，相比傳統的級聯機具有結構簡單、動率強大、同步異步高集成度等技術優勢。級聯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構優化可以為電機無刷化發展提供實施依據。自級聯機是在級聯機的基礎上發展來的，其定子和轉子都具有各自的繞組結構，并且形成不同的極對數。后期在對自級聯機進行改進時，研制出一種鼠籠式導條轉子，這種轉子與自級聯機的不同之處在于兩者導條分布的巨大差異。在電機正常運轉時，新型轉子能夠使磁路中產生兩個技術不同的磁場，經過途徑實現能量的高效傳遞。這種能量傳遞方式和變頻器相結合就是無刷雙饋發電機的技術基礎。

無刷雙饋發電機的雙饋原理為：當能量通過變頻器向電網回饋時，電機的運行模式處于亞同步級別，而當電網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。隨著技術的發展和設計理念的轉變，關于無刷雙饋風力發電機的研究呈現出繁盛趨勢，主要的研究方向為建立電機數學模型、電機應用特征、電機結構設計、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域的理論建設和實踐依據?，F行的無刷雙饋風力發電機主要有三個結構單元構成，即一個轉子繞組和兩個定子繞組，具體結構見圖 1，在進行風力發電運行時，電機與發電系統的組合方式一般是將風力發電機直接安裝在轉子上，部分發電裝置是將其運用聯軸器實現與轉子的連接。

2 無刷雙饋風力發電機的控制策略

2.1 對電機直接扭矩的控制

無刷雙饋發電機的控制環境對系統的動、靜性能有一定的要求，將其利用至風力發電中必須使其符合風力發電的全部功能要求，如發電功率要求、風能捕獲要求等，為此可以考慮使用閉環控制方式對電動機直接扭矩進行控制。實現扭矩控制的基本模式見圖 2。在實現發電功率最大化的途徑中，必須要解決風能跟蹤和能量轉化問題。從目前的研究成果看，實現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勢和使用環境。

圖1 無刷雙饋風力發電機單元結構

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，只有實現了這一基準條件才能對風力發電機的最佳葉尖速比進行設定和控制。為了實現對風能的最大化跟蹤，需要對風速進行實時的監測，并運用葉尖速比計算出發電機運行過程中的最佳功率和轉速。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電機的機械轉速以及輸出功率獲得電機運行的實際轉速。該控制方法的優勢在于對風力發電機的功率和轉速進行了有機的整合，使兩者在統一度量尺度下運行，實現了由功率曲線的觀測獲取實時風速的功能，并在此基礎上確定出最佳功率點。但是由于風力發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改進的基礎上設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，進而找出最佳轉速點。

爬山搜索法的實施途徑為以下內容，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，則將轉速擾動指令設置為與原始擾動指令相反的符號；如果變化功率為正數，則使轉速擾動指令保持原來狀態，對這一時刻的轉速進行設置就可以參考上一周期轉速擾動指令和轉速參考值兩項內容。

2.2 無刷雙饋風力發電機功率控制

無刷雙饋風力發電機對于功率的控制系統主要包含以下幾個方面。第一是功率觀測器，這部分的構件主要是實現對電機繞組子系統具體指標的測定，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，并通過位置角的設定為計算繞組頻率奠定基礎；轉速控制器，傳統的功率控制器存在很大的功率耗損，轉速控制器能夠選擇合理的模式比較轉速值和效率最高狀況下的轉速，在此基礎上實現最佳控制；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；電流調節器，該結構控制功能較為多樣，并且其控制內容涉及到電機的關鍵參考值，因此在具體設計時給予充分的關注。其控制內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，并經過三相靜止坐標系運算得出控制指令。

3 結論

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

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