無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、分析與控制

程　明　韓　鵬　魏新遲

(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院　南京　210096)

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無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、分析與控制

程明韓鵬魏新遲

(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院南京210096)

無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)是一類具有兩個(gè)交流饋電端口和一個(gè)公共機(jī)械端口的新型發(fā)電機(jī)。該類電機(jī)易于實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行；由于去除了傳統(tǒng)雙饋發(fā)電機(jī)中的電刷集電環(huán)，具有可靠性高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的近似解耦控制，因而被認(rèn)為是最有希望取代現(xiàn)有雙饋發(fā)電機(jī)的一種電機(jī)類型。該文介紹了現(xiàn)有無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，總結(jié)了它們的共性特點(diǎn)和個(gè)性差異以及當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題；從電機(jī)設(shè)計(jì)角度對(duì)比分析了三種主流無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度；對(duì)其分析設(shè)計(jì)方法和控制策略進(jìn)行了綜述，討論了不同無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)在控制上的統(tǒng)一性；基于對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)設(shè)計(jì)、建模與控制方面的研究，提出一種可以改善功率密度的新型雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，并就獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種不同工況提出了相應(yīng)的控制策略，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后對(duì)該類電機(jī)的應(yīng)用前景和發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電控制策略設(shè)計(jì)分析方法內(nèi)在一致性功率密度轉(zhuǎn)矩密度

0　引言

眾所周知，風(fēng)能已發(fā)展成為第二大可再生能源，并且預(yù)計(jì)到2035年，風(fēng)能將承擔(dān)全部新能源發(fā)電總量的25%[1]。其中，海上風(fēng)電憑借風(fēng)能資源充足、風(fēng)速高、無(wú)土地侵占問(wèn)題等天然優(yōu)勢(shì)成為未來(lái)風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì)。然而，高昂的投資成本和復(fù)雜的海上環(huán)境對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)提出了進(jìn)一步的要求，包括削減成本、提高可靠性和延長(zhǎng)使用壽命[2]。目前主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括永磁同步發(fā)電機(jī)、電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Doubly-Fed Induction Generator，DFIG)[3]。其中，DFIG具有轉(zhuǎn)矩密度高、所需功率變換器容量小、有功和無(wú)功功率解耦控制的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前陸上風(fēng)電的主流機(jī)型。但電刷與集電環(huán)的存在不僅使系統(tǒng)可靠性降低，維護(hù)成本增加，而且產(chǎn)生額外損耗。以一臺(tái)1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，在20年生命周期內(nèi)，更換電刷費(fèi)用約6萬(wàn)元，更換集電環(huán)費(fèi)用約5萬(wàn)元，損耗導(dǎo)致發(fā)電收入減少約18萬(wàn)元(按每相損耗1 kW，每年發(fā)電6 000 h，電價(jià)0.5 元/(kW·h)計(jì)算)，總費(fèi)用約30萬(wàn)元。因而，永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組近年來(lái)得到快速發(fā)展[4-7]。然而，近年來(lái)永磁體價(jià)格的劇烈波動(dòng)使得少永磁或無(wú)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)受到更多關(guān)注[8]，有刷雙饋發(fā)電機(jī)的去刷化成為當(dāng)前風(fēng)電領(lǐng)域亟待研究的重要課題。

本文首先回顧了無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)概念的提出和發(fā)展歷程，針對(duì)已提出的多種無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)，分析了各自的結(jié)構(gòu)特征和工作原理，并就三種主要的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，指出了它們?cè)谠O(shè)計(jì)方面的共性特點(diǎn)和個(gè)性差別。對(duì)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的分析設(shè)計(jì)方法和發(fā)電控制策略進(jìn)行了綜述，揭示了三種主要無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)在控制方面的一致性，為無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的統(tǒng)一控制奠定理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種改善轉(zhuǎn)矩密度的新型雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，并研究了其在獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種情況下的控制策略，最后對(duì)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1　無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的分類

無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)最早起源于多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的級(jí)聯(lián)運(yùn)行[9]，如圖1所示。兩臺(tái)繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)同軸連接，其中一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組與第二臺(tái)電機(jī)的定子繞組相連，第二臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)電刷集電環(huán)與起動(dòng)電阻或調(diào)速電阻連接。該結(jié)構(gòu)無(wú)需特殊的繞組設(shè)計(jì)，僅通過(guò)開(kāi)關(guān)切換即可獲得三個(gè)不同的同步轉(zhuǎn)速，滿足了人們最早對(duì)于調(diào)速的迫切需求。L.J.Hunt[9]改進(jìn)了該系統(tǒng)的接線方式，將轉(zhuǎn)子繞組-定子繞組連接修改為轉(zhuǎn)子繞組-轉(zhuǎn)子繞組連接，不但保持了具有三個(gè)同步轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，而且去除了電刷集電環(huán)，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖1　繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)級(jí)聯(lián)運(yùn)行的演變Fig.1　Evolution of cascaded wound rotor induction machine

這一思想被廣泛延伸，陸續(xù)誕生了多種新型無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。按照其去刷化的原理可以分為兩類：級(jí)聯(lián)式和調(diào)制式。級(jí)聯(lián)式是將現(xiàn)有有刷雙饋發(fā)電機(jī)與其他電磁設(shè)備級(jí)聯(lián)，采用無(wú)接觸式電能傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率在靜止電源與轉(zhuǎn)子繞組之間雙向流動(dòng)。屬于這一類型的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)包括級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Cascaded Doubly-Fed Induction Generator，CDFIG)[10]、旋轉(zhuǎn)變壓器式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Brushless Doubly-Fed Induction Generator with Rotary Transformer，BDFIG-RT)[11]和旋轉(zhuǎn)電力電子變換器式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Brushless Doubly-Fed Induction Generator with Rotating Power Electronics，BDFIG-RPE)[12]。調(diào)制式是借助短路繞組或磁阻凸極產(chǎn)生不同極對(duì)數(shù)的兩個(gè)磁場(chǎng)分別與兩套定子繞組耦合，如嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Nested-Loop Rotor Brushless Doubly-Fed Induction Generator，NLR-BDFIG)[13]、齒諧波繞線轉(zhuǎn)子式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Tooth-Harmonic Wound Rotor Brushless Doubly-Fed Induction Generator，THWR-BDFIG)[14]、磁阻轉(zhuǎn)子式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)(Brushless Doubly-Fed Reluctance Generator，BDFRG)[15]和籠障轉(zhuǎn)子式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)(Hybrid Rotor Brushless Doubly-Fed Generator，HR-BDFG)[16]。詳細(xì)的分類如圖2所示。

圖2　無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)分類Fig.2　Classification of BDFM

1.2級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

CDFIG通過(guò)兩臺(tái)繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)同軸級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化[10]，如圖3所示。其基本結(jié)構(gòu)與圖1b非常相近，不同之處在于：①圖1b所示結(jié)構(gòu)只有一個(gè)饋電端口；②圖1b所示結(jié)構(gòu)運(yùn)行于異步工作方式下。用電力電子變換器取代起動(dòng)電阻或調(diào)速電阻便產(chǎn)生了現(xiàn)在的CDFIG。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可由任意兩臺(tái)繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)級(jí)聯(lián)構(gòu)成；建模簡(jiǎn)單，數(shù)學(xué)模型可由普通異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型按照轉(zhuǎn)子繞組連接方式組合后得到；氣隙磁通密度分布正弦度高，電磁轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，噪聲小。從功率流、變換器容量需求、系統(tǒng)效率和電機(jī)利用率的角度來(lái)看，最佳極對(duì)數(shù)配合為pp≥pc[17]，其中pp和pc分別為功率繞組(Power Winding，PW)和控制繞組(Control Winding，CW)的極對(duì)數(shù)。但該結(jié)構(gòu)也存在明顯的缺點(diǎn)：①軸向長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，現(xiàn)有的繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)通常設(shè)計(jì)為少極對(duì)數(shù)大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)，而且總的繞組端部長(zhǎng)，電機(jī)功率密度低；②轉(zhuǎn)子采用繞線結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電阻較大，一方面轉(zhuǎn)子銅耗增加，另一方面異步轉(zhuǎn)矩占總轉(zhuǎn)矩的比例增大，使得雙饋同步特性變差。

圖3　級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)Fig.3　Cascaded brushless doubly-fed induction generator

1.3旋轉(zhuǎn)變壓器式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

CDFIG雖然成功去除了電刷和集電環(huán)，但轉(zhuǎn)矩成分復(fù)雜(兩個(gè)同步轉(zhuǎn)矩分量，兩個(gè)異步轉(zhuǎn)矩分量)，較之只有同步轉(zhuǎn)矩分量的有刷雙饋發(fā)電機(jī)控制難度增加。為了簡(jiǎn)化控制，使無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的特性盡可能接近有刷雙饋發(fā)電機(jī)，WEG公司提出了一種以旋轉(zhuǎn)變壓器取代電刷集電環(huán)裝置的去刷化方案，即旋轉(zhuǎn)變壓器式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)[11]，如圖4所示。

圖4　旋轉(zhuǎn)變壓器式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)Fig.4　Brushless doubly-fed induction generator with rotary transformer

這一方案利用旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率在旋轉(zhuǎn)繞組與靜止電源之間的雙向傳輸。但由于變壓器只能傳輸交流形式的電能，旋轉(zhuǎn)變壓器式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下無(wú)法實(shí)現(xiàn)功率的有效傳輸，運(yùn)行中仍要通過(guò)控制主動(dòng)避開(kāi)該同步轉(zhuǎn)速。

1.4旋轉(zhuǎn)電力電子變換器式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

文獻(xiàn)[12]提出一種使用旋轉(zhuǎn)電力電子變換器的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。如圖5所示，該結(jié)構(gòu)包括一臺(tái)繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)和一臺(tái)同軸級(jí)聯(lián)的同步電機(jī)。不同于常見(jiàn)的永磁同步電機(jī)或電勵(lì)磁同步電機(jī)，該同步電機(jī)定子上放置永磁體或直流勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子上安放三相電樞繞組。感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組與同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)隨軸同步旋轉(zhuǎn)的交-直-交變換器實(shí)現(xiàn)電氣連接，因而兩套繞組中電壓電流的幅值、頻率和相位都可以不同。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)功率繞組側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行和各種電壓跌落條件下的低電壓穿越[18，19]，因而是一種理論上可行的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)去刷化方案。但其缺點(diǎn)也非常明顯：①電力電子變換器隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，需要完善的固定和保護(hù)措施；②變換器的開(kāi)關(guān)信號(hào)是以無(wú)線方式(如WiFi、藍(lán)牙)傳遞給功率變換器的，其可靠性有待研究，尤其當(dāng)其運(yùn)行在復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中。

圖5　旋轉(zhuǎn)電力電子變換器式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)Fig.5　Brushless doubly-fed induction generator with rotary power electronics

1.5嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

NLR-BDFIG是最廣為人知的無(wú)刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)，而且“無(wú)刷雙饋電機(jī)”這一稱呼就起源于該結(jié)構(gòu)類型的電機(jī)。為了簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子繞組，使轉(zhuǎn)子具有傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)籠型轉(zhuǎn)子一樣的堅(jiān)固程度和可制造性，文獻(xiàn)[13]提出了該嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6　嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.6　Nested-loop rotor structure

NLR-BDFIG為單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子槽內(nèi)放置兩套極對(duì)數(shù)分別為pp和pc的分布繞組，轉(zhuǎn)子繞組包括pp+pc個(gè)重復(fù)單元，其中每個(gè)單元稱為一個(gè)巢，且每個(gè)巢包括多個(gè)嵌套的導(dǎo)體環(huán)路。為避免兩套定子繞組直接耦合，要求pp≠pc。為了避免產(chǎn)生不平衡磁拉力，進(jìn)一步要求|pp-pc|>1。

轉(zhuǎn)子上存在多個(gè)短路線圈大大增加了該電機(jī)結(jié)構(gòu)的建模難度。其全耦合電路模型具有變系數(shù)、高階、非線性的特點(diǎn)[20]，模型的降階工作必不可少。盡管提出該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的初衷在于簡(jiǎn)化加工制造，但研究表明嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子繞組并不適合直接鑄造，導(dǎo)條與鐵心之間必須增加足夠的絕緣才能獲得理想的無(wú)刷雙饋特性[21]。而且，不同于傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)中的籠型轉(zhuǎn)子，不同環(huán)路導(dǎo)條中的電流密度并不均勻[22]。

然而，NLR-BDFIG氣隙中除了兩個(gè)主要磁場(chǎng)分量外，還存在多種無(wú)效諧波磁場(chǎng)分量[23]，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲[24，25]。而且，諧波磁場(chǎng)分量的存在還增加了附加鐵耗和銅耗，使鐵心容易飽和[26，27]，功率密度和比功率降低[28，29]。

1.6齒諧波繞線轉(zhuǎn)子式無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

考慮到NLR-BDFIG轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生大量低次空間諧波，文獻(xiàn)[14]從齒諧波原理出發(fā)，通過(guò)調(diào)整基波和諧波的繞組因數(shù)實(shí)現(xiàn)保留兩種有效頻率基波、抑制其他階次諧波的目標(biāo)，提出一種雙正弦繞組繞線轉(zhuǎn)子。圖7為該繞線轉(zhuǎn)子一個(gè)單元的短路線圈連接方式。與嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子相比，不同之處在于齒諧波繞線轉(zhuǎn)子用不等匝分布式閉合線圈組代替等匝同心式短路環(huán)，使轉(zhuǎn)子繞組建立的磁動(dòng)勢(shì)中除主要磁場(chǎng)外的其他磁場(chǎng)分量盡可能地少，充分發(fā)揮了繞組改善磁動(dòng)勢(shì)分布和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形的功能。該電機(jī)大大降低了氣隙磁場(chǎng)空間諧波含量，但由于采用不等匝分布式線圈，設(shè)計(jì)與制造工藝復(fù)雜，且轉(zhuǎn)子繞組電阻偏大。

圖7　齒諧波繞線轉(zhuǎn)子雙正弦繞組一個(gè)單元Fig.7　One unit of tooth-harmonic wound rotor

1.7磁阻轉(zhuǎn)子式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)

文獻(xiàn)[15]在提出嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子式無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)的同時(shí)，注意到磁阻凸極可以代替短路線圈對(duì)交變磁通產(chǎn)生相似的阻礙作用，提出一種磁阻轉(zhuǎn)子式無(wú)刷雙饋電機(jī)，即無(wú)刷雙饋磁阻電機(jī)。與同步磁阻電機(jī)類似，其轉(zhuǎn)子可采用簡(jiǎn)單凸極結(jié)構(gòu)[30]、軸向疊片各向異性結(jié)構(gòu)[31]和多層磁障結(jié)構(gòu)[32]，如圖8所示。研究表明，軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換能力最強(qiáng)，多層磁障轉(zhuǎn)子次之，簡(jiǎn)單凸極轉(zhuǎn)子最弱[33，34]。但軸向疊片中會(huì)感生大量渦流，因而最適合無(wú)刷雙饋磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為多層磁障轉(zhuǎn)子[35]。

圖8　磁阻轉(zhuǎn)子類型Fig.8　Reluctance rotors

1.8籠障轉(zhuǎn)子式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)

文獻(xiàn)[16]提出一種兼具短路線圈和磁障層的籠障轉(zhuǎn)子式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子如圖9所示。本質(zhì)上為多層磁障轉(zhuǎn)子與嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的結(jié)合，旨在利用短路繞組和凸極轉(zhuǎn)子的雙重凸極性增強(qiáng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換能力。但短路線圈與磁障層之間存在怎樣的相互影響，不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換能力如何衡量還有待進(jìn)一步研究。由于同時(shí)存在飽和與渦流，磁場(chǎng)分布更為復(fù)雜，分析時(shí)將在更大程度上依賴有限元等數(shù)值分析工具。

圖9　籠障轉(zhuǎn)子Fig.9　Hybrid rotor

1.9現(xiàn)有無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的比較

不同結(jié)構(gòu)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)之間既有共性特點(diǎn)，又有個(gè)性差別。其共性主要體現(xiàn)在：

1)無(wú)電刷集電環(huán)，無(wú)永磁。

2)有兩個(gè)饋電端口和一個(gè)機(jī)械端口，且兩個(gè)饋電端口的能量均可雙向流動(dòng)。

3)雙饋同步速為

(1)

式中，ωp、ωc分別為功率繞組和控制繞組電流角頻率；pp、pc分別為功率繞組和控制繞組極對(duì)數(shù)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr=ωs時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于雙饋同步模式。特別地，當(dāng)控制繞組中的頻率為0時(shí)，式(1)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速稱為自然同步速。

4)當(dāng)其中一個(gè)饋電端口短接時(shí)，電機(jī)可以工作在異步運(yùn)行模式。

5)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)等效極對(duì)數(shù)多，適合設(shè)計(jì)為中低速發(fā)電機(jī)。

6)與有刷雙饋發(fā)電機(jī)通過(guò)改變電流(線負(fù)荷)調(diào)節(jié)功率繞組的功率因數(shù)不同，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)通過(guò)改變磁通(或磁負(fù)荷)調(diào)節(jié)功率繞組功率因數(shù)。

另一方面由于工作原理和實(shí)現(xiàn)方式的不同，不同無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)之間又存在個(gè)性差別，主要體現(xiàn)在：

7)級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)配合的選取主要取決于氣隙直徑比，轉(zhuǎn)矩密度與極對(duì)數(shù)配合沒(méi)有確定的關(guān)系；但對(duì)于調(diào)制式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)，其極對(duì)數(shù)配合主要受制于電磁關(guān)系，從磁場(chǎng)耦合能力的角度考慮適合選取近極配合，但從提高轉(zhuǎn)矩密度的角度考慮遠(yuǎn)極配合更為有利。

8)級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)具有更加正弦的氣隙磁場(chǎng)分布，但對(duì)于調(diào)制式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，氣隙磁場(chǎng)除了包含兩個(gè)主要磁場(chǎng)分量外，還存在多種寄生低次空間諧波。

9)級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的振動(dòng)行為與傳統(tǒng)交流電機(jī)相同，但對(duì)于調(diào)制式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于氣隙中存在兩種極對(duì)數(shù)不同的主要磁場(chǎng)，產(chǎn)生了額外的振動(dòng)模態(tài)，且振幅與極對(duì)數(shù)配合關(guān)系密切。遠(yuǎn)極配合有助于避免低階振動(dòng)模態(tài)。

2　無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)分析與設(shè)計(jì)方法

2.1穩(wěn)態(tài)分析

由于無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)屬于正弦波磁場(chǎng)電機(jī)，其穩(wěn)態(tài)性能主要借助單相等效電路來(lái)分析。與單饋感應(yīng)電機(jī)不同，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路為二端口網(wǎng)絡(luò)。單相等效電路最早被用于研究CDFIG的雙饋同步運(yùn)行原理、運(yùn)行范圍、轉(zhuǎn)矩能力和變換器容量[10，36]。為了計(jì)及鐵耗，借鑒感應(yīng)電機(jī)中鐵耗的分析方法，文獻(xiàn)[37]在穩(wěn)態(tài)等效電路的勵(lì)磁支路兩側(cè)并聯(lián)隨轉(zhuǎn)差率發(fā)生變化的可變鐵耗電阻，并取得良好的計(jì)算精度。

NLR-BDFIG由于其特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生大量空間諧波，增加了穩(wěn)態(tài)分析的難度。文獻(xiàn)[38，39]通過(guò)引入復(fù)數(shù)形式的導(dǎo)體分布函數(shù)，對(duì)嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的阻抗參數(shù)和轉(zhuǎn)矩表達(dá)式進(jìn)行了解析推導(dǎo)。文獻(xiàn)[40]則用諧波漏電抗計(jì)及空間諧波的影響，系統(tǒng)整理了無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的串聯(lián)T形等效電路模型，并將其進(jìn)行適當(dāng)變形用于參數(shù)提取。同樣，為了計(jì)及鐵耗的影響，可以在勵(lì)磁支路兩側(cè)補(bǔ)充隨轉(zhuǎn)差率發(fā)生變化的可變鐵耗電阻[41，42]。盡管現(xiàn)有等效電路可以取得令人滿意的轉(zhuǎn)矩計(jì)算精度，但還存在無(wú)法計(jì)算轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電流和分離定轉(zhuǎn)子漏電抗的問(wèn)題。BDFRG由于轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組存在，穩(wěn)態(tài)模型與有刷雙饋發(fā)電機(jī)類似，可以直接采用有刷雙饋的分析方法進(jìn)行分析。

由于NLR-BDFIG和BDFRG中存在大量空間諧波，用于感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)性能近似計(jì)算的時(shí)諧場(chǎng)分析不再適用。而且轉(zhuǎn)子繞組中電流通過(guò)感應(yīng)方式產(chǎn)生，不適合靜磁場(chǎng)計(jì)算，所以無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的有限元分析主要使用瞬態(tài)場(chǎng)求解[43，44]。對(duì)于計(jì)算時(shí)間有嚴(yán)格限制的場(chǎng)合，等效磁路法和等效電路法都有優(yōu)勢(shì)[45，46]。

2.2動(dòng)態(tài)建模

無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)建模方法主要包括耦合電路理論[20，47]，兩軸理論[47-51]和空間矢量理論[52-54]。但與傳統(tǒng)交流電機(jī)不同之處在于，氣隙中存在兩個(gè)轉(zhuǎn)速不同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，且旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)于轉(zhuǎn)子本身相反。采用傳統(tǒng)分析方法時(shí)，存在模型階數(shù)高、數(shù)學(xué)推導(dǎo)不夠嚴(yán)密直觀、動(dòng)穩(wěn)態(tài)模型彼此隔離的缺點(diǎn)，所以采用螺旋矢量理論對(duì)雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行建模與分析[55]。不同電機(jī)分析理論之間的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　電機(jī)分析理論比較Tab.1　Comparison of analysis theories

由于NLR-BDFIG轉(zhuǎn)子上存在多個(gè)短路線圈，其全耦合電路模型中包含6+NS階電壓方程(其中N為單元數(shù)，S為每單元嵌套環(huán)數(shù))，采用雙軸模型時(shí)階數(shù)降為4+2S，空間矢量模型為2+S階復(fù)數(shù)微分方程，進(jìn)一步模型降階可以產(chǎn)生與CDFIG相同階數(shù)(3階復(fù)數(shù)微分方程，6階實(shí)數(shù)微分方程)的結(jié)果，并用于控制器的設(shè)計(jì)。BDFRG的全耦合電路模型為6階實(shí)數(shù)微分方程，最簡(jiǎn)結(jié)果為2階復(fù)數(shù)微分方程。

2.3設(shè)計(jì)與優(yōu)化

無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化主要基于簡(jiǎn)化穩(wěn)態(tài)等效電路。早期的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)主要借助已有的感應(yīng)電機(jī)沖片和同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，降低部分轉(zhuǎn)矩能力重新設(shè)計(jì)繞組。但實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，由于無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)需要在定子槽內(nèi)嵌放兩套不同極對(duì)數(shù)的定子繞組，已有沖片難以滿足線負(fù)荷要求，于是無(wú)刷雙饋才作為一種獨(dú)立的電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)[28]采用僅保留轉(zhuǎn)子漏電感的簡(jiǎn)化模型推導(dǎo)了簡(jiǎn)化功率尺寸方程，并與有刷雙饋和CDFIG在自然同步轉(zhuǎn)速下的輸出功率進(jìn)行比較，指出NLR-BDFIG的功率輸出能力低于普通感應(yīng)電機(jī)約25%。文獻(xiàn)[56，57]采用串聯(lián)T形等效電路與等效磁路、等效熱路相結(jié)合的方法進(jìn)行無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[58-61]采用穩(wěn)態(tài)相量圖推導(dǎo)了BDFRG中的電磁負(fù)荷關(guān)系，對(duì)多層磁障轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.4轉(zhuǎn)矩密度與功率密度的比較

通過(guò)建立適用于雙饋發(fā)電機(jī)(有刷和無(wú)刷)的通用功率方程和轉(zhuǎn)矩密度方程，發(fā)現(xiàn)三種無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度表達(dá)式可統(tǒng)一表示為

(2)

式中，C為轉(zhuǎn)矩密度系數(shù)；A為線負(fù)荷；B為磁負(fù)荷；λp為功率繞組功率因數(shù)；η為效率。三種發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度系數(shù)分別為

(3)

(4)

(5)

圖10　極對(duì)數(shù)配合對(duì)CDFIG轉(zhuǎn)矩密度的影響Fig.10　Influence of pole-pair combination on TRV of CDFIG

式中，n是為計(jì)算磁負(fù)荷而引入的近似系數(shù)，通常n=2可獲得很好的近似程度[28]；λc為控制繞組的功率因數(shù)；dc、dp分別為控制側(cè)和功率側(cè)氣隙直徑。根據(jù)式(3)～式(5)畫(huà)出極對(duì)數(shù)配合對(duì)三種電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度系數(shù)的影響如圖10和圖11所示。發(fā)電運(yùn)行中通常要求通過(guò)控制繞組調(diào)節(jié)功率繞組功率因數(shù)，即功率繞組功率因數(shù)λp與控制繞組功率因數(shù)λc不等。在這種運(yùn)行情況下，CDFIG可以通過(guò)選擇合適的氣隙直徑比，在多種極對(duì)數(shù)配合下得到與傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)相近的轉(zhuǎn)矩密度。而NLR-BDFIG與BDFRG具有相同的轉(zhuǎn)矩密度系數(shù)，且轉(zhuǎn)矩密度受極對(duì)數(shù)和功率因數(shù)影響很大。這兩種電機(jī)適合選擇多極對(duì)數(shù)繞組作為功率繞組，少極對(duì)數(shù)繞組作為控制繞組以獲得更高的轉(zhuǎn)矩密度，如圖11所示。因而從轉(zhuǎn)矩密度方面來(lái)看，級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)優(yōu)于調(diào)制式，根本原因在于調(diào)制式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)只包含同步轉(zhuǎn)矩分量，而級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)還存在異步轉(zhuǎn)矩分量。

圖11　極對(duì)數(shù)配合對(duì)NLR-BDFIG和BDFRG轉(zhuǎn)矩密度的影響Fig.11　Influence of pole-pair combination on TRV of NLR-BDFIG and BDFRG

圖12　控制繞組功率因數(shù)對(duì)CDFIG轉(zhuǎn)矩密度的影響Fig.12　Influence of power factors on TRV of CDFIG

圖13　控制繞組功率因數(shù)對(duì)NLR-BDFIG和BDFRG 轉(zhuǎn)矩密度的影響Fig.13　Influence of power factors on TRV of NLR-BDFIG and BDFRG

控制繞組功率因數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度系數(shù)的影響如圖12和圖13所示。其中功率繞組功率因數(shù)分別設(shè)置為1.0、0.9和0.8，極對(duì)數(shù)配合pp/pc分別設(shè)置為2/2、4/2和2/4。從圖中可以看出，級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)可以在較寬的控制繞組功率因數(shù)變化范圍內(nèi)保持較高的轉(zhuǎn)矩密度系數(shù)，而調(diào)制式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度系數(shù)隨控制繞組功率因數(shù)的減小而迅速下降。

3　無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)控制策略

到目前為止，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的控制先后經(jīng)歷了閉環(huán)標(biāo)量控制、矢量/直接轉(zhuǎn)矩控制和非線性控制三個(gè)階段。

3.1閉環(huán)標(biāo)量控制

閉環(huán)標(biāo)量控制具有算法簡(jiǎn)單、實(shí)施成本低的優(yōu)點(diǎn)，因而在閉環(huán)控制系統(tǒng)中最先受到研究人員的關(guān)注。文獻(xiàn)[62]首次提出了針對(duì)嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的閉環(huán)標(biāo)量控制，即通過(guò)一個(gè)PI控制器調(diào)節(jié)逆變器輸出頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)另一個(gè)PI控制器調(diào)節(jié)控制繞組電流幅值來(lái)控制功率因數(shù)，如圖14所示。類似的標(biāo)量控制被應(yīng)用于無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率控制[63-65]。由于標(biāo)量控制是基于穩(wěn)態(tài)關(guān)系建立的，無(wú)法準(zhǔn)確描述電磁轉(zhuǎn)矩和控制變量(控制繞組電壓或電流)之間的完整動(dòng)態(tài)關(guān)系；而且，轉(zhuǎn)速(有功功率)和功率因數(shù)(無(wú)功功率)難以實(shí)現(xiàn)完全解耦。因而，對(duì)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)使用標(biāo)量控制并不能取得令人滿意的控制效果。

圖14　典型的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)閉環(huán)標(biāo)量控制系統(tǒng)Fig.14　Typical closed-loop scalar control system of BDFM

3.2矢量控制

文獻(xiàn)[66]在對(duì)有刷雙饋發(fā)電機(jī)有功和無(wú)功功率控制研究的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)CDFIG的定子磁鏈定向控制(Stator-Flux-Oriented Control，SFOC)，實(shí)現(xiàn)了與有刷雙饋發(fā)電機(jī)相似的有功、無(wú)功功率解耦控制，如圖15所示。其中，控制繞組的d軸電流分量用于控制功率繞組無(wú)功功率，q軸分量用于控制功率繞組有功功率(或速度)，使用前饋控制對(duì)轉(zhuǎn)子電阻引起的d、q軸交叉耦合進(jìn)行補(bǔ)償。類似的分析與控制也見(jiàn)于文獻(xiàn)[67，68]。文獻(xiàn)[69，70]將該定子磁鏈定向控制應(yīng)用于NLR-BDFIG，不同之處在于，文獻(xiàn)[69]采用三級(jí)PI控制器，而文獻(xiàn)[70]針對(duì)電機(jī)本身的特性對(duì)控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，采用單級(jí)PI控制器實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和無(wú)功功率的解耦控制，顯示出其在風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中的廣闊前景。相似的控制結(jié)構(gòu)也被用于控制BDFRG[71-73]。

3.3直接轉(zhuǎn)矩控制

文獻(xiàn)[74]首次提出了NLR-BDFIG的預(yù)測(cè)直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)。由于假設(shè)兩套定子繞組磁通保持不變，動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制精度受到一定程度的限制。而且，所有的控制變量均定向在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系而非通常感應(yīng)電機(jī)中所采用的靜止坐標(biāo)系，因而需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換。文獻(xiàn)[75]建立了一種基于電壓空間矢量表的經(jīng)典DTC控制策略，控制方式具有恒定的開(kāi)關(guān)頻率。但在單變量控制情形下，轉(zhuǎn)矩與控制繞組磁通不能得到同時(shí)控制。文獻(xiàn)[76]對(duì)NLR-BDFIG的DTC進(jìn)行改進(jìn)，首次將間接定子量控制(Indirect Stator-Quantities Control，ISC)應(yīng)用于無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)，大大降低了控制算法對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴程度，只需要兩套定子繞組電阻。由于不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，控制結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。該方法還被進(jìn)一步用于轉(zhuǎn)速(有功)與無(wú)功的同時(shí)控制[77]。

圖15　級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)定子磁鏈定向控制Fig.15　Stator flux oriented control of CDFIM

3.4非線性控制

無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)具有復(fù)雜的動(dòng)態(tài)模型，盡管通過(guò)前饋補(bǔ)償或電機(jī)本身控制特性的改善可以實(shí)現(xiàn)有限轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有功和無(wú)功的近似解耦控制，但仍不能獲得令人滿意的控制效果，特別是當(dāng)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速接近功率繞組自然同步轉(zhuǎn)速時(shí)。許多研究人員嘗試將先進(jìn)的非線性控制方法應(yīng)用于無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)，如滑模控制(Sliding Mode Control，SMC)[78-80]、反饋線性化控制(Feedback Linearization，F(xiàn)BL)[47，81]。

3.5無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的統(tǒng)一控制

從控制角度來(lái)看，現(xiàn)有技術(shù)均為對(duì)某一類無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立控制，未對(duì)不同無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)在控制上的相似性進(jìn)行深入分析。事實(shí)上，三種主要無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可統(tǒng)一表示為

(6)

(7)

(8)

式中，γ為常系數(shù)；F(·)為統(tǒng)一模型表述而引入的算子符號(hào)。電磁轉(zhuǎn)矩可統(tǒng)一表示為

(9)

不同無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可通過(guò)不同的參數(shù)取值而得到，見(jiàn)表2。

表2　不同無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)的統(tǒng)一模型參數(shù)取值Tab.2　Parameters for the unified model of different BDFMs

因此，從控制角度來(lái)講，三種主要無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制。BDFRG是CDFIG和NLR-BDFIG控制的特例(令rr=0即可)。或者說(shuō)，CDFIG和NLR-BDFIG如果轉(zhuǎn)子電阻相對(duì)較小可忽略時(shí)，則可使用BDFRG的控制方法進(jìn)行控制。

4　新型雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)

綜上分析可知，盡管針對(duì)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的研究由來(lái)已久，但無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)至今未能成功商業(yè)化并取代現(xiàn)有有刷雙饋發(fā)電機(jī)。究其原因主要有以下幾個(gè)方面：①相比于有刷雙饋發(fā)電機(jī)，現(xiàn)有無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度偏低；②相比于有刷雙饋發(fā)電機(jī)，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的無(wú)功管理復(fù)雜；③磁場(chǎng)調(diào)制式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的網(wǎng)側(cè)電壓電流諧波含量偏高；④CDFIG 和NLR-BDFIG的控制精度具有轉(zhuǎn)速依賴性。

基于三種主要無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度和功率密度的比較分析，為提高轉(zhuǎn)矩密度，同時(shí)縮短電機(jī)軸向長(zhǎng)度，文獻(xiàn)[82]提出一種新型雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。如圖16所示，該新型電機(jī)結(jié)構(gòu)包含同軸布置的內(nèi)外兩個(gè)定子和位于兩個(gè)定子之間的杯形轉(zhuǎn)子。定轉(zhuǎn)子上共設(shè)置四套分布繞組，且轉(zhuǎn)子內(nèi)外層繞組之間反相序連接形成“和級(jí)聯(lián)”。

圖16　新型雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)截面圖Fig.16　Cross-section of the proposed dual-stator BDFM

4.1轉(zhuǎn)速關(guān)系

為滿足雙饋同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速與功率繞組PW和控制繞組CW供電頻率之間滿足式(1)。如圖17所示，雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)類似于一個(gè)“電氣差速器”，位于內(nèi)外定子之間的轉(zhuǎn)子(機(jī)械轉(zhuǎn)速為ωr)協(xié)調(diào)外氣隙與內(nèi)氣隙一快一慢兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(轉(zhuǎn)速分別為ωp/pp和ωc/pc)。

圖17　雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.17　Speed relationship of dual-stator BDFM

4.2工作模式

由于新型雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有兩個(gè)電氣端口，既可以單饋，也可以雙饋運(yùn)行。按照供電方式的不同，共有4種可能的工作模式，分別為簡(jiǎn)單異步模式、級(jí)聯(lián)異步模式、雙饋同步模式和雙饋異步模式[55]。4種工作模式的存在條件以及轉(zhuǎn)矩構(gòu)成見(jiàn)表3。4種工作模式對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩能力如圖18所示。

圖18a給出了簡(jiǎn)單異步模式與級(jí)聯(lián)異步模式下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，同時(shí)給出了單臺(tái)感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線作為參照。其中，簡(jiǎn)單異步模式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩幾乎為零，而級(jí)聯(lián)異步模式下能夠產(chǎn)生與單臺(tái)感應(yīng)電機(jī)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩水平。

圖18b給出了雙饋同步模式下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速范圍。在不考慮飽和與穩(wěn)態(tài)溫升的理想情況下，雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)可獲得最大的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，如圖18b理想上限與理想下限所包圍的面域所示；當(dāng)控制繞組采用恒壓頻比控制方式供電時(shí)，運(yùn)行范圍縮小至恒壓頻比上限與恒壓頻比下限所包圍的面域；如果進(jìn)一步考慮各繞組電流不超過(guò)額定值，雙饋同步運(yùn)行范圍如圖18b中有效上限與有效下限所包圍的面域所示。可見(jiàn)當(dāng)功率繞組極對(duì)數(shù)等于控制繞組極對(duì)數(shù)時(shí)，雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)可在0～1.8倍自然同步轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。

表3　新型雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作模式Tab.3　Operation modes of dual-stator BDFM

圖18　新型雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性Fig.18　Torque-speed characteristics of dual-stator BDFM

雙饋異步模式下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線如圖18c所示。可以看到，雙饋異步模式下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線是由兩條級(jí)聯(lián)異步轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線通過(guò)簡(jiǎn)單疊加形成的。

由圖18可見(jiàn)，4種工作模式均可用于發(fā)電。其中，三種異步工作模式下的發(fā)電運(yùn)行特性類似于異步發(fā)電機(jī)，而雙饋同步運(yùn)行模式可在寬調(diào)速范圍內(nèi)變速恒頻，同時(shí)保持恒定轉(zhuǎn)矩。因而風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用場(chǎng)合更期望電機(jī)運(yùn)行在雙饋同步模式下。

4.3功率關(guān)系

忽略電機(jī)銅耗，可以分析得到雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速區(qū)間發(fā)電運(yùn)行的功率流。其中，超自然同步速發(fā)電模式的功率流如圖19所示。不同發(fā)電模式下的功率流向如圖20所示。

圖19　雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率流(超自然同步速發(fā)電)Fig.19　Power flow of dual-stator BDFM for super natural synchronous speed

圖20　不同轉(zhuǎn)速下的功率流向Fig.20　Power flow under different speeds

4.4設(shè)計(jì)方法

新型雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以按照實(shí)際需要設(shè)計(jì)為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，其設(shè)計(jì)流程如圖21所示[82]。

圖21　雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)流程Fig.21　Design flow chart of dual-stator BDFM

基于該設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)并加工了一臺(tái)7.5 kW新型雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)樣機(jī)，如圖22所示。

圖22　7.5 kW雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)樣機(jī)Fig.22　Prototype of 7.5kW dual-stator BDFM

對(duì)樣機(jī)的級(jí)聯(lián)異步特性和雙饋同步特性進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，部分結(jié)果如圖23和圖24所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析非常吻合。

圖23　級(jí)聯(lián)異步模式轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性Fig.23　Cascaded asynchronous characteristics

圖24　空載勵(lì)磁特性Fig.24　Excitation characteristic at no-load

4.5獨(dú)立運(yùn)行發(fā)電控制

當(dāng)雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)獨(dú)立發(fā)電運(yùn)行時(shí)，要求輸出滿足電能質(zhì)量要求的電能。控制目標(biāo)為輸出電壓的幅值和頻率，典型的控制框圖如圖25所示[83]。采用所提出的直接電壓控制方法，可以產(chǎn)生令人滿意的輸出電壓。實(shí)驗(yàn)與仿真波形非常吻合，如圖26所示。

圖25　雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)獨(dú)立發(fā)電運(yùn)行控制Fig.25　Stand-alone operation of dual-stator BDFG

圖26　雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電獨(dú)立運(yùn)行波形Fig.26　Waveforms of stand-alone operation of dual-stator BDFG

4.6并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電控制

當(dāng)雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，要求發(fā)電機(jī)具備：①有功和無(wú)功調(diào)節(jié)能力；②不對(duì)稱運(yùn)行

能力；③低電壓穿越能力。典型的并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電控制系統(tǒng)如圖27所示[84]。采用所提出的并網(wǎng)運(yùn)行控制策略可實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的解耦控制，實(shí)驗(yàn)波形如圖28所示。

圖27　雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行控制Fig.27　Grid-connected operation of dual-stator BDFG

圖28　雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)波形Fig.28　Experimental waveforms of grid-connected operation of dual-stator BDFG

5　無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的應(yīng)用前景與發(fā)展趨勢(shì)

本文通過(guò)對(duì)多種無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)深入比較分析后發(fā)現(xiàn)，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)適合設(shè)計(jì)為多極對(duì)數(shù)的中低速發(fā)電機(jī)，以改善轉(zhuǎn)矩密度和整體效率。目前已有多個(gè)大型無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)試運(yùn)行的案例，如劍橋大學(xué)與風(fēng)能科技公司合作研究的250 kW NLR-BDFIG等。

相比于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，新型雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)矩密度和電能質(zhì)量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因而成為最有潛力取代現(xiàn)有有刷雙饋發(fā)電機(jī)的一種無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)。

由于雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)保留異步轉(zhuǎn)矩分量以增加轉(zhuǎn)矩密度，而現(xiàn)有的控制策略大多忽略異步轉(zhuǎn)矩分量的影響而將CDFIG作為一臺(tái)工作于自然同步轉(zhuǎn)速附近的交流同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，因而后續(xù)工作將致力于考慮異步轉(zhuǎn)矩分量后雙定子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的連續(xù)控制。

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Design，Analysis and Control of Brushless Doubly-Fed Generators for Wind Power Application

Cheng MingHan PengWei Xinchi

(School of Electrical EngineeringSoutheast UniversityNanjing210096China)

The brushless doubly-fed machine (BDFM) is a new type of electrical machines with two AC electrical ports and a common mechanical port.It inherently possesses the variable speed constant frequency (VSCF) capability.It has already been widely recognized as the most promising candidate for replacing the slip-ring doubly-fed induction generator (DFIG) for its distinct advantages such as high reliability and reduced maintenance cost due to the elimination of brushes and approximate decoupled control of active and reactive power. This paper introduces the machine topologies and operating principles of a vast variety of existing BDFMs with the similarities，differences and challenges in current research summarized，compares the torque/power density from the perspective of machine design，and overviews the analysis design methods and control strategies，with the internal consistency of control of different BDFMs discussed. Based on the design，modeling，and control of BDFM，a novel dual-stator brushless doubly-fed induction machine is proposed，analyzed，and controlled for stand-alone as well as grid-connected power generation with experimental validation.Finally，the potential applications and future trends of BDFMs are discussed.

Brushless doubly-fed machines，wind power generation，control strategy，design and analysis method，intrinsic consistency，power density，torque density

國(guó)家自然科學(xué)基金(51320105002)和中達(dá)學(xué)者基金資助項(xiàng)目。

2016-06-29改稿日期2016-08-02

TM315

程明男，1960年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，IEEE Fellow，IET Fellow，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與控制、電動(dòng)汽車及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、新能源發(fā)電技術(shù)等。

E-mail：mcheng@seu.edu.cn (通信作者)

韓鵬男，1989年生，博士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)刷雙饋電機(jī)的設(shè)計(jì)、分析與控制。

E-mail：hanpeng360001@163.com