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

于亮　趙悅彤

【摘 要】文章首先分析了無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法與分析，包括穩(wěn)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)建模、設(shè)計(jì)優(yōu)化等，隨后介紹了無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略，包括閉環(huán)標(biāo)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(jì)分析；控制策略

引言：無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)這種類型的設(shè)備擁有一個(gè)公用的機(jī)械端口和兩個(gè)可以用來(lái)進(jìn)行饋電交流的端口，是一種新型發(fā)電機(jī)。這種電機(jī)能夠輔助實(shí)現(xiàn)恒頻變速運(yùn)行。因?yàn)閷鹘y(tǒng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，降低了后期維護(hù)修理成本，此外還能夠促進(jìn)無(wú)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(jī)的電機(jī)產(chǎn)品。

一、無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法與分析

（一）穩(wěn)態(tài)分析

因?yàn)闊o(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種正弦波磁場(chǎng)形式的電機(jī)設(shè)備，因此可以通過(guò)單相等效電路對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定性高進(jìn)行系統(tǒng)分析。和單饋感應(yīng)的電機(jī)種類不同，無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(kāi)始是用來(lái)對(duì)CDFIG雙饋同步轉(zhuǎn)矩實(shí)力、運(yùn)行范圍、操作原理以及變換器容量進(jìn)行研究的。為了能夠計(jì)及鐵耗，學(xué)習(xí)感應(yīng)電機(jī)關(guān)于鐵耗分析方法，在穩(wěn)態(tài)等效電路兩側(cè)勵(lì)磁之路并聯(lián)隨著轉(zhuǎn)差率產(chǎn)生鐵耗電阻變化時(shí)，可以得到一種精準(zhǔn)的計(jì)算值。

因?yàn)镹LR-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(jìn)一步加大，通過(guò)將導(dǎo)體分布函數(shù)的復(fù)數(shù)形式引入進(jìn)來(lái)，對(duì)嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子的無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和阻抗參數(shù)表達(dá)式實(shí)施深入推導(dǎo)解析。通過(guò)空間諧波影響和諧波漏電抗計(jì)對(duì)無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部T形串聯(lián)等效電路模型進(jìn)行系統(tǒng)整理，同時(shí)利用適當(dāng)變形提取其中的參數(shù)。為了判斷鐵耗影響，補(bǔ)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(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩計(jì)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(wú)法計(jì)算等問(wèn)題。BDFRG因?yàn)檗D(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(jī)存在一定的相似性，因此可以直接通過(guò)有刷雙饋相關(guān)方法進(jìn)行系統(tǒng)分析。

因?yàn)镈BFRG和NLR-BDFIG中存在各種空間諧波，可以對(duì)電機(jī)穩(wěn)定性進(jìn)行感應(yīng)。同時(shí)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)電流利用感應(yīng)方式誕生，并不適用于計(jì)算靜磁場(chǎng)，因此無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以通過(guò)瞬態(tài)場(chǎng)來(lái)求解有限元。在計(jì)算時(shí)間的過(guò)程中還擁有較為嚴(yán)格的場(chǎng)合限制，等效電路法與等效磁路法的優(yōu)勢(shì)都較為突出。

（二）動(dòng)態(tài)建模

無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)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(jī)相比，主要有以下幾種差異，首先是氣隙內(nèi)擁有兩個(gè)不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)的方向也完全不同于轉(zhuǎn)子。在通過(guò)傳統(tǒng)方法進(jìn)行分析時(shí)，存在穩(wěn)態(tài)模型隔離、數(shù)學(xué)推導(dǎo)不夠嚴(yán)謹(jǐn)以及模型階數(shù)高等問(wèn)題，針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)螺旋矢量理論對(duì)無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)施分析和建模。

因?yàn)镹LR-BDFIG轉(zhuǎn)子中含有數(shù)個(gè)短路線圈，在全耦合電路模型當(dāng)中還擁有6+NS階電壓方程，其中S是每一單獨(dú)模塊中的嵌套環(huán)數(shù)，而N是單元數(shù)，通過(guò)將雙軸模型中的時(shí)階術(shù)下降到4+2S，將2+S階的空間矢量模型負(fù)數(shù)微分方程實(shí)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(duì)控制器進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。BDFRG全耦合電路是六階實(shí)數(shù)微分方程，結(jié)果最簡(jiǎn)的是2階負(fù)數(shù)的微分方程。

（三）設(shè)計(jì)優(yōu)化

無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是以穩(wěn)態(tài)簡(jiǎn)化電路為基礎(chǔ)，無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)早期通常是利用現(xiàn)有同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子和感應(yīng)電機(jī)沖片，減少部分轉(zhuǎn)矩實(shí)力，對(duì)繞組進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。但是相關(guān)實(shí)踐證明，因?yàn)闊o(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)該于定子槽中嵌套設(shè)置兩種極對(duì)數(shù)不同的定子繞組，現(xiàn)有沖片已經(jīng)無(wú)法維持線負(fù)荷，因此無(wú)刷雙饋線成為一種獨(dú)立電機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)施設(shè)計(jì)。

二、無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略

（一）閉環(huán)標(biāo)量控制

閉環(huán)標(biāo)量控制擁有成本低和算法簡(jiǎn)便等突出優(yōu)勢(shì)，因此受到了相關(guān)研究者的廣泛關(guān)注。閉環(huán)標(biāo)量控制主要是利用PI控制器對(duì)逆變器運(yùn)行頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)控制整個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，結(jié)合其他的PI控制器對(duì)繞組電流幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制功率因數(shù)。標(biāo)量控制還可以用于控制無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行功率，因?yàn)闃?biāo)量控制主要是以穩(wěn)態(tài)管系為基礎(chǔ)建立起來(lái)的，不能對(duì)控制變量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確描述，同時(shí)功率因數(shù)和轉(zhuǎn)速也無(wú)法全部解耦，為此標(biāo)量控制方法控制并不能達(dá)到滿意的效果。

（二）矢量控制

定子磁鏈控制主要是以無(wú)功和有功功率控制基礎(chǔ)上，針對(duì)CDFIG提出來(lái)的，擁有和有刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)相似的無(wú)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(duì)繞組中的無(wú)功功率進(jìn)行控制，另一部分控制繞組中的有功功率，通過(guò)前饋控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電阻引發(fā)交叉耦合的有效補(bǔ)償。還有部分研究者結(jié)合電機(jī)自身特點(diǎn)，在簡(jiǎn)化控制器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)單級(jí)PI控制器對(duì)無(wú)功功率和轉(zhuǎn)速進(jìn)行解耦控制，彰顯出在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中的無(wú)限潛力，相同的控制結(jié)構(gòu)也曾應(yīng)用于BDFRG的控制當(dāng)中[1]。

（三）非線性控制

無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型十分復(fù)雜，雖然通過(guò)改善電機(jī)自身控制特點(diǎn)和前饋線補(bǔ)償能夠有限轉(zhuǎn)速中無(wú)功和有功的解耦控制，但是依然無(wú)法獲得滿意的控制成效，尤其是在電機(jī)運(yùn)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(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)當(dāng)中，比如反饋線性控制、滑模控制等[2]。

結(jié)語(yǔ)：綜上所述，通過(guò)對(duì)無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究后發(fā)現(xiàn)，無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)更加適合被設(shè)計(jì)成一種為多極對(duì)數(shù)中低速型的發(fā)電機(jī)，從而能夠進(jìn)一步改善發(fā)電機(jī)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(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要的突出優(yōu)勢(shì)可以從電能質(zhì)量和轉(zhuǎn)矩密度等方面體現(xiàn)出來(lái)，因此成為擁有取代無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]于思洋.兆瓦級(jí)復(fù)合轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)分析與設(shè)計(jì)方法研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2018.

[2]鞠孝偉，張鳳閣.雙定子直驅(qū)無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)原則與反電勢(shì)分析[J].大電機(jī)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）