李 庆 陈康博 张宏俊 罗 琦
(贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025）
【摘 要】在传统风力发电的基础上，以作为风力发电机用的无刷双馈电机为主要研究对象，进行了深入的研究，研究了无刷双馈电机的转子侧和网侧PWM变换器的控制策略，建立转子侧和网侧PWM变换器控制策略的结构模型，把功率绕组和控制绕组分别建立在各自的同步坐标系下，分别进行磁场定向和电压定向矢量控制，从而简化了数学模型，获得了适合的控制策略。最后采用Matlab/Simulink仿真软件建立相应的控制系统仿真模型，模拟三种情景，进行仿真实验，分析实验结果。
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关键词 无刷双馈电机；风力发电；变频恒速；PWM变换器；矢量控制；转子磁场定向控制
作者简介：李庆（1988—），男，湖南岳阳人，硕士研究生，电力电子与电力传动专业，研究方向为电能质量变换域功率变换技术。
陈康博（1989—），男，山东青岛人，硕士研究生，电力电子与电力传动专业，研究方向为电力电子与电力传动控制技术。
张宏俊（1989—），男，贵州贵阳人，硕士研究生，电力电子与电力传动专业，研究方向为电能质量变换域功率变换技术。
罗琦（1990—），男，湖南衡阳人，硕士研究生，电力电子与电力传动专业，研究方向为新能源技术。
0 引言
现在能源消耗严重，新能源革命已经开始。在当今对可再生能源的开发利用中，风能由于其突出的优点而成为世界各国普遍重视的能源。风力发电技术成为世界各国学者竞相研究的热点。我国的风力发电机装机量已经是世界第一了，足以说明国家对风力发电机的重视[1-2]。而在运行风力发电中，无刷双馈电机在节能调速控制上有无可比拟的优势。无刷双馈电机具有结构简单并且坚固可靠，可用于异步和同步电机，可在无刷情况下实现双馈，具有功率因数可调、高效率的特点，适合用于变频恒速发电系统中[3-5]。
本课题在此背景下主要研究把无刷双馈电机用于风力发电，如何实现对它的控制，使无刷双馈电机在风速变化、风速恒定和负载波动的情况下发出频率恒定的电能。
1 无刷双馈发电机转子侧数学模型分析
首先将同步旋转的d-q坐标系的d轴定向于定子磁链矢量的方向[6]，可推导得出：
由以上结论可知，双馈电机的电磁转矩与有功功率与定子电流q轴分量isq是呈线性关系，而有功功率和无功功率分别得到解耦，分别与isq和isd有线性关系。通过控制isd可以控制双馈电机定子侧的无功功率，而控制isq则可以控制双馈电机有功功率和电磁转矩。因此通常也将isq称为定子电流的转矩分量，而将isd称为定子电流的励磁分量。
电压耦合项为：
以上详细推导了基于定子磁链定向适量控制的关系式。于稳态情况下，一般让定子的磁链保持不变，此时，双馈电机的电磁转矩与有功功率都和isq且与irq成正比关系，转子励磁及无功功率则由ird决定。为了实现有功功率与无功功率的完全解耦控制，需要设计d轴和q轴的PI环节，再进而利用前馈补偿的方法，消除电压的两个耦合项△urd和△urq，从而达到完全解耦的目的。
2 无刷双馈发电机电网侧控制策略研究
2.1 网侧PWM变换器数学模型
由网侧PWM变换器结构图[7]可以得出以下关系式：
由基尔霍夫电流理论可知，在三相且无中线的系统中，三相电流和等于零，稳态时，电网电压的三相对称，三相电压之和也为零。从而可推到出由abc静止坐标系变换到d-q同步旋转坐标系下的定子侧PWM变换器数学模型为：
式中，ud、uq分别是电网电压d轴、q轴分量，id、iq分别是网侧输入电流的d轴和q轴分量，ω1为电网电压同步角速度。
2.2 网侧PWM变换器的控制策略
采用以直轴电网电压矢量定向的控制策略。网侧输入的有功功率和无功功率表达式：
由式(9)可得出出，电网电压矢量幅值不变时，网侧变换器输入有功功率的大小可由控制网侧变流器输入电流的d轴分量控制，变换器输入的无功功率的大小可由控制网侧变流器输入电流q轴分量控制。当Pg＞0时，表示网侧PWM变换器工作于整流状态下，能量从电网流入网侧PWM变换器，当Pg＜0时，则表示网侧PWM变换器工作于逆变状态下，能量从直流环节再经网侧PWM变换器返回电网。当Qg＞0时，网侧PWM变换器向电网输入滞后的感性无功，当Qg＜0时，网侧PWM变换器从电网吸收滞后的感性无功。
3 仿真模型与结果分析
3.1 仿真模型建立
应用Matlab/Simulink建立了无刷双馈电机控制的仿真模型真模型，如图1所示。
3.2 仿真结果
3.2.1 恒定风速仿真
在无刷双馈电机给定的风速为10m/s，发电机输出电能供给电阻值为25Ω的负载，风力发电机的无功功率给定为0Var的情况下，仿真结果如图所示。
从图2~3可看出电机启动30s后有功可以达到3kW，而无功维持在0Var附近。另外，发电机输入的机械转矩与电磁转矩（如图4）在0.3秒内达到平衡，电机很快进入稳态运行。
3.2.2 变风速仿真
在t=3s时，风速由12m/s降为7m/s；在10s处，风速又由7m/s变回为12m/s，其他条件与恒风速下相同。从图5可看出，风速由12m/s变为7m/s，输出有功功率由6kW跌落到2.5kW,10s时，风速恢复到12m/s，输出的有功功率增加到初始状态。无功功率也基本维持0Var，在我的模型仿真结果还可以看到电磁、机械转矩和转子角速度电压和电流都在40s后逐渐恢复到初始状态，达到了系统要求的误差控制。
3.2.３ 负载波动仿真
给定额定风速12m/s，无功功率0Var，系统负载在20s时变化，从50Ω变为25Ω。有功功率和转子角速度如图5~6。
从有功功率波形可看出，负载的变化影响了风机的输出有功功率。负载为50Ω时，最大功率为5kW，负载为25Ω时，最大功率为6kW。转子角速度也有180rad/s降为150rad/s，因此可知负载变小，风机转速也变小了。
4 结语
针对无刷双馈电机风力发电在恒定风速、变风速和负载波动三种情景下的仿真结果，最终仿真结果证明风力机和无刷双馈发电机的功率是平衡的，因此这种控制策略能够应用。且他们是同轴系统，转矩也实现了平衡，从而使扭力为0，减少了发电机的损耗。又无刷双馈电机的无功功率给定值为0，而我们的实验结果也近乎为0，两者近似相等为0，说明无刷双馈风力发电机不输出无功功率，从而实现了功率输出最大化的目的，发电机输出的电压电流波形也均为正弦波形，对系统参数实现误差控制。而负载的波动会影响发电机的最大功率工作状态，让我们有效的使用调节风力发电机。这些都与我们提出的控制策略的初衷吻合，证明了无刷双馈电机在风力发电中的优势。
本文仅对无刷双馈电机在风力发电中作电动机用的几种控制策略进行了研究和仿真实验，而世界上目前对无刷双馈风力发电机用的控制策略研究尚处于探索阶段，但是参考无刷双馈电动机的控制策略，也可以得到一些有益的启示。
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参考文献
［１］熊锦民.我国风力发电产业发展现状及展望[J].科技创新导报,2008,10(6):132-133.
［２］迟远英,张少杰,李京文.国内外风电发展现状[J].生产力研究,2008(18):75-76.
［３］张志刚,王毅,黄守道,等.无刷双馈电机在变速恒频风力发电系统中的应用 [J].电气传动,2005,35(4):61-64.
［４］彭冠炎.无刷双馈电机及其直接转矩控制的研究[D].广州:华南理工大学,2010.
［５］戴高昕.风力发电相关问题研究[J].绿色科技,2011,8.
［６］向大为.双馈感应风力发电机特殊运行工况下励磁控制策略的研究[D].重庆:重庆大学电气工程学院,2006.
［责任编辑：邓丽丽］