探讨无刷双馈风力发电机的设计、分析与控制

于亮　赵悦彤

【摘 要】文章首先分析了无刷双馈风力发电机的设计方法与分析，包括稳态分析、动态建模、设计优化等，随后介绍了无刷双馈风力发电机的控制策略，包括闭环标量控制、矢量控制、非线性控制等，希望能给相关人士提供一些参考。

【关键词】风力发电；设计分析；控制策略

引言：无刷双馈风力发电机这种类型的设备拥有一个公用的机械端口和两个可以用来进行馈电交流的端口，是一种新型发电机。这种电机能够辅助实现恒频变速运行。因为将传统双馈风力发电机内部结构内电刷集电环彻底去除，所以在一定程度上提高了发电机运行的安全性和稳定性，降低了后期维护修理成本，此外还能够促进无功和有功近似解耦控制，从而被看作是一种能够代替传统双馈发电机的电机产品。

一、无刷双馈风力发电机的设计方法与分析

（一）稳态分析

因为无刷双馈风力发电机是一种正弦波磁场形式的电机设备，因此可以通过单相等效电路对电机的稳定性高进行系统分析。和单馈感应的电机种类不同，无刷双馈风力发电机主要是以二端口网络作为稳态等效电路的。单相等效电路一开始是用来对CDFIG双馈同步转矩实力、运行范围、操作原理以及变换器容量进行研究的。为了能够计及铁耗，学习感应电机关于铁耗分析方法，在稳态等效电路两侧励磁之路并联随着转差率产生铁耗电阻变化时，可以得到一种精准的计算值。

因为NLR-BDFIG中的转子结构的特殊性，从而致使转子绕组出现各种空间谐波，让稳态分析工作的难度进一步加大，通过将导体分布函数的复数形式引入进来，对嵌套环转子的无刷双馈风力发电机转矩和阻抗参数表达式实施深入推导解析。通过空间谐波影响和谐波漏电抗计对无刷双馈风力发电机内部T形串联等效电路模型进行系统整理，同时利用适当变形提取其中的参数。为了判断铁耗影响，补充添加随转差率产生改变的铁耗电阻。尽管在现有的等效电路基础上，可以获得精准的转矩计算值，但依然存定转电分离漏电抗组和转子导体电流无法计算等问题。BDFRG因为转子中不存在绕组，稳态模型和有刷双馈风力发电机存在一定的相似性，因此可以直接通过有刷双馈相关方法进行系统分析。

因为DBFRG和NLR-BDFIG中存在各种空间谐波，可以对电机稳定性进行感应。同时转子绕组内电流利用感应方式诞生，并不适用于计算静磁场，因此无刷双馈风力发电机可以通过瞬态场来求解有限元。在计算时间的过程中还拥有较为严格的场合限制，等效电路法与等效磁路法的优势都较为突出。

（二）動态建模

无刷双馈风力发电机动态建模主要有空间矢量理论、两轴理论与耦合电路理论等方法，但是和传统的交流电机相比，主要有以下几种差异，首先是气隙内拥有两个不同转速的旋转磁场，旋转的方向也完全不同于转子。在通过传统方法进行分析时，存在稳态模型隔离、数学推导不够严谨以及模型阶数高等问题，针对上述问题，通过螺旋矢量理论对无刷双馈风力发电机实施分析和建模。

因为NLR-BDFIG转子中含有数个短路线圈，在全耦合电路模型当中还拥有6+NS阶电压方程，其中S是每一单独模块中的嵌套环数，而N是单元数，通过将双轴模型中的时阶术下降到4+2S，将2+S阶的空间矢量模型负数微分方程实施降阶处理，从而能够获得和CDFIG阶数相同的结果，可以对控制器进行有效设计。BDFRG全耦合电路是六阶实数微分方程，结果最简的是2阶负数的微分方程。

（三）设计优化

无刷双馈风力发电机的优化设计主要是以稳态简化电路为基础，无刷双馈风力发电机早期通常是利用现有同步磁阻电机转子和感应电机冲片，减少部分转矩实力，对绕组进行重新设计。但是相关实践证明，因为无刷双馈风力发电机应该于定子槽中嵌套设置两种极对数不同的定子绕组，现有冲片已经无法维持线负荷，因此无刷双馈线成为一种独立电机结构实施设计。

二、无刷双馈风力发电机的控制策略

（一）闭环标量控制

闭环标量控制拥有成本低和算法简便等突出优势，因此受到了相关研究者的广泛关注。闭环标量控制主要是利用PI控制器对逆变器运行频率进行调节来控制整个电机的转速，结合其他的PI控制器对绕组电流幅度进行调节，控制功率因数。标量控制还可以用于控制无刷双馈风力发电机的运行功率，因为标量控制主要是以稳态管系为基础建立起来的，不能对控制变量之间的动态关系和电磁转矩进行准确描述，同时功率因数和转速也无法全部解耦，为此标量控制方法控制并不能达到满意的效果。

（二）矢量控制

定子磁链控制主要是以无功和有功功率控制基础上，针对CDFIG提出来的，拥有和有刷双馈风力发电机相似的无功、有功解耦功率解耦控制。其中控制绕组的电流分量可以对绕组中的无功功率进行控制，另一部分控制绕组中的有功功率，通过前馈控制实现转子电阻引发交叉耦合的有效补偿。还有部分研究者结合电机自身特点，在简化控制器结构的基础上，通过单级PI控制器对无功功率和转速进行解耦控制，彰显出在风力发电领域中的无限潜力，相同的控制结构也曾应用于BDFRG的控制当中[1]。

（三）非线性控制

无刷双馈风力发电机动态模型十分复杂，虽然通过改善电机自身控制特点和前馈线补偿能够有限转速中无功和有功的解耦控制，但是依然无法获得满意的控制成效，尤其是在电机运行转速和功率绕组同步转速十分接近的条件下。大部分的研究学者曾经尝试把非线性控制这一有效方法应用到无刷双馈风力发电机当中，比如反馈线性控制、滑模控制等[2]。

结语：综上所述，通过对无刷双馈风力发电机进行系统分析和研究后发现，无刷双馈风力发电机更加适合被设计成一种为多极对数中低速型的发电机，从而能够进一步改善发电机转矩整体效率和密度。和传统的结构形式相比，新型的无刷双馈风力发电机主要的突出优势可以从电能质量和转矩密度等方面体现出来，因此成为拥有取代无刷双馈风力发电机的发展潜力。

参考文献：

[1]于思洋.兆瓦级复合转子无刷双馈风力发电机分析与设计方法研究[D].沈阳工业大学，2018.

[2]鞠孝伟，张凤阁.双定子直驱无刷双馈风力发电机设计原则与反电势分析[J].大电机技术，2017（05）：18-21+51.

（作者单位：华能云南富源风电有限责任公司）