****風能跟蹤控制的無刷雙饋風力發電系統仿真研究

    梁中華，肖竹，楊霞

    (沈陽工業大學，遼寧沈陽110870)

    摘要：文章提出了一種BDFM風力發電系統的****風能跟蹤控制方法。該方法從BDFM風力發電系統運行原理小發，研究了 BDFM轉子dq軸系定向數學模型，采用P1控制器對有功功率和無功功率進行解耦控制并采用svPwM技術控制可逆矩陣變換器，實現****風能跟蹤控制。并對該系統進行了Matlah建模與仿真。真結果表明，****風能跟蹤控制可以使系統的有功功率快速地跟蹤風速的變化，實現了風力發電系統功率的解控制，證明了控制算法的有效性。

    關鍵詞：無刷雙饋電機；****風能跟蹤控制；風力發電；

0引言

    近幾年，在我國風力資源豐富的地區已建成許多大規模的風電場，而雙饋式異步發電機以其具有變速恒頻、變流器容量小等優點被廣泛的應用于風力發電系統中。在此基礎上，無刷雙饋電機(Bmshless Doublv—fed Machine，簡稱BDFM)不僅具有雙饋發電機的所有優點，且實現了無刷化，具有高可靠性和低維護性的特點。為了使無刷雙饋電機向商業風力發電的應用上發展，電機必須得到充分的控制，工作在一個特定的軸轉速風力條件下，從而獲得****功率輸出。

1****風能跟蹤控制原理

    對于風力發電機而言，機械輸出功率P通常表

示為

 

其中：G是風力發電系數，p是空氣密度，v是風速，r是渦輪半徑。由給定渦輪機的高速特性曲線可以得到****跟蹤控制的****風能捕獲量。風力發電機組的特性曲線如圖1所示。其中有最人風能的****軌跡，跟蹤控制的目標是隨著風速變化保持渦輪的軌跡在這條曲線上。

 

 

    ****功率和軸轉速之間的關系可以表示為

   

 

當風速大于額定值時，渦輪獲取能量是受限的，而當低于額定值時，機械能量表現如式(2)。動態調整過程如下。在每個控制周期內，測量無刷雙饋電機的軸轉速，并且理想輸出功率通過****曲線給出。圖1中，如果無刷雙饋電機運行在“A”點上，風速由“A”點增大到“B”點，額外功率和轉矩引起電機加速，加速轉矩不同于渦輪機械轉矩和由有用功率定義的轉矩。最后電機將達到“c”點，此時期望功率等于風對渦輪產生的****功率。當風速減小時，與上面情況類似。

2 BDFM風力發電系統運行原理

圖2為無刷雙饋風力發電系統的結構。它包含風力發電機組，齒輪箱和無刷雙饋電機。無刷雙饋電機是一種交流勵磁機，具有特殊的結構和性能，類似與同步電機，其優勢是功率因數可調，通過控制風力降低變頻器等級要求，這些都大大地降低惡劣系統成本。因此，無刷雙饋電機是最適合于變速恒頻風力發電系統，其中轉子速度可以在次同步和超同步速度下運行。

 

 

無刷雙饋電機的定子繞組由兩部分組成，一個是電源繞組直接連接到電網，另一個是控制繞組通過雙向變頻器連接到電網。轉子是鼠籠型，沒有電刷和滑環。轉子極對數應等于兩個定子繞組的總極對數。Pp和Pc分別代表功率繞組和控制繞組極對數。功率繞組頻率如下：

 

 

由式(3)可知，當電機轉子轉速珥隨風速v變化時，控制勵磁繞組的輸入電流頻率fc則可使功率繞組輸出頻率f保持不變，從而實現風力系統變速恒頻發電。

3 BDFM數學模型

由于BDFM的轉子采用鼠籠結構，則在轉子d—q軸系下，BDFM的電壓方程式(4)所示。

 

 

式中：R_p，L_p，L_pr L分別為功率繞組的電阻、自感和與轉子之間的互感；r_C，L_C，L_Cr為控制繞組的電阻、自感和與轉子之間的