無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略與實現(xiàn)

文偉，黑開偉

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2.武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075）

0 引言

能源對于國家建設(shè)的重要性不言而喻。隨著工業(yè)革命的發(fā)生和推進(jìn)，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重的能源問題，一方面是一次能源的掠奪式開發(fā)，另一方面是二次能源和物質(zhì)的極大浪費(fèi)，這些現(xiàn)象的發(fā)生對于全球可持續(xù)發(fā)展提出了嚴(yán)峻的考驗。基于此，解決能源問題必須要從兩個方面入手，第一要解決能源浪費(fèi)問題，主要涉及到各種生產(chǎn)性設(shè)備的技術(shù)改進(jìn)以及普通用電、耗能領(lǐng)域的優(yōu)化，第二是積極開發(fā)綠色能源，尋求可再生的替代能源，從而在源頭上實現(xiàn)能源生產(chǎn)的多元化發(fā)展。風(fēng)能作為清潔能源和可再生能源近年來受到了各國的重視，對其生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行研究也成為了各國提升競爭力的主要手段。

1 無刷雙饋發(fā)電機(jī)發(fā)展概述

無刷雙饋發(fā)電機(jī)是在級聯(lián)發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上研制而成的，相比傳統(tǒng)的級聯(lián)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、動率強(qiáng)大、同步異步高集成度等技術(shù)優(yōu)勢。級聯(lián)機(jī)的運(yùn)行要依靠兩臺異步電機(jī)，并且這兩臺電機(jī)的組合需要由Hunt進(jìn)行連接，通過將兩臺電機(jī)的定子繞組進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以為電機(jī)無刷化發(fā)展提供實施依據(jù)。自級聯(lián)機(jī)是在級聯(lián)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，其定子和轉(zhuǎn)子都具有各自的繞組結(jié)構(gòu)，并且形成不同的極對數(shù)。后期在對自級聯(lián)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)時，研制出一種鼠籠式導(dǎo)條轉(zhuǎn)子，這種轉(zhuǎn)子與自級聯(lián)機(jī)的不同之處在于兩者導(dǎo)條分布的巨大差異。在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，新型轉(zhuǎn)子能夠使磁路中產(chǎn)生兩個技術(shù)不同的磁場，經(jīng)過途徑實現(xiàn)能量的高效傳遞。這種能量傳遞方式和變頻器相結(jié)合就是無刷雙饋發(fā)電機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)。

無刷雙饋發(fā)電機(jī)的雙饋原理為：當(dāng)能量通過變頻器向電網(wǎng)回饋時，電機(jī)的運(yùn)行模式處于亞同步級別，而當(dāng)電網(wǎng)通過變頻器將能量向電機(jī)輸送使，其運(yùn)行模式處于超同步狀態(tài)。隨著技術(shù)的發(fā)展和設(shè)計理念的轉(zhuǎn)變，關(guān)于無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究呈現(xiàn)出繁盛趨勢，主要的研究方向為建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型、電機(jī)應(yīng)用特征、電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機(jī)控制策略等。我國對于無刷雙饋電機(jī)的研究相對較晚，并且存在實際應(yīng)用上的局限性，需要作出大量的研究以充實該領(lǐng)域的理論建設(shè)和實踐依據(jù)?，F(xiàn)行的無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有三個結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，即一個轉(zhuǎn)子繞組和兩個定子繞組，具體結(jié)構(gòu)見圖 1，在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行時，電機(jī)與發(fā)電系統(tǒng)的組合方式一般是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接安裝在轉(zhuǎn)子上，部分發(fā)電裝置是將其運(yùn)用聯(lián)軸器實現(xiàn)與轉(zhuǎn)子的連接。

2 無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略

2.1 對電機(jī)直接扭矩的控制

無刷雙饋發(fā)電機(jī)的控制環(huán)境對系統(tǒng)的動、靜性能有一定的要求，將其利用至風(fēng)力發(fā)電中必須使其符合風(fēng)力發(fā)電的全部功能要求，如發(fā)電功率要求、風(fēng)能捕獲要求等，為此可以考慮使用閉環(huán)控制方式對電動機(jī)直接扭矩進(jìn)行控制。實現(xiàn)扭矩控制的基本模式見圖 2。在實現(xiàn)發(fā)電功率最大化的途徑中，必須要解決風(fēng)能跟蹤和能量轉(zhuǎn)化問題。從目前的研究成果看，實現(xiàn)風(fēng)能控制的有效方式包含爬山搜索法、最佳葉尖速比法以及功率反饋法，這幾種方法各自具有不同的優(yōu)勢和使用環(huán)境。

圖1 無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)單元結(jié)構(gòu)

1）最佳葉尖速比法

這種風(fēng)能跟蹤控制方法應(yīng)用的最有利情況為風(fēng)速能夠被準(zhǔn)確測量情況下的控制，只有實現(xiàn)了這一基準(zhǔn)條件才能對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳葉尖速比進(jìn)行設(shè)定和控制。為了實現(xiàn)對風(fēng)能的最大化跟蹤，需要對風(fēng)速進(jìn)行實時的監(jiān)測，并運(yùn)用葉尖速比計算出發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中的最佳功率和轉(zhuǎn)速。這種方法的局限性在于實時風(fēng)速的測量難度較大，并且由于非線性速率變動影響，不可能非常精確地測得風(fēng)速，這也是目前解決風(fēng)力發(fā)電及空氣流體工程學(xué)諸多問題首要考慮的難點(diǎn)。

圖2 常見扭矩控制模式

2）功率反饋法

功率反饋法通過測量發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速以及輸出功率獲得電機(jī)運(yùn)行的實際轉(zhuǎn)速。該控制方法的優(yōu)勢在于對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速進(jìn)行了有機(jī)的整合，使兩者在統(tǒng)一度量尺度下運(yùn)行，實現(xiàn)了由功率曲線的觀測獲取實時風(fēng)速的功能，并在此基礎(chǔ)上確定出最佳功率點(diǎn)。但是由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率曲線存在較大的差異性，因此在計算不同電機(jī)的功率曲線時存在一定的技術(shù)難度，限制了功率反饋法的普及度。

3）爬山搜索法

爬山搜索法是在對前兩種控制方式進(jìn)行整個以及技術(shù)改進(jìn)的基礎(chǔ)上設(shè)計出來的新型風(fēng)能跟蹤控制方法，能夠有效克服最佳葉尖速比法存在的實時風(fēng)速測定問題以及功率反饋法存在的功率曲線計算問題。爬山搜索法的控制原理是通過對電機(jī)施加一定程度的加速擾動，并對電機(jī)功率變動趨勢進(jìn)行觀測研究，進(jìn)而找出最佳轉(zhuǎn)速點(diǎn)。

爬山搜索法的實施途徑為以下內(nèi)容，將兩個相鄰時刻電機(jī)采樣功率相減，得出變化功率，如果該變化功率為負(fù)數(shù)，則將轉(zhuǎn)速擾動指令設(shè)置為與原始擾動指令相反的符號；如果變化功率為正數(shù)，則使轉(zhuǎn)速擾動指令保持原來狀態(tài)，對這一時刻的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置就可以參考上一周期轉(zhuǎn)速擾動指令和轉(zhuǎn)速參考值兩項內(nèi)容。

2.2 無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率控制

無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)對于功率的控制系統(tǒng)主要包含以下幾個方面。第一是功率觀測器，這部分的構(gòu)件主要是實現(xiàn)對電機(jī)繞組子系統(tǒng)具體指標(biāo)的測定，包括電流和電壓的實時測量，并通過運(yùn)算得出輸出功率的最佳值；第二是磁鏈觀測器，該部分功能要對功率磁鏈值進(jìn)行測量，并通過位置角的設(shè)定為計算繞組頻率奠定基礎(chǔ)；轉(zhuǎn)速控制器，傳統(tǒng)的功率控制器存在很大的功率耗損，轉(zhuǎn)速控制器能夠選擇合理的模式比較轉(zhuǎn)速值和效率最高狀況下的轉(zhuǎn)速，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)最佳控制；功率控制器，主要是對比無功功率參考值和實際值之間的差異，并通過實時控制輸出與差異相對應(yīng)的繞組分流參考值；補(bǔ)償計算單元，該單元實現(xiàn)對電壓解耦項的補(bǔ)償性運(yùn)算，從而獲得最佳的運(yùn)行控制電壓；電流調(diào)節(jié)器，該結(jié)構(gòu)控制功能較為多樣，并且其控制內(nèi)容涉及到電機(jī)的關(guān)鍵參考值，因此在具體設(shè)計時給予充分的關(guān)注。其控制內(nèi)容有定子繞組無功功率和有功功率情況下的電流參考值、子系統(tǒng)電流分量值等，在對以上要素進(jìn)行控制的前提下輸出電壓分量，并經(jīng)過三相靜止坐標(biāo)系運(yùn)算得出控制指令。

3 結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電是解決當(dāng)前能源枯竭、可持續(xù)發(fā)展問題的有效途徑，在實現(xiàn)具體應(yīng)用時，需要借助先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備和理論支持，因此研發(fā)和改進(jìn)性能優(yōu)良的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)成為開發(fā)風(fēng)能的必然趨勢。當(dāng)前交流調(diào)速系統(tǒng)存在著系統(tǒng)成本高、諧波污染嚴(yán)重等問題，遠(yuǎn)不能滿足先進(jìn)社會發(fā)展的需要，無刷雙饋發(fā)電機(jī)可以有效降低變頻器容量，減少諧波污染，并在最大程度上節(jié)約了系統(tǒng)成本，使電機(jī)能夠安全、可靠、平穩(wěn)運(yùn)行，為風(fēng)力發(fā)電在更大范圍內(nèi)的使用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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