開繞組無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤直接轉(zhuǎn)矩模糊控制研究

張鳳閣　朱連成，2　金　石　于思洋

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院　沈陽　110870 2.遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院　鞍山　114051)

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開繞組無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤直接轉(zhuǎn)矩模糊控制研究

張鳳閣1朱連成1，2金石1于思洋1

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院沈陽110870 2.遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院鞍山114051)

基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤原理，結(jié)合無刷雙饋電機(jī)無電刷和集電環(huán)的特殊結(jié)構(gòu)及采用雙定子磁場調(diào)制使得所需變流器容量更小的特點(diǎn)，提出了一種由雙兩電平變流器拓?fù)錁?gòu)造三電平饋電的開繞組策略，闡述了無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤、開繞組策略及直接轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等各部分工作原理，進(jìn)而利用Matlab/Simulink仿真軟件，搭建了無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制繞組采用雙兩電平SVPWM變流器饋電實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的開繞組直接轉(zhuǎn)矩模糊控制模型，并進(jìn)行了詳細(xì)的性能仿真，最后，通過無刷雙饋電機(jī)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺，證實(shí)了所提開繞組策略的正確性和可行性，為進(jìn)一步研發(fā)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺及相關(guān)控制策略提供了良好的參考與借鑒。

無刷雙饋電機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤開繞組雙兩電平變流器直接轉(zhuǎn)矩控制模糊控制

0　引言

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活對電能需求量和電能質(zhì)量不斷提高，蘊(yùn)藏量十分豐富的風(fēng)能因其綠色、清潔、無污染和可再生等優(yōu)點(diǎn)，使風(fēng)力發(fā)電在資源可持續(xù)發(fā)展和社會效益方面具有巨大優(yōu)勢。而伴隨著電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，風(fēng)電技術(shù)又重新獲得了能源開發(fā)和利用領(lǐng)域的極力推崇，正越來越引起世界范圍的關(guān)注與大力投入[1-6]。

采用無刷雙饋電機(jī)(Brushless Doubly-Fed Machine，BDFM)的變速恒頻(Variable-Speed Constant-Frequency，VSCF)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，因電機(jī)結(jié)構(gòu)上無電刷和集電環(huán)、可靠性高，免維護(hù)，采用的雙定子磁場調(diào)制機(jī)理，具有更寬的調(diào)速范圍，可以靈活運(yùn)行在亞同步、同步、超同步和異步等工況，加之所需變流器容量僅為電機(jī)容量的一部分[7]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同容量感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)等所需的全容量電力電子變流裝置，使其總體成本較低，因此，具有比有刷雙饋發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等非常明顯的發(fā)展空間與優(yōu)勢，且能夠更好地應(yīng)用在大容量海上風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電和船舶軸帶發(fā)電等更加惡劣的工作場所。

目前，針對無刷雙饋電機(jī)及其風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，文獻(xiàn)[8，9]詳細(xì)論述了電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)的性能比較和功率特性分析，文獻(xiàn)[10-14，15-23，25，29，30]分別針對同步電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了包括系統(tǒng)建模、矢量控制、功率分析與轉(zhuǎn)矩控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等方面的研究，但因其采用單兩電平變流器饋電，難以應(yīng)用在MW級以上等大容量系統(tǒng)。同時(shí)，鑒于文獻(xiàn)[23，24]等所提的單三電平變流器存在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、直流環(huán)節(jié)電容量大、功率開關(guān)等級要求高等缺點(diǎn)，本文提出了一種由雙兩電平SVPWM變流器構(gòu)造三電平饋電[26-28]的開繞組無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)直接轉(zhuǎn)矩控制策略，詳細(xì)分析了開繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原理及優(yōu)點(diǎn)，并針對雙兩電平SVPWM協(xié)調(diào)控制的變流器開關(guān)策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，進(jìn)而，基于Matlab/Simulink仿真軟件，搭建了系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行了詳細(xì)仿真分析，最后通過無刷雙饋電機(jī)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果證實(shí)了所提控制策略的正確性和可行性：既獲得了三電平變流器饋電的優(yōu)越性能，又有效避免了傳統(tǒng)單三電平變流器饋電的缺陷，為進(jìn)一步開發(fā)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺及后續(xù)相關(guān)控制策略的研究提供了較好的參考與借鑒。

1　無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤

1.1無刷雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型

無刷雙饋電機(jī)采用兩套極數(shù)不同的定子繞組共同作用實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)制。其中，功率繞組(Power Winding，PW)，又稱主繞組，一般直接接工頻電網(wǎng)(頻率為fp，極對數(shù)為pp)，控制繞組(Control Winding，CW)，又稱副繞組，則通過變流器(頻率為fc，極對數(shù)為pc)接電網(wǎng)。和調(diào)制模式下BDFM電源頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速nr和極對數(shù)之間的關(guān)系為[7-9]。

(1)

式中，當(dāng)功率繞組和控制繞組電源相序相同時(shí)取“-”號，相序相反時(shí)取“+”號。可見，BDFM作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，只要根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速nr及時(shí)調(diào)節(jié)控制繞組的電源頻率fc，就能夠確保功率繞組向電網(wǎng)饋送工頻電能。因此，BDFM非常適用于VSCF發(fā)電等復(fù)雜工況使用。

磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋磁阻電機(jī)(Brushless Doubly-fed Reluctance Machine，BDFRM)兩相轉(zhuǎn)子(d，q)坐標(biāo)系中的電壓方程[7]為

(2)

磁鏈方程為

(3)

式中，下標(biāo)字母“p”、“c”及“d”、“q”分別表示定子功率繞組、控制繞組參數(shù)及其d、q軸分量；p表示微分算子。

1.2無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤

由無刷雙饋電機(jī)構(gòu)成的傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，包括風(fēng)力機(jī)、齒輪增速箱、以功率繞組和控制繞組分別表示的無刷雙饋發(fā)電機(jī)、控制繞組網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)兩組可逆變流器、三相工頻電網(wǎng)等。工作中，由風(fēng)力機(jī)經(jīng)齒輪增速箱連接帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，及時(shí)調(diào)整向控制繞組饋電的變流器電源頻率fc以適應(yīng)轉(zhuǎn)速變化，確保電機(jī)向電網(wǎng)回饋正弦工頻電能。

圖1　變速恒頻無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1　VSCF brushless doubly-fed wind power generator system

要使風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)捕獲最大風(fēng)能、回饋?zhàn)畲箅娔?，必須分析風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)不同轉(zhuǎn)速下的功率輸出特性。由貝茲理論可知風(fēng)力機(jī)所能輸出的機(jī)械功率Pm為

(4)

式中，ρ為空氣密度(kg/m3)；R為風(fēng)機(jī)葉輪半徑(m)；vw為風(fēng)速(m/s)；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)，滿足

(5)

其中

(6)

電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系為

nr=Nnt

(7)

式中，ωt、nt和nr分別為風(fēng)輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度和轉(zhuǎn)速；N為齒輪箱的增速比。

選擇某風(fēng)力機(jī)參數(shù)為：起動風(fēng)速2.5 m/s，額定風(fēng)速12 m/s，工作風(fēng)速3～25 m/s，額定轉(zhuǎn)速100 r/min，額定功率50 kW，風(fēng)輪機(jī)直徑12.5 m。由式(5)～式(7)，取空氣密度為1.23 kg/m3，齒輪箱增速比為5.2，得到圖2所示的風(fēng)力機(jī)特性曲線。其中圖2a為不同槳距角對應(yīng)的Cp-λ關(guān)系曲線，可見，Cp的最大值隨著槳距角β的增大而減小，當(dāng)β=0°時(shí)，獲得最佳葉尖速比λ=8.1，對應(yīng)的最佳風(fēng)能利用系數(shù)Cp=0.48。從充分利用風(fēng)能的角度來看，β值應(yīng)盡可能小，當(dāng)實(shí)際風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)為捕獲最大功率，常將β設(shè)為0°。圖2b為不同風(fēng)速時(shí)風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，可見，任一風(fēng)速下功率曲線都有一個(gè)最大功率吸收點(diǎn)，因此，只要能夠根據(jù)風(fēng)速變化實(shí)時(shí)調(diào)整BDFRG轉(zhuǎn)速，使之跟蹤不同最大功率點(diǎn)對應(yīng)轉(zhuǎn)速，即可實(shí)現(xiàn)無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的MPPT，從電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的角度來說，只要能使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩準(zhǔn)確快速地跟蹤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩給定值，即可獲得MPPT效果。

圖2　風(fēng)力機(jī)特性曲線Fig.2　Characteristics curve of wind turbine

2　無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)開繞組直接轉(zhuǎn)矩模糊控制策略

2.1雙兩電平變流器饋電開繞組策略

將圖1中控制繞組原為星形聯(lián)結(jié)(三角形聯(lián)結(jié))的一端打開，變成與控制繞組原來三相電源接線端子a1、b1、c1對應(yīng)的三個(gè)新接線端子a2、b2、c2。由此，得到雙兩電平變流器饋電的控制繞組開繞組策略電路拓?fù)?，如圖3所示。其中，兩個(gè)機(jī)側(cè)變流器(Machine Side Converter，MSC)，即MSC1的直流母線電壓為Udc/2，相當(dāng)于控制繞組采用傳統(tǒng)的單三電平變流器饋電時(shí)直流母線電壓Udc的一半[23，24]，但卻可以得到單三電平變流器的饋電效果。

圖3　開繞組雙兩電平變流器饋電拓?fù)銯ig.3　Circuit topology of open winding fed with dual two-level converter

此時(shí)，若令電機(jī)控制繞組三相電壓瞬時(shí)值為uca、ucb、ucc，則可以得到其與雙兩電平變流器輸出電壓的矢量關(guān)系，如式(8)所示，即控制繞組相電壓為機(jī)側(cè)兩個(gè)變流器交流側(cè)相電壓之差。

(8)

2.2雙兩電平SVPWM協(xié)調(diào)控制原理

SVPWM控制的兩電平變流器空間矢量如圖4所示。其中，有效電壓空間矢量簡寫為六邊形頂點(diǎn)1～6和1′～6′，零矢量為7、8和7′、8′，其將空間分別等分為①～⑥扇區(qū)。因兩電平變流器具有23=8種開關(guān)組合方式，則雙兩電平變流器共有23×23=64種開關(guān)模式，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單三電平變流器只能產(chǎn)生的33=27種開關(guān)模式。因此，對比傳統(tǒng)的單三電平變流器，采用本文所提開繞組策略時(shí)，不僅完全可以實(shí)現(xiàn)三電平饋電效果，而且開關(guān)冗余度高、容錯性好，同時(shí)又避免了采用單三電平變流器饋電時(shí)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在中性點(diǎn)電位偏移等困難。

圖4　兩變流器的空間矢量Fig.4　The space phasor in each converter

對比傳統(tǒng)的單三電平變流器，長矢量GIKMPR冗余度為1，沒有發(fā)生改變，而中矢量HJLNQS冗余度由1增加到2，短矢量ABCDEF冗余度由2增加到6，零矢量冗余度由3增加到10，亦即總開關(guān)矢量由6+6+12+3=27增加到6×1+6×2+6×6+1×10=64，顯然，開關(guān)冗余度大大增加，容錯性獲得較大改善。

下面以雙兩電平變流器合成電壓矢量14′為例，說明開關(guān)導(dǎo)通及電壓矢量合成關(guān)系，對照圖3得到此時(shí)的電路拓?fù)淙鐖D5b所示。根據(jù)式(8)，得到電機(jī)控制繞組a相電壓如式(9)所示，這與傳統(tǒng)單三電平變流器a相軸系對應(yīng)的長矢量PNN(或1-1-1)一致。

(9)

圖5　雙兩電平變流器電壓空間矢量及開關(guān)狀態(tài)分析Fig.5　Converter space vector combined with dual two-level converters and analysis of 14′

由式(8)可知，若選擇兩個(gè)變流器的參考電壓空間矢量如式(10)所示。

(10)

可見，工作中只要能夠保證兩個(gè)變流器的參考電壓相量的幅值大小相等，且均為電機(jī)控制繞組所需參考電壓的一半，而相位相反，即可實(shí)現(xiàn)雙兩電平SVPWM協(xié)調(diào)控制變流器饋電的開繞組策略。

2.3無刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

無刷雙饋電機(jī)在靜止參考坐標(biāo)系中的磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系如圖6所示，根據(jù)其雙定子磁場調(diào)制機(jī)理，可知磁鏈?zhǔn)噶喀穚c與Ψc共同以控制繞組電流角頻率ωc旋轉(zhuǎn)，兩者相對靜止。

圖6　靜止坐標(biāo)系中定子磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系Fig.6　Relationship between flux vectors in the stationary frame

可以得到與感應(yīng)電機(jī)相似的電磁轉(zhuǎn)矩為[15]

(11)

式中，Lp、Lc和Lpc分別為三相定子繞組電感及互感。

無刷雙饋電機(jī)的定子功率繞組和控制繞組分別相當(dāng)于感應(yīng)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組，由電壓平衡方程可得兩套定子繞組的磁鏈?zhǔn)噶喀穚、Ψc與電壓矢量up、uc和電流矢量ip、ic關(guān)系為

(12)

根據(jù)恒壓恒頻(Constant Voltage and Constant Frequency，CVCF)的發(fā)電要求，up的幅值和頻率應(yīng)是恒定的，如果忽略定子功率繞組電阻壓降Rpip的影響，則可認(rèn)為Ψp的幅值和轉(zhuǎn)速(或頻率)也是恒定不變的。同理，得到忽略控制繞組壓降時(shí)電壓表達(dá)式為

(13)

(14)

圖7　控制繞組電壓矢量與磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系Fig.7　Relation between control winding voltage vector action and flux vector

從圖7可以看到第一扇區(qū)內(nèi)電壓矢量uc2、uc6和uc3、uc5對磁鏈?zhǔn)噶康淖饔眯Ч?。若控制繞組電壓矢量在其他扇區(qū)時(shí)，同樣也可以得到用于磁鏈滯環(huán)控制的合適電壓矢量，因此，可以得到控制繞組各扇區(qū)中的電壓適量開關(guān)選擇[15]。同理，電磁轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)控制與此相似。

2.4直接轉(zhuǎn)矩控制變量給定與參數(shù)估計(jì)

功率繞組的無功功率[29]

(15)

式中，按最大功率因數(shù)原則，應(yīng)有式(15)Qp=0，得到控制繞組電流d軸分量icd，代入控制繞組磁鏈

Ψc=Ψcd+jΨcq=(σLcicd+Ψpc)+jσLcicq

(16)

即可得到控制繞組的磁鏈給定值，即

而電磁轉(zhuǎn)矩的給定既要求實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，又能完成功率繞組輸出電壓的并網(wǎng)前調(diào)節(jié)，如式(18)所示。

(18)

3　控制系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)

3.1控制系統(tǒng)仿真模型

圖8　控制系統(tǒng)框圖Fig.8　The diagram of control system

3.2系統(tǒng)仿真分析

BDFRG樣機(jī)參數(shù)為：額定電壓380 V，額定功率42 kW，功率繞組極對數(shù)3，控制繞組極對數(shù)1，功率繞組電阻0.166 2 Ω，控制繞組電阻0.188 2 Ω，功率繞組自感17.37 mH，控制繞組自感23.51 mH，定子繞組互感18.13 mH，轉(zhuǎn)動慣量0.3 kg·m2。

設(shè)系統(tǒng)槳距角為0°，給定風(fēng)速為4 s時(shí)從7.4 m/s階躍到9.3 m/s，在6 s時(shí)再階躍到11.1 m/s，對應(yīng)的BDFRG轉(zhuǎn)速應(yīng)分別為600 r/min、750 r/min和900 r/min，即分別處于亞同步速、同步速和超同步速狀態(tài)，則BDFRG控制繞組的頻率分別應(yīng)為10 Hz、0 Hz 和-10 Hz，其中，-10 Hz表示此時(shí)控制繞組電壓變?yōu)榉聪嘈颉?/p>

部分仿真結(jié)果如圖9～圖18所示。其中，設(shè)直流母線電壓Udc=300 V。圖9為經(jīng)風(fēng)力機(jī)齒輪箱增速后的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定值和轉(zhuǎn)速跟蹤值，穩(wěn)態(tài)值分別為600 r/min、750 r/min和900 r/min，對應(yīng)給定風(fēng)速的7.4 m/s、9.3 m/s和11.1 m/s，可見，轉(zhuǎn)速跟蹤效果較好。圖10為根據(jù)MPPT原理得到的系統(tǒng)最大功率參考值與功率點(diǎn)跟蹤波形，可見，功率跟蹤效果較好。圖11為BDFRG功率繞組和控制繞組頻率波形，fp為50 Hz，fc分別為10 Hz、0 Hz及-10 Hz，即對應(yīng)BDFRG亞同步、同步和超同步狀態(tài)。圖12為控制繞組相電壓給定值及局部放大波形，頻率分別為10 Hz和-10 Hz。圖13為控制繞組開繞組A相變流器-1輸出電壓局部放大波形，為兩電平電壓輸出，幅值電壓為150 V。圖14為控制繞組開繞組A相變流器-2輸出電壓的局部放大波形，同樣為兩電平電壓輸出，幅值電壓為150 V。圖15為控制繞組開繞組的A相雙變流器拓?fù)錁?gòu)造三電平饋電的輸出電壓局部放大波形，可見，輸出電壓為三電平。圖16為控制繞組開繞組的AB兩相雙變流器輸出線電壓局部放大波形，由圖15和圖16可知，所提雙兩電平變流器饋電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)單三電平變流器饋電效果相似，即相電壓為三電平，而線電壓為五電平。圖17為功率繞組線電壓局部放大波形，頻率為50 Hz，幅值約為530 V；圖18為電磁轉(zhuǎn)矩參考及跟蹤波形與局部放大，可見，電磁轉(zhuǎn)矩性能較好，以確保實(shí)現(xiàn)MPPT。

圖9　轉(zhuǎn)速給定及轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形Fig.9　Waveform of speed reference and speed response

圖10　最大功率參考及跟蹤波形Fig.10　Waveform of reference and MPPT

圖11　功率繞組和控制繞組頻率Fig.11　Frequency of PW and CW

圖12　控制繞組相參考電壓幅值與基波及局部放大Fig.12　The reference phase voltage amplitude，fundamental of CW and local amplification

圖13　變流器-1相電壓局部放大波形Fig.13　The voltage local amplification of MSC1 in phase a

圖14　變流器-2 a相電壓局部放大波形Fig.14　The voltage local amplification of MSC2 in phase a

圖15　控制繞組a相電壓局部放大波形Fig.15　The voltage local amplification of CW in phase a

圖16　控制繞組ab兩相線電壓局部放大波形Fig.16　The line voltage local amplification of CW between phase a and b

圖17　功率繞組線電壓局部波形Fig.17　The line voltage of PW

圖18　電磁轉(zhuǎn)矩參考及跟蹤波形及局部放大波形Fig.18　The torque reference，tracking and its local amplification

3.3控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

圖19所示為系統(tǒng)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺，包含雙兩電平背靠背可逆變流器、功率分析儀、示波器和隔離電抗器、濾波電容等。參照圖1、圖3和圖8，依據(jù)系統(tǒng)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺，對系統(tǒng)進(jìn)行亞同步速和超同步速發(fā)電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖20～圖22所示。其中，圖20和圖21為控制繞組開繞組時(shí)的A相電壓、AB線電壓波形，各分圖分別對應(yīng)于BDFRG亞同步速600 r/min時(shí)和超同步速900 r/min時(shí)的波形。可見，控制繞組相電壓和線電壓實(shí)驗(yàn)波形與圖15、圖16的仿真結(jié)果相似，即與傳統(tǒng)的單三電平變流器饋電時(shí)相同，而母線電壓為傳統(tǒng)三電平變流器的一半。

圖19　系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺Fig.19　The experimental platform

圖20　控制繞組a相電壓波形Fig.20　The voltage of CW in phase a

圖21　控制繞組線電壓波形Fig.21　The voltage of CW between phase a and b

圖22　功率繞組A相電壓和電流波形Fig.22　The voltage and current of PW in phase a

由無刷雙饋電機(jī)功率傳遞關(guān)系可知，顯然，圖22a對應(yīng)BDFRG的亞同步速單饋狀態(tài)，即功率繞組吸收的機(jī)械功率和控制繞組通過變流器從電網(wǎng)吸收的電磁功率扣除各種損耗后，都轉(zhuǎn)化成了功率繞組側(cè)電磁功率實(shí)現(xiàn)電能的饋送；圖22b對應(yīng)BDFRG的超同步速雙饋狀態(tài)，即功率繞組吸收機(jī)械功率實(shí)現(xiàn)電能饋送，同時(shí)控制繞組吸收的機(jī)械功率扣除相關(guān)損耗后，一部分轉(zhuǎn)化為功率繞組側(cè)的電磁功率，另一部分則轉(zhuǎn)化為控制繞組側(cè)的電磁功率通過變流器實(shí)現(xiàn)電能饋送。

4　結(jié)論

本文的系統(tǒng)主電路基于目前普遍采用的成熟兩電平變流器，實(shí)現(xiàn)雙兩電平變流器拓?fù)錁?gòu)造三電平饋電的開繞組控制策略，結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，既可以使得雙變流器直流環(huán)節(jié)電壓降低、直流電容容量減小、開關(guān)冗余度提高、容錯性良好，電機(jī)控制繞組相電壓和線電壓分別為三電平和五電平，同時(shí)又能有效避免傳統(tǒng)三電平變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、直流環(huán)節(jié)電壓高、直流電容容量大及中點(diǎn)電位偏移等弊端。通過理論分析和仿真建模及半實(shí)物仿真試驗(yàn)研究，結(jié)果證明了所提的開繞組無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤雙兩電平SVPWM變流器饋電的直接轉(zhuǎn)矩模糊控制策略的正確性和有效性，為進(jìn)一步開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺及研究直接功率控制等相關(guān)策略提供了較好的參考與借鑒。

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Research on the Maximum Power Point Tracking of Brushless Doubly-Fed Wind Power Generator with Open Winding Direct Torque Fuzzy Control Strategy

Zhang Fengge1Zhu Liancheng1，2Jin Shi1Yu Siyang1

(1. School of Electrical EngineeringShenyang University of TechnologyShenyang110870China 2. School of Electronic and Information EngineeringUniversity of Science and Technology Anshan114051China)

Based on the principle of wind power generator maximum power point tracking (MPPT)，combined with the special structure of brushless doubly-fed machine，which does not have brushes and slip rings，and allowing for the adopted double stator magnetic field modulation method，so that the capacity of required converters is smaller，then a novel scheme of direct torque control and fuzzy control inn brushless doubly-fed generator system is proposed，which the control winding is opened and fed with dual two-level converters. The principles of each part，i.e. the maximum power point tracking，the open winding strategy，the direct torque control，and the fuzzy control are all explained in detail. Then the MPPT of brushless doubly-fed wind power generators with the open winding direct torque fuzzy control strategy model，i.e. the control winding is fed with dual two-level SVPWM converters，is built and researched using the Matlab/Simulink software. The excellent performances are obtained by the simulation results. Finally，the correctness and feasibility of the proposed strategy are confirmed by the semi-physical simulation experimental platform，which can provide a good reference to further develop the semi-physical simulation experimental platform and the related control strategies.

Brushless doubly-fed machine，maximum power point tracking，open winding，dual two-level converters，direct torque control，fuzzy control

2014-11-03改稿日期2015-01-12

TM614

張鳳閣男，1963年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制和新能源技術(shù)。

E-mail：zhangfg@sut.edu.cn

朱連成男，1979年生，博士研究生，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動、無刷雙饋電機(jī)及其控制、新能源發(fā)電技術(shù)和有源電力濾波器技術(shù)及應(yīng)用等。

E-mail：zhuliancheng@163.com(通信作者)。

國家自然科學(xué)基金(51537007、51277124)、歐盟國際合作項(xiàng)目(318925)和遼寧科技大學(xué)青年基金(2012QN29)資助項(xiàng)目。