無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計、分析與控制

程　明　韓　鵬　魏新遲

(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院　南京　210096)

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無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計、分析與控制

程明韓鵬魏新遲

(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院南京210096)

無刷雙饋發(fā)電機(jī)是一類具有兩個交流饋電端口和一個公共機(jī)械端口的新型發(fā)電機(jī)。該類電機(jī)易于實現(xiàn)變速恒頻運行；由于去除了傳統(tǒng)雙饋發(fā)電機(jī)中的電刷集電環(huán)，具有可靠性高、維護(hù)成本低等優(yōu)點，同時便于實現(xiàn)有功和無功的近似解耦控制，因而被認(rèn)為是最有希望取代現(xiàn)有雙饋發(fā)電機(jī)的一種電機(jī)類型。該文介紹了現(xiàn)有無刷雙饋發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，總結(jié)了它們的共性特點和個性差異以及當(dāng)前研究中存在的問題；從電機(jī)設(shè)計角度對比分析了三種主流無刷雙饋發(fā)電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度；對其分析設(shè)計方法和控制策略進(jìn)行了綜述，討論了不同無刷雙饋發(fā)電機(jī)在控制上的統(tǒng)一性；基于對無刷雙饋電機(jī)設(shè)計、建模與控制方面的研究，提出一種可以改善功率密度的新型雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，并就獨立運行和并網(wǎng)運行兩種不同工況提出了相應(yīng)的控制策略，給出了實驗結(jié)果。最后對該類電機(jī)的應(yīng)用前景和發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

無刷雙饋發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電控制策略設(shè)計分析方法內(nèi)在一致性功率密度轉(zhuǎn)矩密度

0　引言

眾所周知，風(fēng)能已發(fā)展成為第二大可再生能源，并且預(yù)計到2035年，風(fēng)能將承擔(dān)全部新能源發(fā)電總量的25%[1]。其中，海上風(fēng)電憑借風(fēng)能資源充足、風(fēng)速高、無土地侵占問題等天然優(yōu)勢成為未來風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢。然而，高昂的投資成本和復(fù)雜的海上環(huán)境對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)提出了進(jìn)一步的要求，包括削減成本、提高可靠性和延長使用壽命[2]。目前主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括永磁同步發(fā)電機(jī)、電勵磁同步發(fā)電機(jī)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Doubly-Fed Induction Generator，DFIG)[3]。其中，DFIG具有轉(zhuǎn)矩密度高、所需功率變換器容量小、有功和無功功率解耦控制的優(yōu)點，是當(dāng)前陸上風(fēng)電的主流機(jī)型。但電刷與集電環(huán)的存在不僅使系統(tǒng)可靠性降低，維護(hù)成本增加，而且產(chǎn)生額外損耗。以一臺1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，在20年生命周期內(nèi)，更換電刷費用約6萬元，更換集電環(huán)費用約5萬元，損耗導(dǎo)致發(fā)電收入減少約18萬元(按每相損耗1 kW，每年發(fā)電6 000 h，電價0.5 元/(kW·h)計算)，總費用約30萬元。因而，永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組近年來得到快速發(fā)展[4-7]。然而，近年來永磁體價格的劇烈波動使得少永磁或無永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)受到更多關(guān)注[8]，有刷雙饋發(fā)電機(jī)的去刷化成為當(dāng)前風(fēng)電領(lǐng)域亟待研究的重要課題。

本文首先回顧了無刷雙饋發(fā)電機(jī)概念的提出和發(fā)展歷程，針對已提出的多種無刷雙饋發(fā)電機(jī)，分析了各自的結(jié)構(gòu)特征和工作原理，并就三種主要的無刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比，指出了它們在設(shè)計方面的共性特點和個性差別。對無刷雙饋發(fā)電機(jī)的分析設(shè)計方法和發(fā)電控制策略進(jìn)行了綜述，揭示了三種主要無刷雙饋發(fā)電機(jī)在控制方面的一致性，為無刷雙饋發(fā)電機(jī)的統(tǒng)一控制奠定理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種改善轉(zhuǎn)矩密度的新型雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，并研究了其在獨立運行和并網(wǎng)運行兩種情況下的控制策略，最后對無刷雙饋發(fā)電機(jī)的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

1　無刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1無刷雙饋發(fā)電機(jī)的分類

無刷雙饋發(fā)電機(jī)最早起源于多相感應(yīng)電動機(jī)的級聯(lián)運行[9]，如圖1所示。兩臺繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)同軸連接，其中一臺電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組與第二臺電機(jī)的定子繞組相連，第二臺電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組通過電刷集電環(huán)與起動電阻或調(diào)速電阻連接。該結(jié)構(gòu)無需特殊的繞組設(shè)計，僅通過開關(guān)切換即可獲得三個不同的同步轉(zhuǎn)速，滿足了人們最早對于調(diào)速的迫切需求。L.J.Hunt[9]改進(jìn)了該系統(tǒng)的接線方式，將轉(zhuǎn)子繞組-定子繞組連接修改為轉(zhuǎn)子繞組-轉(zhuǎn)子繞組連接，不但保持了具有三個同步轉(zhuǎn)速的特點，而且去除了電刷集電環(huán)，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖1　繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)級聯(lián)運行的演變Fig.1　Evolution of cascaded wound rotor induction machine

這一思想被廣泛延伸，陸續(xù)誕生了多種新型無刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。按照其去刷化的原理可以分為兩類：級聯(lián)式和調(diào)制式。級聯(lián)式是將現(xiàn)有有刷雙饋發(fā)電機(jī)與其他電磁設(shè)備級聯(lián)，采用無接觸式電能傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)轉(zhuǎn)差功率在靜止電源與轉(zhuǎn)子繞組之間雙向流動。屬于這一類型的無刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)包括級聯(lián)式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Cascaded Doubly-Fed Induction Generator，CDFIG)[10]、旋轉(zhuǎn)變壓器式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Brushless Doubly-Fed Induction Generator with Rotary Transformer，BDFIG-RT)[11]和旋轉(zhuǎn)電力電子變換器式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Brushless Doubly-Fed Induction Generator with Rotating Power Electronics，BDFIG-RPE)[12]。調(diào)制式是借助短路繞組或磁阻凸極產(chǎn)生不同極對數(shù)的兩個磁場分別與兩套定子繞組耦合，如嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Nested-Loop Rotor Brushless Doubly-Fed Induction Generator，NLR-BDFIG)[13]、齒諧波繞線轉(zhuǎn)子式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Tooth-Harmonic Wound Rotor Brushless Doubly-Fed Induction Generator，THWR-BDFIG)[14]、磁阻轉(zhuǎn)子式無刷雙饋發(fā)電機(jī)(Brushless Doubly-Fed Reluctance Generator，BDFRG)[15]和籠障轉(zhuǎn)子式無刷雙饋發(fā)電機(jī)(Hybrid Rotor Brushless Doubly-Fed Generator，HR-BDFG)[16]。詳細(xì)的分類如圖2所示。

圖2　無刷雙饋發(fā)電機(jī)分類Fig.2　Classification of BDFM

1.2級聯(lián)式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

CDFIG通過兩臺繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)同軸級聯(lián)實現(xiàn)無刷化[10]，如圖3所示。其基本結(jié)構(gòu)與圖1b非常相近，不同之處在于：①圖1b所示結(jié)構(gòu)只有一個饋電端口；②圖1b所示結(jié)構(gòu)運行于異步工作方式下。用電力電子變換器取代起動電阻或調(diào)速電阻便產(chǎn)生了現(xiàn)在的CDFIG。其結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，可由任意兩臺繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)級聯(lián)構(gòu)成；建模簡單，數(shù)學(xué)模型可由普通異步電機(jī)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型按照轉(zhuǎn)子繞組連接方式組合后得到；氣隙磁通密度分布正弦度高，電磁轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，噪聲小。從功率流、變換器容量需求、系統(tǒng)效率和電機(jī)利用率的角度來看，最佳極對數(shù)配合為pp≥pc[17]，其中pp和pc分別為功率繞組(Power Winding，PW)和控制繞組(Control Winding，CW)的極對數(shù)。但該結(jié)構(gòu)也存在明顯的缺點：①軸向長度過長，現(xiàn)有的繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)通常設(shè)計為少極對數(shù)大長徑比結(jié)構(gòu)，而且總的繞組端部長，電機(jī)功率密度低；②轉(zhuǎn)子采用繞線結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電阻較大，一方面轉(zhuǎn)子銅耗增加，另一方面異步轉(zhuǎn)矩占總轉(zhuǎn)矩的比例增大，使得雙饋同步特性變差。

圖3　級聯(lián)式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)Fig.3　Cascaded brushless doubly-fed induction generator

1.3旋轉(zhuǎn)變壓器式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

CDFIG雖然成功去除了電刷和集電環(huán)，但轉(zhuǎn)矩成分復(fù)雜(兩個同步轉(zhuǎn)矩分量，兩個異步轉(zhuǎn)矩分量)，較之只有同步轉(zhuǎn)矩分量的有刷雙饋發(fā)電機(jī)控制難度增加。為了簡化控制，使無刷雙饋發(fā)電機(jī)的特性盡可能接近有刷雙饋發(fā)電機(jī)，WEG公司提出了一種以旋轉(zhuǎn)變壓器取代電刷集電環(huán)裝置的去刷化方案，即旋轉(zhuǎn)變壓器式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)[11]，如圖4所示。

圖4　旋轉(zhuǎn)變壓器式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)Fig.4　Brushless doubly-fed induction generator with rotary transformer

這一方案利用旋轉(zhuǎn)變壓器實現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率在旋轉(zhuǎn)繞組與靜止電源之間的雙向傳輸。但由于變壓器只能傳輸交流形式的電能，旋轉(zhuǎn)變壓器式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下無法實現(xiàn)功率的有效傳輸，運行中仍要通過控制主動避開該同步轉(zhuǎn)速。

1.4旋轉(zhuǎn)電力電子變換器式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

文獻(xiàn)[12]提出一種使用旋轉(zhuǎn)電力電子變換器的無刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。如圖5所示，該結(jié)構(gòu)包括一臺繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)和一臺同軸級聯(lián)的同步電機(jī)。不同于常見的永磁同步電機(jī)或電勵磁同步電機(jī)，該同步電機(jī)定子上放置永磁體或直流勵磁繞組，轉(zhuǎn)子上安放三相電樞繞組。感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組與同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組通過隨軸同步旋轉(zhuǎn)的交-直-交變換器實現(xiàn)電氣連接，因而兩套繞組中電壓電流的幅值、頻率和相位都可以不同。該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)功率繞組側(cè)單位功率因數(shù)運行和各種電壓跌落條件下的低電壓穿越[18，19]，因而是一種理論上可行的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)去刷化方案。但其缺點也非常明顯：①電力電子變換器隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，需要完善的固定和保護(hù)措施；②變換器的開關(guān)信號是以無線方式(如WiFi、藍(lán)牙)傳遞給功率變換器的，其可靠性有待研究，尤其當(dāng)其運行在復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中。

圖5　旋轉(zhuǎn)電力電子變換器式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)Fig.5　Brushless doubly-fed induction generator with rotary power electronics

1.5嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

NLR-BDFIG是最廣為人知的無刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)，而且“無刷雙饋電機(jī)”這一稱呼就起源于該結(jié)構(gòu)類型的電機(jī)。為了簡化轉(zhuǎn)子繞組，使轉(zhuǎn)子具有傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)籠型轉(zhuǎn)子一樣的堅固程度和可制造性，文獻(xiàn)[13]提出了該嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6　嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.6　Nested-loop rotor structure

NLR-BDFIG為單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子槽內(nèi)放置兩套極對數(shù)分別為pp和pc的分布繞組，轉(zhuǎn)子繞組包括pp+pc個重復(fù)單元，其中每個單元稱為一個巢，且每個巢包括多個嵌套的導(dǎo)體環(huán)路。為避免兩套定子繞組直接耦合，要求pp≠pc。為了避免產(chǎn)生不平衡磁拉力，進(jìn)一步要求|pp-pc|>1。

轉(zhuǎn)子上存在多個短路線圈大大增加了該電機(jī)結(jié)構(gòu)的建模難度。其全耦合電路模型具有變系數(shù)、高階、非線性的特點[20]，模型的降階工作必不可少。盡管提出該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的初衷在于簡化加工制造，但研究表明嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子繞組并不適合直接鑄造，導(dǎo)條與鐵心之間必須增加足夠的絕緣才能獲得理想的無刷雙饋特性[21]。而且，不同于傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)中的籠型轉(zhuǎn)子，不同環(huán)路導(dǎo)條中的電流密度并不均勻[22]。

然而，NLR-BDFIG氣隙中除了兩個主要磁場分量外，還存在多種無效諧波磁場分量[23]，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲[24，25]。而且，諧波磁場分量的存在還增加了附加鐵耗和銅耗，使鐵心容易飽和[26，27]，功率密度和比功率降低[28，29]。

1.6齒諧波繞線轉(zhuǎn)子式無刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

考慮到NLR-BDFIG轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生大量低次空間諧波，文獻(xiàn)[14]從齒諧波原理出發(fā)，通過調(diào)整基波和諧波的繞組因數(shù)實現(xiàn)保留兩種有效頻率基波、抑制其他階次諧波的目標(biāo)，提出一種雙正弦繞組繞線轉(zhuǎn)子。圖7為該繞線轉(zhuǎn)子一個單元的短路線圈連接方式。與嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子相比，不同之處在于齒諧波繞線轉(zhuǎn)子用不等匝分布式閉合線圈組代替等匝同心式短路環(huán)，使轉(zhuǎn)子繞組建立的磁動勢中除主要磁場外的其他磁場分量盡可能地少，充分發(fā)揮了繞組改善磁動勢分布和感應(yīng)電動勢波形的功能。該電機(jī)大大降低了氣隙磁場空間諧波含量，但由于采用不等匝分布式線圈，設(shè)計與制造工藝復(fù)雜，且轉(zhuǎn)子繞組電阻偏大。

圖7　齒諧波繞線轉(zhuǎn)子雙正弦繞組一個單元Fig.7　One unit of tooth-harmonic wound rotor

1.7磁阻轉(zhuǎn)子式無刷雙饋發(fā)電機(jī)

文獻(xiàn)[15]在提出嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子式無刷雙饋感應(yīng)電機(jī)的同時，注意到磁阻凸極可以代替短路線圈對交變磁通產(chǎn)生相似的阻礙作用，提出一種磁阻轉(zhuǎn)子式無刷雙饋電機(jī)，即無刷雙饋磁阻電機(jī)。與同步磁阻電機(jī)類似，其轉(zhuǎn)子可采用簡單凸極結(jié)構(gòu)[30]、軸向疊片各向異性結(jié)構(gòu)[31]和多層磁障結(jié)構(gòu)[32]，如圖8所示。研究表明，軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子的磁場轉(zhuǎn)換能力最強，多層磁障轉(zhuǎn)子次之，簡單凸極轉(zhuǎn)子最弱[33，34]。但軸向疊片中會感生大量渦流，因而最適合無刷雙饋磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為多層磁障轉(zhuǎn)子[35]。

圖8　磁阻轉(zhuǎn)子類型Fig.8　Reluctance rotors

1.8籠障轉(zhuǎn)子式無刷雙饋發(fā)電機(jī)

文獻(xiàn)[16]提出一種兼具短路線圈和磁障層的籠障轉(zhuǎn)子式無刷雙饋發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子如圖9所示。本質(zhì)上為多層磁障轉(zhuǎn)子與嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的結(jié)合，旨在利用短路繞組和凸極轉(zhuǎn)子的雙重凸極性增強轉(zhuǎn)子的磁場轉(zhuǎn)換能力。但短路線圈與磁障層之間存在怎樣的相互影響，不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁場轉(zhuǎn)換能力如何衡量還有待進(jìn)一步研究。由于同時存在飽和與渦流，磁場分布更為復(fù)雜，分析時將在更大程度上依賴有限元等數(shù)值分析工具。

圖9　籠障轉(zhuǎn)子Fig.9　Hybrid rotor

1.9現(xiàn)有無刷雙饋發(fā)電機(jī)的比較

不同結(jié)構(gòu)無刷雙饋發(fā)電機(jī)之間既有共性特點，又有個性差別。其共性主要體現(xiàn)在：

1)無電刷集電環(huán)，無永磁。

2)有兩個饋電端口和一個機(jī)械端口，且兩個饋電端口的能量均可雙向流動。

3)雙饋同步速為

(1)

式中，ωp、ωc分別為功率繞組和控制繞組電流角頻率；pp、pc分別為功率繞組和控制繞組極對數(shù)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr=ωs時，電機(jī)運行于雙饋同步模式。特別地，當(dāng)控制繞組中的頻率為0時，式(1)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速稱為自然同步速。

4)當(dāng)其中一個饋電端口短接時，電機(jī)可以工作在異步運行模式。

5)無刷雙饋發(fā)電機(jī)等效極對數(shù)多，適合設(shè)計為中低速發(fā)電機(jī)。

6)與有刷雙饋發(fā)電機(jī)通過改變電流(線負(fù)荷)調(diào)節(jié)功率繞組的功率因數(shù)不同，無刷雙饋發(fā)電機(jī)通過改變磁通(或磁負(fù)荷)調(diào)節(jié)功率繞組功率因數(shù)。

另一方面由于工作原理和實現(xiàn)方式的不同，不同無刷雙饋發(fā)電機(jī)之間又存在個性差別，主要體現(xiàn)在：

7)級聯(lián)式無刷雙饋發(fā)電機(jī)的極對數(shù)配合的選取主要取決于氣隙直徑比，轉(zhuǎn)矩密度與極對數(shù)配合沒有確定的關(guān)系；但對于調(diào)制式無刷雙饋發(fā)電機(jī)，其極對數(shù)配合主要受制于電磁關(guān)系，從磁場耦合能力的角度考慮適合選取近極配合，但從提高轉(zhuǎn)矩密度的角度考慮遠(yuǎn)極配合更為有利。

8)級聯(lián)式無刷雙饋發(fā)電機(jī)具有更加正弦的氣隙磁場分布，但對于調(diào)制式無刷雙饋發(fā)電機(jī)來說，氣隙磁場除了包含兩個主要磁場分量外，還存在多種寄生低次空間諧波。

9)級聯(lián)式無刷雙饋發(fā)電機(jī)的振動行為與傳統(tǒng)交流電機(jī)相同，但對于調(diào)制式無刷雙饋發(fā)電機(jī)來說，由于氣隙中存在兩種極對數(shù)不同的主要磁場，產(chǎn)生了額外的振動模態(tài)，且振幅與極對數(shù)配合關(guān)系密切。遠(yuǎn)極配合有助于避免低階振動模態(tài)。

2　無刷雙饋發(fā)電機(jī)分析與設(shè)計方法

2.1穩(wěn)態(tài)分析

由于無刷雙饋發(fā)電機(jī)屬于正弦波磁場電機(jī)，其穩(wěn)態(tài)性能主要借助單相等效電路來分析。與單饋感應(yīng)電機(jī)不同，無刷雙饋發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路為二端口網(wǎng)絡(luò)。單相等效電路最早被用于研究CDFIG的雙饋同步運行原理、運行范圍、轉(zhuǎn)矩能力和變換器容量[10，36]。為了計及鐵耗，借鑒感應(yīng)電機(jī)中鐵耗的分析方法，文獻(xiàn)[37]在穩(wěn)態(tài)等效電路的勵磁支路兩側(cè)并聯(lián)隨轉(zhuǎn)差率發(fā)生變化的可變鐵耗電阻，并取得良好的計算精度。

NLR-BDFIG由于其特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生大量空間諧波，增加了穩(wěn)態(tài)分析的難度。文獻(xiàn)[38，39]通過引入復(fù)數(shù)形式的導(dǎo)體分布函數(shù)，對嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機(jī)的阻抗參數(shù)和轉(zhuǎn)矩表達(dá)式進(jìn)行了解析推導(dǎo)。文獻(xiàn)[40]則用諧波漏電抗計及空間諧波的影響，系統(tǒng)整理了無刷雙饋發(fā)電機(jī)的串聯(lián)T形等效電路模型，并將其進(jìn)行適當(dāng)變形用于參數(shù)提取。同樣，為了計及鐵耗的影響，可以在勵磁支路兩側(cè)補充隨轉(zhuǎn)差率發(fā)生變化的可變鐵耗電阻[41，42]。盡管現(xiàn)有等效電路可以取得令人滿意的轉(zhuǎn)矩計算精度，但還存在無法計算轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電流和分離定轉(zhuǎn)子漏電抗的問題。BDFRG由于轉(zhuǎn)子上無繞組存在，穩(wěn)態(tài)模型與有刷雙饋發(fā)電機(jī)類似，可以直接采用有刷雙饋的分析方法進(jìn)行分析。

由于NLR-BDFIG和BDFRG中存在大量空間諧波，用于感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)性能近似計算的時諧場分析不再適用。而且轉(zhuǎn)子繞組中電流通過感應(yīng)方式產(chǎn)生，不適合靜磁場計算，所以無刷雙饋發(fā)電機(jī)的有限元分析主要使用瞬態(tài)場求解[43，44]。對于計算時間有嚴(yán)格限制的場合，等效磁路法和等效電路法都有優(yōu)勢[45，46]。

2.2動態(tài)建模

無刷雙饋發(fā)電機(jī)的動態(tài)建模方法主要包括耦合電路理論[20，47]，兩軸理論[47-51]和空間矢量理論[52-54]。但與傳統(tǒng)交流電機(jī)不同之處在于，氣隙中存在兩個轉(zhuǎn)速不同的旋轉(zhuǎn)磁場，且旋轉(zhuǎn)方向相對于轉(zhuǎn)子本身相反。采用傳統(tǒng)分析方法時，存在模型階數(shù)高、數(shù)學(xué)推導(dǎo)不夠嚴(yán)密直觀、動穩(wěn)態(tài)模型彼此隔離的缺點，所以采用螺旋矢量理論對雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行建模與分析[55]。不同電機(jī)分析理論之間的對比見表1。

表1　電機(jī)分析理論比較Tab.1　Comparison of analysis theories

由于NLR-BDFIG轉(zhuǎn)子上存在多個短路線圈，其全耦合電路模型中包含6+NS階電壓方程(其中N為單元數(shù)，S為每單元嵌套環(huán)數(shù))，采用雙軸模型時階數(shù)降為4+2S，空間矢量模型為2+S階復(fù)數(shù)微分方程，進(jìn)一步模型降階可以產(chǎn)生與CDFIG相同階數(shù)(3階復(fù)數(shù)微分方程，6階實數(shù)微分方程)的結(jié)果，并用于控制器的設(shè)計。BDFRG的全耦合電路模型為6階實數(shù)微分方程，最簡結(jié)果為2階復(fù)數(shù)微分方程。

2.3設(shè)計與優(yōu)化

無刷雙饋發(fā)電機(jī)的設(shè)計與優(yōu)化主要基于簡化穩(wěn)態(tài)等效電路。早期的無刷雙饋發(fā)電機(jī)主要借助已有的感應(yīng)電機(jī)沖片和同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，降低部分轉(zhuǎn)矩能力重新設(shè)計繞組。但實踐發(fā)現(xiàn)，由于無刷雙饋發(fā)電機(jī)需要在定子槽內(nèi)嵌放兩套不同極對數(shù)的定子繞組，已有沖片難以滿足線負(fù)荷要求，于是無刷雙饋才作為一種獨立的電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

文獻(xiàn)[28]采用僅保留轉(zhuǎn)子漏電感的簡化模型推導(dǎo)了簡化功率尺寸方程，并與有刷雙饋和CDFIG在自然同步轉(zhuǎn)速下的輸出功率進(jìn)行比較，指出NLR-BDFIG的功率輸出能力低于普通感應(yīng)電機(jī)約25%。文獻(xiàn)[56，57]采用串聯(lián)T形等效電路與等效磁路、等效熱路相結(jié)合的方法進(jìn)行無刷雙饋發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計。文獻(xiàn)[58-61]采用穩(wěn)態(tài)相量圖推導(dǎo)了BDFRG中的電磁負(fù)荷關(guān)系，對多層磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)性優(yōu)化設(shè)計。

2.4轉(zhuǎn)矩密度與功率密度的比較

通過建立適用于雙饋發(fā)電機(jī)(有刷和無刷)的通用功率方程和轉(zhuǎn)矩密度方程，發(fā)現(xiàn)三種無刷雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度表達(dá)式可統(tǒng)一表示為

(2)

式中，C為轉(zhuǎn)矩密度系數(shù)；A為線負(fù)荷；B為磁負(fù)荷；λp為功率繞組功率因數(shù)；η為效率。三種發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度系數(shù)分別為

(3)

(4)

(5)

圖10　極對數(shù)配合對CDFIG轉(zhuǎn)矩密度的影響Fig.10　Influence of pole-pair combination on TRV of CDFIG

式中，n是為計算磁負(fù)荷而引入的近似系數(shù)，通常n=2可獲得很好的近似程度[28]；λc為控制繞組的功率因數(shù)；dc、dp分別為控制側(cè)和功率側(cè)氣隙直徑。根據(jù)式(3)～式(5)畫出極對數(shù)配合對三種電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度系數(shù)的影響如圖10和圖11所示。發(fā)電運行中通常要求通過控制繞組調(diào)節(jié)功率繞組功率因數(shù)，即功率繞組功率因數(shù)λp與控制繞組功率因數(shù)λc不等。在這種運行情況下，CDFIG可以通過選擇合適的氣隙直徑比，在多種極對數(shù)配合下得到與傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)相近的轉(zhuǎn)矩密度。而NLR-BDFIG與BDFRG具有相同的轉(zhuǎn)矩密度系數(shù)，且轉(zhuǎn)矩密度受極對數(shù)和功率因數(shù)影響很大。這兩種電機(jī)適合選擇多極對數(shù)繞組作為功率繞組，少極對數(shù)繞組作為控制繞組以獲得更高的轉(zhuǎn)矩密度，如圖11所示。因而從轉(zhuǎn)矩密度方面來看，級聯(lián)式無刷雙饋發(fā)電機(jī)優(yōu)于調(diào)制式，根本原因在于調(diào)制式無刷雙饋發(fā)電機(jī)只包含同步轉(zhuǎn)矩分量，而級聯(lián)式無刷雙饋發(fā)電機(jī)還存在異步轉(zhuǎn)矩分量。

圖11　極對數(shù)配合對NLR-BDFIG和BDFRG轉(zhuǎn)矩密度的影響Fig.11　Influence of pole-pair combination on TRV of NLR-BDFIG and BDFRG

圖12　控制繞組功率因數(shù)對CDFIG轉(zhuǎn)矩密度的影響Fig.12　Influence of power factors on TRV of CDFIG

圖13　控制繞組功率因數(shù)對NLR-BDFIG和BDFRG 轉(zhuǎn)矩密度的影響Fig.13　Influence of power factors on TRV of NLR-BDFIG and BDFRG

控制繞組功率因數(shù)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度系數(shù)的影響如圖12和圖13所示。其中功率繞組功率因數(shù)分別設(shè)置為1.0、0.9和0.8，極對數(shù)配合pp/pc分別設(shè)置為2/2、4/2和2/4。從圖中可以看出，級聯(lián)式無刷雙饋發(fā)電機(jī)可以在較寬的控制繞組功率因數(shù)變化范圍內(nèi)保持較高的轉(zhuǎn)矩密度系數(shù)，而調(diào)制式無刷雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度系數(shù)隨控制繞組功率因數(shù)的減小而迅速下降。

3　無刷雙饋發(fā)電機(jī)控制策略

到目前為止，無刷雙饋發(fā)電機(jī)的控制先后經(jīng)歷了閉環(huán)標(biāo)量控制、矢量/直接轉(zhuǎn)矩控制和非線性控制三個階段。

3.1閉環(huán)標(biāo)量控制

閉環(huán)標(biāo)量控制具有算法簡單、實施成本低的優(yōu)點，因而在閉環(huán)控制系統(tǒng)中最先受到研究人員的關(guān)注。文獻(xiàn)[62]首次提出了針對嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子式無刷雙饋發(fā)電機(jī)的閉環(huán)標(biāo)量控制，即通過一個PI控制器調(diào)節(jié)逆變器輸出頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過另一個PI控制器調(diào)節(jié)控制繞組電流幅值來控制功率因數(shù)，如圖14所示。類似的標(biāo)量控制被應(yīng)用于無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率控制[63-65]。由于標(biāo)量控制是基于穩(wěn)態(tài)關(guān)系建立的，無法準(zhǔn)確描述電磁轉(zhuǎn)矩和控制變量(控制繞組電壓或電流)之間的完整動態(tài)關(guān)系；而且，轉(zhuǎn)速(有功功率)和功率因數(shù)(無功功率)難以實現(xiàn)完全解耦。因而，對無刷雙饋發(fā)電機(jī)使用標(biāo)量控制并不能取得令人滿意的控制效果。

圖14　典型的無刷雙饋發(fā)電機(jī)閉環(huán)標(biāo)量控制系統(tǒng)Fig.14　Typical closed-loop scalar control system of BDFM

3.2矢量控制

文獻(xiàn)[66]在對有刷雙饋發(fā)電機(jī)有功和無功功率控制研究的基礎(chǔ)上，提出了針對CDFIG的定子磁鏈定向控制(Stator-Flux-Oriented Control，SFOC)，實現(xiàn)了與有刷雙饋發(fā)電機(jī)相似的有功、無功功率解耦控制，如圖15所示。其中，控制繞組的d軸電流分量用于控制功率繞組無功功率，q軸分量用于控制功率繞組有功功率(或速度)，使用前饋控制對轉(zhuǎn)子電阻引起的d、q軸交叉耦合進(jìn)行補償。類似的分析與控制也見于文獻(xiàn)[67，68]。文獻(xiàn)[69，70]將該定子磁鏈定向控制應(yīng)用于NLR-BDFIG，不同之處在于，文獻(xiàn)[69]采用三級PI控制器，而文獻(xiàn)[70]針對電機(jī)本身的特性對控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，采用單級PI控制器實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和無功功率的解耦控制，顯示出其在風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中的廣闊前景。相似的控制結(jié)構(gòu)也被用于控制BDFRG[71-73]。

3.3直接轉(zhuǎn)矩控制

文獻(xiàn)[74]首次提出了NLR-BDFIG的預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)。由于假設(shè)兩套定子繞組磁通保持不變，動態(tài)響應(yīng)和控制精度受到一定程度的限制。而且，所有的控制變量均定向在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系而非通常感應(yīng)電機(jī)中所采用的靜止坐標(biāo)系，因而需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換。文獻(xiàn)[75]建立了一種基于電壓空間矢量表的經(jīng)典DTC控制策略，控制方式具有恒定的開關(guān)頻率。但在單變量控制情形下，轉(zhuǎn)矩與控制繞組磁通不能得到同時控制。文獻(xiàn)[76]對NLR-BDFIG的DTC進(jìn)行改進(jìn)，首次將間接定子量控制(Indirect Stator-Quantities Control，ISC)應(yīng)用于無刷雙饋發(fā)電機(jī)，大大降低了控制算法對電機(jī)參數(shù)的依賴程度，只需要兩套定子繞組電阻。由于不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，控制結(jié)構(gòu)大大簡化。該方法還被進(jìn)一步用于轉(zhuǎn)速(有功)與無功的同時控制[77]。

圖15　級聯(lián)式無刷雙饋發(fā)電機(jī)定子磁鏈定向控制Fig.15　Stator flux oriented control of CDFIM

3.4非線性控制

無刷雙饋發(fā)電機(jī)具有復(fù)雜的動態(tài)模型，盡管通過前饋補償或電機(jī)本身控制特性的改善可以實現(xiàn)有限轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有功和無功的近似解耦控制，但仍不能獲得令人滿意的控制效果，特別是當(dāng)電機(jī)運行轉(zhuǎn)速接近功率繞組自然同步轉(zhuǎn)速時。許多研究人員嘗試將先進(jìn)的非線性控制方法應(yīng)用于無刷雙饋發(fā)電機(jī)，如滑?？刂?Sliding Mode Control，SMC)[78-80]、反饋線性化控制(Feedback Linearization，F(xiàn)BL)[47，81]。

3.5無刷雙饋發(fā)電機(jī)的統(tǒng)一控制

從控制角度來看，現(xiàn)有技術(shù)均為對某一類無刷雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行獨立控制，未對不同無刷雙饋發(fā)電機(jī)在控制上的相似性進(jìn)行深入分析。事實上，三種主要無刷雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可統(tǒng)一表示為

(6)

(7)

(8)

式中，γ為常系數(shù)；F(·)為統(tǒng)一模型表述而引入的算子符號。電磁轉(zhuǎn)矩可統(tǒng)一表示為

(9)

不同無刷雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可通過不同的參數(shù)取值而得到，見表2。

表2　不同無刷雙饋發(fā)電機(jī)對應(yīng)的統(tǒng)一模型參數(shù)取值Tab.2　Parameters for the unified model of different BDFMs

因此，從控制角度來講，三種主要無刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)統(tǒng)一控制。BDFRG是CDFIG和NLR-BDFIG控制的特例(令rr=0即可)?；蛘哒f，CDFIG和NLR-BDFIG如果轉(zhuǎn)子電阻相對較小可忽略時，則可使用BDFRG的控制方法進(jìn)行控制。

4　新型雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)

綜上分析可知，盡管針對無刷雙饋發(fā)電機(jī)的研究由來已久，但無刷雙饋發(fā)電機(jī)至今未能成功商業(yè)化并取代現(xiàn)有有刷雙饋發(fā)電機(jī)。究其原因主要有以下幾個方面：①相比于有刷雙饋發(fā)電機(jī)，現(xiàn)有無刷雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度偏低；②相比于有刷雙饋發(fā)電機(jī)，無刷雙饋發(fā)電機(jī)的無功管理復(fù)雜；③磁場調(diào)制式無刷雙饋發(fā)電機(jī)的網(wǎng)側(cè)電壓電流諧波含量偏高；④CDFIG 和NLR-BDFIG的控制精度具有轉(zhuǎn)速依賴性。

基于三種主要無刷雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度和功率密度的比較分析，為提高轉(zhuǎn)矩密度，同時縮短電機(jī)軸向長度，文獻(xiàn)[82]提出一種新型雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。如圖16所示，該新型電機(jī)結(jié)構(gòu)包含同軸布置的內(nèi)外兩個定子和位于兩個定子之間的杯形轉(zhuǎn)子。定轉(zhuǎn)子上共設(shè)置四套分布繞組，且轉(zhuǎn)子內(nèi)外層繞組之間反相序連接形成“和級聯(lián)”。

圖16　新型雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)截面圖Fig.16　Cross-section of the proposed dual-stator BDFM

4.1轉(zhuǎn)速關(guān)系

為滿足雙饋同步運行，轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速與功率繞組PW和控制繞組CW供電頻率之間滿足式(1)。如圖17所示，雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)類似于一個“電氣差速器”，位于內(nèi)外定子之間的轉(zhuǎn)子(機(jī)械轉(zhuǎn)速為ωr)協(xié)調(diào)外氣隙與內(nèi)氣隙一快一慢兩個旋轉(zhuǎn)磁場(轉(zhuǎn)速分別為ωp/pp和ωc/pc)。

圖17　雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.17　Speed relationship of dual-stator BDFM

4.2工作模式

由于新型雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有兩個電氣端口，既可以單饋，也可以雙饋運行。按照供電方式的不同，共有4種可能的工作模式，分別為簡單異步模式、級聯(lián)異步模式、雙饋同步模式和雙饋異步模式[55]。4種工作模式的存在條件以及轉(zhuǎn)矩構(gòu)成見表3。4種工作模式對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩能力如圖18所示。

圖18a給出了簡單異步模式與級聯(lián)異步模式下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，同時給出了單臺感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線作為參照。其中，簡單異步模式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩幾乎為零，而級聯(lián)異步模式下能夠產(chǎn)生與單臺感應(yīng)電機(jī)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩水平。

圖18b給出了雙饋同步模式下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速范圍。在不考慮飽和與穩(wěn)態(tài)溫升的理想情況下，雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)可獲得最大的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速運行范圍，如圖18b理想上限與理想下限所包圍的面域所示；當(dāng)控制繞組采用恒壓頻比控制方式供電時，運行范圍縮小至恒壓頻比上限與恒壓頻比下限所包圍的面域；如果進(jìn)一步考慮各繞組電流不超過額定值，雙饋同步運行范圍如圖18b中有效上限與有效下限所包圍的面域所示?？梢姰?dāng)功率繞組極對數(shù)等于控制繞組極對數(shù)時，雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)可在0～1.8倍自然同步轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩運行。

表3　新型雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作模式Tab.3　Operation modes of dual-stator BDFM

圖18　新型雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性Fig.18　Torque-speed characteristics of dual-stator BDFM

雙饋異步模式下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線如圖18c所示。可以看到，雙饋異步模式下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線是由兩條級聯(lián)異步轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線通過簡單疊加形成的。

由圖18可見，4種工作模式均可用于發(fā)電。其中，三種異步工作模式下的發(fā)電運行特性類似于異步發(fā)電機(jī)，而雙饋同步運行模式可在寬調(diào)速范圍內(nèi)變速恒頻，同時保持恒定轉(zhuǎn)矩。因而風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用場合更期望電機(jī)運行在雙饋同步模式下。

4.3功率關(guān)系

忽略電機(jī)銅耗，可以分析得到雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速區(qū)間發(fā)電運行的功率流。其中，超自然同步速發(fā)電模式的功率流如圖19所示。不同發(fā)電模式下的功率流向如圖20所示。

圖19　雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率流(超自然同步速發(fā)電)Fig.19　Power flow of dual-stator BDFM for super natural synchronous speed

圖20　不同轉(zhuǎn)速下的功率流向Fig.20　Power flow under different speeds

4.4設(shè)計方法

新型雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以按照實際需要設(shè)計為電動機(jī)或發(fā)電機(jī)，其設(shè)計流程如圖21所示[82]。

圖21　雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計流程Fig.21　Design flow chart of dual-stator BDFM

基于該設(shè)計流程，設(shè)計并加工了一臺7.5 kW新型雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)樣機(jī)，如圖22所示。

圖22　7.5 kW雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)樣機(jī)Fig.22　Prototype of 7.5kW dual-stator BDFM

對樣機(jī)的級聯(lián)異步特性和雙饋同步特性進(jìn)行了仿真與實驗測試，部分結(jié)果如圖23和圖24所示。實驗結(jié)果與仿真分析非常吻合。

圖23　級聯(lián)異步模式轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性Fig.23　Cascaded asynchronous characteristics

圖24　空載勵磁特性Fig.24　Excitation characteristic at no-load

4.5獨立運行發(fā)電控制

當(dāng)雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)獨立發(fā)電運行時，要求輸出滿足電能質(zhì)量要求的電能?？刂颇繕?biāo)為輸出電壓的幅值和頻率，典型的控制框圖如圖25所示[83]。采用所提出的直接電壓控制方法，可以產(chǎn)生令人滿意的輸出電壓。實驗與仿真波形非常吻合，如圖26所示。

圖25　雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)獨立發(fā)電運行控制Fig.25　Stand-alone operation of dual-stator BDFG

圖26　雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電獨立運行波形Fig.26　Waveforms of stand-alone operation of dual-stator BDFG

4.6并網(wǎng)運行發(fā)電控制

當(dāng)雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電運行時，要求發(fā)電機(jī)具備：①有功和無功調(diào)節(jié)能力；②不對稱運行

能力；③低電壓穿越能力。典型的并網(wǎng)運行發(fā)電控制系統(tǒng)如圖27所示[84]。采用所提出的并網(wǎng)運行控制策略可實現(xiàn)有功和無功的解耦控制，實驗波形如圖28所示。

圖27　雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運行控制Fig.27　Grid-connected operation of dual-stator BDFG

圖28　雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運行實驗波形Fig.28　Experimental waveforms of grid-connected operation of dual-stator BDFG

5　無刷雙饋發(fā)電機(jī)的應(yīng)用前景與發(fā)展趨勢

本文通過對多種無刷雙饋發(fā)電機(jī)深入比較分析后發(fā)現(xiàn)，無刷雙饋發(fā)電機(jī)適合設(shè)計為多極對數(shù)的中低速發(fā)電機(jī)，以改善轉(zhuǎn)矩密度和整體效率。目前已有多個大型無刷雙饋發(fā)電機(jī)試運行的案例，如劍橋大學(xué)與風(fēng)能科技公司合作研究的250 kW NLR-BDFIG等。

相比于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，新型雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)矩密度和電能質(zhì)量方面具有明顯優(yōu)勢，因而成為最有潛力取代現(xiàn)有有刷雙饋發(fā)電機(jī)的一種無刷雙饋發(fā)電機(jī)。

由于雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過保留異步轉(zhuǎn)矩分量以增加轉(zhuǎn)矩密度，而現(xiàn)有的控制策略大多忽略異步轉(zhuǎn)矩分量的影響而將CDFIG作為一臺工作于自然同步轉(zhuǎn)速附近的交流同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，因而后續(xù)工作將致力于考慮異步轉(zhuǎn)矩分量后雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的連續(xù)控制。

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Design，Analysis and Control of Brushless Doubly-Fed Generators for Wind Power Application

Cheng MingHan PengWei Xinchi

(School of Electrical EngineeringSoutheast UniversityNanjing210096China)

The brushless doubly-fed machine (BDFM) is a new type of electrical machines with two AC electrical ports and a common mechanical port.It inherently possesses the variable speed constant frequency (VSCF) capability.It has already been widely recognized as the most promising candidate for replacing the slip-ring doubly-fed induction generator (DFIG) for its distinct advantages such as high reliability and reduced maintenance cost due to the elimination of brushes and approximate decoupled control of active and reactive power. This paper introduces the machine topologies and operating principles of a vast variety of existing BDFMs with the similarities，differences and challenges in current research summarized，compares the torque/power density from the perspective of machine design，and overviews the analysis design methods and control strategies，with the internal consistency of control of different BDFMs discussed. Based on the design，modeling，and control of BDFM，a novel dual-stator brushless doubly-fed induction machine is proposed，analyzed，and controlled for stand-alone as well as grid-connected power generation with experimental validation.Finally，the potential applications and future trends of BDFMs are discussed.

Brushless doubly-fed machines，wind power generation，control strategy，design and analysis method，intrinsic consistency，power density，torque density

國家自然科學(xué)基金(51320105002)和中達(dá)學(xué)者基金資助項目。

2016-06-29改稿日期2016-08-02

TM315

程明男，1960年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，IEEE Fellow，IET Fellow，研究方向為電機(jī)與控制、電動汽車及其驅(qū)動系統(tǒng)、新能源發(fā)電技術(shù)等。

E-mail：mcheng@seu.edu.cn (通信作者)

韓鵬男，1989年生，博士研究生，研究方向為無刷雙饋電機(jī)的設(shè)計、分析與控制。

E-mail：hanpeng360001@163.com