****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：Rp，Lp，Lpr L分別為功率繞組的電阻、自感和與轉子之間的互感；rC，LC，LCr為控制繞組的電阻、自感和與轉子之間的互感；Rr，Lr，ωr，分別為轉子的電阻、自感和機械角速度；u、i分別表示電壓和電流的瞬時值；p為對時間的微分；下標p為功率繞組，c為控制繞組，r為轉子，g為q軸分量，d為d軸分量。另外電磁轉矩方程和運動方程分別為：
式中：Te和Tm分別為電磁轉矩和機械轉矩；J、Kd為轉子機械慣量和轉動阻尼系數。BDFM電力發電系統控制框圖如圖3所示。
4矩陣變換器
功率變換器與無刷雙饋電機控制繞組相連，要求其能量能夠可逆流動。矩陣變換器能夠實現四象限運行，能量可逆流動，正是由于沒有了大容量的儲能元件，如電容或電感等，矩陣變換器的結構與傳統的交一直一交變換器相比，更為緊湊，體積更小，便于集成。另外通過空間矢量調制技術(sVPwM)，可使矩陣變換器的輸入電流波形更加接近正弦波，并且矩陣變換器的輸出功率因數可以接近l，既減少對電網的污染，又提高了變換器的效率。
可逆變換器可以等效為一個整流側和一個逆變側。整流側電流矢量如圖4所示，有六個非零電流矢量I1～I6，三種不同的零電流矢量Io，這些矢量是整流器可以直接提供的，稱為開關狀態矢量。電流矢量調制的原理是在每個扇區中人為地插入一些矢量，使電流矢量的軌跡更接近圓形，這樣輸入電流就更接近標準正弦波，這些插入的矢量由所在扇區的兩個相鄰開關狀態矢量以及零矢量按照矢量合成規則進行合成。
整流側的電流矢量調制和逆變側的電流滯環控制需要按一定的方法綜合成矩陣變換器9個開關的組合控制策略。而虛擬整流器的任一開關狀態和虛擬逆變器的任一開關狀態的組合****地對應著矩陣式變換器的一種開關狀態，因此組合策略如下：首先對虛擬整流器進行電流調制以選出電流矢量Ix(I1~I6)，根據Ix可確定虛擬整流器的開關狀態；同時對虛擬逆變器進行電流滯環控制，以得到虛擬逆變器的開關狀態；其次將兩側的開關狀態信號組合起來；最后采用譯碼裝置將信號組合轉變成矩陣變換器9個可逆開關的控制信號。
5仿真結果與分析
(1)風速變化：①風速增大，在10 s到15 s為8m/，s，在15 s到20 s由8 m／s階躍到lO m／s，再在20 s到25s由lO/s階躍到8m/s；②風速減小，在25s到30，由8m／s躍變到7m/s，從30s到35s恢復到8ln，s，其曲線如圖5所示。
(2)BDFM電機轉速的曲線如圖6所示。
(3)無功功率無論風速變化與否，基本維持在_200var，而有功功率在風速增加時，由-500W變為一592W，當風速恢復時，有功功率恢復到一500w，而當風速減小時，由-500W變為一545W，當風速恢復時，有功功率恢復到-500W，其曲線如圖7所示，無論風速的變化與否，無功功率與有功功率互不影響，實現了風力發電系統功率的解耦控制，而風速變化同時有功功率隨之變化，實現了****風能跟蹤控制。
6結論
本文從BDFM風力發電系統的運行原理出發，基于BDFM轉子dq軸系定向數學模型，采用PI控制器對有功功率和無功功率進行解耦控制，并采用s＼，PwM技術控制可逆矩陣變換器，實現了BDFM風力發電系統的****風能跟蹤控制。
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