****风能跟踪控制的无刷双馈风力发电系统仿真研究

    梁中华，肖竹，杨霞

    (沈阳工业大学，辽宁沈阳110870)

    摘要：文章提出了一种BDFM风力发电系统的****风能跟踪控制方法。该方法从BDFM风力发电系统运行原理小发，研究了 BDFM转子dq轴系定向数学模型，采用P1控制器对有功功率和无功功率进行解耦控制并采用svPwM技术控制可逆矩阵变换器，实现****风能跟踪控制。并对该系统进行了Matlah建模与仿真。真结果表明，****风能跟踪控制可以使系统的有功功率快速地跟踪风速的变化，实现了风力发电系统功率的解控制，证明了控制算法的有效性。

    关键词：无刷双馈电机；****风能跟踪控制；风力发电；

0引言

    近几年，在我国风力资源丰富的地区已建成许多大规模的风电场，而双馈式异步发电机以其具有变速恒频、变流器容量小等优点被广泛的应用于风力发电系统中。在此基础上，无刷双馈电机(Bmshless Doublv—fed Machine，简称BDFM)不仅具有双馈发电机的所有优点，且实现了无刷化，具有高可靠性和低维护性的特点。为了使无刷双馈电机向商业风力发电的应用上发展，电机必须得到充分的控制，工作在一个特定的轴转速风力条件下，从而获得****功率输出。

1****风能跟踪控制原理

    对于风力发电机而言，机械输出功率P通常表

示为

 

其中：G是风力发电系数，p是空气密度，v是风速，r是涡轮半径。由给定涡轮机的高速特性曲线可以得到****跟踪控制的****风能捕获量。风力发电机组的特性曲线如图1所示。其中有最人风能的****轨迹，跟踪控制的目标是随着风速变化保持涡轮的轨迹在这条曲线上。

 

 

    ****功率和轴转速之间的关系可以表示为

   

 

当风速大于额定值时，涡轮获取能量是受限的，而当低于额定值时，机械能量表现如式(2)。动态调整过程如下。在每个控制周期内，测量无刷双馈电机的轴转速，并且理想输出功率通过****曲线给出。图1中，如果无刷双馈电机运行在“A”点上，风速由“A”点增大到“B”点，额外功率和转矩引起电机加速，加速转矩不同于涡轮机械转矩和由有用功率定义的转矩。最后电机将达到“c”点，此时期望功率等于风对涡轮产生的****功率。当风速减小时，与上面情况类似。

2 BDFM风力发电系统运行原理

图2为无刷双馈风力发电系统的结构。它包含风力发电机组，齿轮箱和无刷双馈电机。无刷双馈电机是一种交流励磁机，具有特殊的结构和性能，类似与同步电机，其优势是功率因数可调，通过控制风力降低变频器等级要求，这些都大大地降低恶劣系统成本。因此，无刷双馈电机是最适合于变速恒频风力发电系统，其中转子速度可以在次同步和超同步速度下运行。

 

 

无刷双馈电机的定子绕组由两部分组成，一个是电源绕组直接连接到电网，另一个是控制绕组通过双向变频器连接到电网。转子是鼠笼型，没有电刷和滑环。转子极对数应等于两个定子绕组的总极对数。Pp和Pc分别代表功率绕组和控制绕组极对数。功率绕组频率如下：

 

 

由式(3)可知，当电机转子转速珥随风速v变化时，控制励磁绕组的输入电流频率fc则可使功率绕组输出频率f保持不变，从而实现风力系统变速恒频发电。

3 BDFM数学模型

由于BDFM的转子采用鼠笼结构，则在转子d—q轴系下，BDFM的电压方程式(4)所示。

 

 

式中：R_p，L_p，L_pr L分别为功率绕组的电阻、自感和与转子之间的互感；r_C，L_C，L_Cr为控制绕组的电阻、自感和与转子之间的