探讨无刷双馈风力发电机的设计分析与控制
无刷双馈风力发电机（Brushless Double-fed Wind Power Generator，BDWG）由于其具有高效、稳定、可靠的特点，在风电发电产业的快速发展中得到了广泛应用。其核心部件是无刷双馈电机（Brushless Double-fed Induction Machine，BDFIM），由于其内外转子之间通过转子侧电容连接，使其具有一定的电磁转矩特性。因此，在BDWG中基于实时控制的电压源逆变器的功率控制策略中，可以通过控制转子的电压和电流使得BDFIM适应风机不同的转速变化（也即风速的变化）现象，从而在风力发电过程中实现良好的功率控制性能。
本文旨在对BDWG的设计原理和控制策略进行分析和探讨，主要从以下几个方面进行讨论。
1. BDWG的设计分析
（1）结构和工作原理
BDWG由涉及双馈电机转子部分（即有刷子组合，转子侧电容器等）和无刷直流电机（一般用于调节转子电容器电压的空间矢量调制控制）经由转子上的能量转换器进行变换，在输出端带有无功功率控制的PWM逆变器进行功率输出。
BDFIM相较于一般异步电机，其内部转子电流被划分为主磁通和次磁通两个部分，转子上的电容器则通过变压器与电网连接。在风机转速发生变化时，由于双馈电机的特殊结构，主磁通和次磁通之间会产生一定的漏电感，从而使得转子上的电流产生相应的变化。
（2）参数设计和优化
在BDWG的设计上，关键的参数设计主要包括了转子电容器的容量、变压比等。为了实现风能的最大利用效率，需要在保证性能的前提下尽可能减小转子电容器的容量，同时在变压器的设计上注重其高效、轻便的特性。以上两者则需要依据技术手段来进行有效的优化设计。
2. BDWG的控制策略
（1）转子电压交换控制
BDWG的控制策略之一是通过转子侧的能量转换器实现交换控制，从而在转速变化的情况下实现电极磁势的平衡控制。该控制策略主要由节拍控制和逆变控制两个部分组成，其中节拍控制主要通过时序触发器和计数器实现；逆变控制则主要通过高功率开关管实现，其控制基础是PWM控制。
电气传动２０１３年 第４３卷 第５期 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ２０１ ３ Ｖｏ１．４３ Ｎｏ．５
双馈风力发电机机侧变频器控制策略的研究
邬冬临，佘岳，徐凤星，刘志星，蒋耀生
（南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲４１２００１）
摘要：根据低电压穿越技术的基本特点，以双馈感应发电机组（ＤＦＩＧ）作为研究对象，在电网电压发生不平 衡跌落时，对转子侧变流器采用比例一谐振控制，以提高在电网故障时风机不间断运行能力。通过ＰＳＩＭ仿真软件 以１．６５ ＭＷ风机为模型进行仿真并且在１．６５ ＭＷ风电机组功率试验台进行实验。仿真和实验结果证明在电网 电压不平衡跌落时对转子侧变流器采用的比例一谐振控制能够快速、有效地控制转子电流，提高了整个控制系统 和风电机组的不间断运行能力，对ＤＦＩＧ风电机组实际运行中具有相当重要的实际应用价值。 关键词：双馈感应发电机；电网电压不平衡；谐振控制器：波形控制 中图分类号：ＴＭ３１５ 文献标识码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｓｉｄｅ Ｃｏｎｖｅｒｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ Ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ Ｗｉｎｄ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
ＷＵ Ｄｏｎｇ—ｌｉｎ，ＳＨＥ Ｙｕｅ，ＸＵ Ｆｅｎｇ—ｘｉｎｇ，ＬＩＵ Ｚｈｉ－ｘｉｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｙａｏ—ｓｈｅｎｇ （ＣＳＲ Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ ４１２００１，Ｈｕｎａｎ，Ｃ ｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｉｄｅ ｔｈｒｏｕｇｈ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅｌｙ—ｆｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＤＦＩ ｑＧ）ｄｕｒｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ ｄｉｐｓ，ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ—ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｓｉｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ａ １．６５ ＭＷ ＤＦＩＧ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ａｓ ａ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＰＳＩＭ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ａ ｔｅｓｔ ｏｎ ｔｈｅ １．６５ ＭＷ ＤＦＩＧ ｐｏｗｅｒ ｔｅｓｔ ｂｅｄ ｗａｓ ｄｏｎｅ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｓｉｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｑｕｉｃｋｌｙ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ＤＦＩＧ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ，．Ｉｔ ｈａｓ ａ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＤＦＩＧ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ，． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＤＦＩＧ）； ｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｕｎｂａｌａｎｃｅ；ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｗａｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ
双馈风力发电机运行原理及发电控制技术研究
摘要：随着化石燃料储量的减少，在电力工业中风能发电技术变得越来越重要，而风力发电机也因此得到了广泛的应用。但目前，我国风力发电机的相关技术、应用广度和发展速率与国外相比仍存在明显差距。为了迅速推广风力发电机的应用与发展，本文将以双馈风力发电机为例，向读者简要介绍其运行原理及相关控制技术。
关键词：双馈风力发电机；运行模式；控制技术
中图分类号：tm315 文献标识码：a 文章编号：1001-828x（2013）06-0-01
据调查，世界各国在风力发电中每年投入的资金总额已接近一千亿美元。全球范围内，已开始进行研究和采用风力发电技术的国家约有一百个。由此可见，在化石燃料日渐减少的现状下，风力发电技术极有可能与其它可再生能源（比如太阳能、水力等）发电技术一同取代火力发电。
在风力发电技术研究中，最基本的一个环节就是风力发电机的研究与应用。到目前为止，常见的风力发电机有定桨定速型、变浆变速型等多种类型，而在后一种类型中，大部分都采用了双馈式设计。下面，笔者将以此类风力发电机为例，简明扼要地介绍其组成结构、优点、运行原理以及相关控制技术。
一、双馈风力发电机的结构与特点
顾名思义，“双馈”指的就是电机的定子与转子均可完成电力供应过程。一般来说，双馈式发电机的主要部件有定、转子及其接线盒，传动机构、滑环系统与冷却设备等。其中，转子结构主要存在成型绕组、矩形半线圈、散嵌绕组等形式；滑环系统主要包括碳刷、刷架、滑环、滑环风扇、滑环座、滑环维护罩等部分，而滑环又分为热套式和环氧浇注式两种类型；冷却设备主要分为风冷式、水冷式等多种形式。
从性质上区分，双馈式发电机应当归入异步式发电机的范畴，但这类发电机又拥有与同步式发电机相似的激磁绕组来调控励磁过程及功率因数。因此，这种发电机兼有同步和异步式发电机的优点。
这类发电机体积小、成本低、无功功率的调节方式简便易行、抗电磁干扰能力较强。同时，发电机的励磁过程与所连接的供电网络关系不大，可以直接由转子所处电路完成。因此，发电机输出能量的稳定性较强，在其工作过程一般不会使电网产生大幅波动。系统可以通过控制发电机励磁过程来快速、精确地调节发电机运转状态参数以及功率因数。另外，双馈式发电机还对风力变化有着出色的适应能力和维持输出电能稳定的能力。
无刷双馈风力发电机的运行控制与并网研究的开题报告
一、研究背景
近年来，随着环境保护意识的不断提高，清洁能源的应用逐渐成为了全球关注的热点。而风能作为一种免费、清洁、无限的可再生资源，已经成为清洁能源的重要组成部分之一。风力发电机作为转化风能为电能的重要装备，其性能的稳定及电网安全的并网是保证风电发电能力和电能质量的关键因素。然而，在弱电网条件下，风力发电机的稳定性能和并网控制是目前发展的瓶颈问题。
由于传统的直驱式风力发电机在运行中难以满足大功率、高效率和轻质化的发展趋势，单馈风力发电机的应用受到了较大的限制。为了解决这个问题，无刷双馈风力发电技术得以发展。与传统的单馈风力发电技术相比，无刷双馈风力发电技术能够实现充分利用风能，提高发电机的输出功率，并且可以通过潮流控制实现在弱电网条件下的稳定性能和并网控制，因此越来越受到人们的关注和研究。
二、研究内容
本研究的主要内容是无刷双馈风力发电机的运行控制和并网研究。
1. 无刷双馈风力发电机的运行控制
（1）分析无刷双馈风力发电机的传动系统和控制策略，设计并实现基于电磁励磁和转子侧功率控制的控制方法。
（2）建立无刷双馈风力发电机建模，分析系统的动态特性。
（3）研究无刷双馈风力发电机的启动和停机控制策略，提高系统的性能。
2. 无刷双馈风力发电机的并网研究
（1）分析无刷双馈风力发电机接入电力系统的要求和限制， 研究并网功率控制策略。
（2）基于潮流控制，研究无刷双馈风力发电机在弱电网条件下的场励控制和转子功率控制，提高系统的稳定性能和并网控制。
三、研究意义
本研究主要解决无刷双馈风力发电技术在弱电网条件下的运行控制和并网问题，提高了系统的功率输出和稳定性能，并为风力发电的可持续发展提供了技术支撑。本研究的成果可以为相关领域的科研人员和企业提供指导，推动无刷双馈风力发电技术的进一步发展和应用。
