沈阳工业大学张凤阁特稿：复合转子无刷双馈风电机直接功率控制

引进

冯哥，教授，博士生导师他于1984年毕业于沈阳工业大学，并留在该校任教。他分别于1990年和2000年在沈阳工业大学获得电气工程硕士和博士学位。他在2000年被破例提升为教授，并在2003年被选为博士生导师。

在2001年至2005年期间两次被德国埃斯林根理工大学邀请为高级访问学者和访问教授。他目前是中国电机学科教育部(国家级)创新团队的唯一领导者。他是沈阳工业大学国家重点学科——电机与电器学科的负责教授和学科建设带头人。他还是国家稀土永磁电机工程技术研究中心学术委员会委员、中国电机技术研究院小功率电机专业委员会副主任、大型电机专业委员会委员、中国机械工业教育研究院电机教学指导委员会副主任

先后被评为辽宁省第一批优秀青年骨干教师和辽宁省优秀教师。入选“国家新世纪百万人才工程”、“辽宁百万人才工程100级”和“辽宁省高等学校优秀人才”，是享受国务院特殊津贴的专家。

近几年已完成或正在研究中:国家自然科学基金重点项目2项、一般项目6项、国际合作与交流项目1项、欧盟国际合作项目1项、国家人才引进计划项目1项、省部级重点科研项目7项获自然科学一等奖1项、二等奖2项、三等奖5项、省发明奖1项、三等奖1项，获国家发明专利19项、实用新型专利32项。在国内外重要学术期刊和国际学术会议上发表了200多篇论文，包括《电气和电子工程学报》。工业工程、技术工程、交通影响分析等。其中，被SCI、EI等重要国际检索刊物收录的论文超过120篇。在国家自然科学基金的资助下，发表了学术专著《磁场调制无刷双馈交流电机》。根据新型复合转子结构无刷双馈风力发电机功率绕组的有功和无功功率控制要求，根据控制绕组磁链所在的扇区和功率偏差，采用查表法对控制绕组的机侧变流器的电压空间矢量进行优化，实现最大功率跟踪和风力发电机组功率因数的有效控制。

研究背景在现有风力发电系统中广泛使用的传统无刷双馈感应发电机和永磁同步发电机难以满足大型海上风力发电系统日益增长的高可靠性和高性价比等客观要求无刷双馈电机没有电刷和集电环，无需维护，可靠性高。所需变频器容量小于电机额定容量的30%，可在次同步、同步和超同步等多种速度变化范围内运行，具有较高的性价比和控制优势。它很有可能成为风力发电系统中双馈感应发电机和永磁同步发电机的有力竞争对手。

从风力发电系统控制中较为关注的功率控制要求出发，对提出的新型复合转子无刷双馈风力发电机及其直接功率控制的数学模型进行了深入研究，具有更重要的科学研究意义和工程应用价值

的主要内容和创新点本文基于磁场调制理论，推导了新型复合转子结构无刷双馈发电机的空间矢量数学模型、等效电路和电磁转矩表达式(如图1所示)，定性分析了新型转子对电机定子磁场耦合能力和电磁转矩的增强作用。结合无刷双馈发电机变速恒频风力发电机理及其最大功率跟踪原理，提出了一种有效的功率绕组有功和无功功率控制方法通过特性仿真和实验测试的对比研究，验证了所提出的直接功率控制的正确性、有效性和可行性。

图1复合转子无刷双馈发电机转子膨胀示意图

新型复合转子无刷双馈发电机定子绕组间互感及其产生的电磁转矩:

公式(1)

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公式(2)

基于瞬时功率理论，无刷双馈发电机功率绕组在α-β坐标系中的有功功率和无功功率表达式如下:

公式(3)

本文提出的直接功率控制系统原理框图如图2所示在工作中，系统将实时计算的功率绕组有功和无功功率与给定值进行比较，得到功率偏差信号，然后结合控制绕组磁链所在的扇区，从而优化选择控制绕组机侧变换器的合适有效电压空间量，完成系统的直接功率控制要求其中，有功功率给定值根据风力发电机的最大功率跟踪原理计算，无功功率根据单位功率因数控制要求设置为0

图2直接功率控制系统原理框图

为了理解所提出的直接功率控制机制，无刷双馈发电机从转轴输入到发电机的机械功率及其功率绕组和控制绕组的分量表达式给出如下:

公式(4)

公式(4)，如果电机定子绕组和因此，可以通过控制电磁转矩来控制系统的有功功率Pp，即，可以通过控制等式(2)中的转矩角γ来控制功率绕组的有功功率

可以根据以下控制逻辑来控制系统的功率绕组的无功功率:由于无刷双馈发电机也基于双向励磁模式，在定子磁场被认为是恒定的情况下，如果一组绕组(例如，控制绕组)的励磁电流(即，与无功功率成比例的励磁磁场)增加(或减少)， 另一组绕组(即功率绕组)的励磁电流(无功功率)将相应减少(或增加)，从而完成系统无功功率的有效控制在

的实际控制中，通过查表得到系统有功和无功控制所需的机侧变换器的电压空间矢量，从而完成系统有功和无功的控制

从系统仿真和实验结果可以看出，当发电机转速逐步变化时(从417转/分钟到459转/分钟)，功率绕组和控制绕组频率分别为50Hz和-8.3Hz和-4.1Hz(负值表示相反的相序)。该控制系统通过及时调整控制绕组的励磁电流频率和相序，可以保证电力绕组馈电系统的变速恒频发电运行

同时，系统的有功功率和无功功率能够更好的跟踪参考值(有功功率的MPPT值分别为-11.8千瓦和-15.4千瓦，负值表示有功功率馈入发电状态)，通过将系统的无功功率给定值设置为零，可以实现功率绕组的单位功率因数控制比较结果还表明，功率绕组电流的总谐波畸变率很低，分别只有2.34%、2.23%和2.4%、2.1%

结论

提出了一种新型复合转子无刷双馈风力发电机，该风力发电机采用磁阻转子加同心并联短路笼型结构。推导了等效于磁阻转子结构的电压平衡方程、等效电路和电磁转矩表达式，定性分析了复合转子结构对磁场调制能力和电磁转矩的增强作用。

鉴于大容量风力发电系统，特别是海上风力发电系统的单机容量不断增加，以及对功率控制越来越高的客观要求，采用直接功率控制对新型8/4极25kW无刷双馈发电机的原型控制系统进行了较为详细的仿真和实验对比研究。理论分析和实验测试结果验证了新型复合转子无刷双馈风力发电机变速恒频发电和最大功率跟踪直接功率控制方法的正确性、可行性和有效性。

引用本文

苏小英、朱连成、金实、张凤阁、孙丹。[2]复合转子无刷双馈风力发电机组直接功率控制的研究[[]。电气技术杂志，2020，35 (3): 494-501。苏小英，成，金实，张凤阁，。新型混合转子无刷双馈风力发电机直接功率控制研究。中国电工学会学报，2020，35(3): 494-501.

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