沈阳工业大学张凤阁团队特稿：一种复合转子无刷双馈风力发电机直接功率控制研究
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张凤阁，教授，博士生导师。1984年毕业于沈阳工业大学并留校任教，之后分别于1990年和2000年获沈阳工业大学电机与电器学科硕士和博士学位。2000年被破格晋升为教授，2003年评聘为博士生导师。
曾于2001-2005年间先后两次应邀赴德国Esslingen工业大学做高级访问学者和访问教授。是目前国内电机学科唯一的教育部（国家级）创新团队带头人，为沈阳工业大学国家重点学科——电机与电器学科的学科建设责任教授和学科带头人，并担任国家稀土永磁电机工程技术研究中心学术委员会委员，中国电工技术学会小功率电机专委会副主任委员和大电机专委会委员，中国机械工业教育协会高等学校电机学科教学指导委员会副主任委员。
先后被授予辽宁省首批特聘教授、辽宁省优秀青年骨干教师和辽宁省教学名师等多项荣誉称号，入选“国家新世纪百千万人才工程”、“辽宁省百千万人才工程百人层次”和“辽宁省高等学校优秀人才”，是享受国务院政府特殊津贴专家。
近年来完成或在研：国家自然科学基金重点项目2项、面上项目6项、国际合作与交流项目1项，欧盟国际合作项目1项，国家引智计划项目1项，省部级重点科研项目7项。获省部级科技进步一等奖1项、二等奖2项、三等奖5项，省发明奖和自然科学三等奖各1项，获授权国家发明专利19项、实用新型专利32项。在IEEE Trans.TIE、TEC、TIA等在内的国内外重要学术刊物和国际学术会议上发表论文二百余篇，其中被SCI、EI等国际重要检索刊物收录一百二十余篇。在国家自然科学基金资助下，出版学术专著《磁场调制式无刷双馈交流电机》一部。
本文针对一种新型复合转子结构无刷双馈风力发电机功率绕组有功和无功功率控制需求，根据控制绕组磁链所在扇区和功率偏差，采用查找表方式优化了控制绕组机侧变流器的电压空间矢量，进而实现了对该风力发电机进行最大功率跟踪及单位功率因数的有效控制。
DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190729
现有风电系统中广泛采用的传统有刷双馈感应发电机和永磁同步发电机均难以满足大型海上风电系统日益增长的高可靠性和高性价比等客观需求。无刷双馈电机无电刷和集电环，具有免维护和较高的可靠性，所需变流器容量不到电机额定容量30%，且可以运行在亚同步、同步和超同步等较宽速度变化范围，使之具有较高的性价比和控制优势，极有可能成为风电系统中双馈感应发电机和永磁同步发电机的有力竞争者。
本文从风力发电系统控制中更为关注的功率控制需求出发，对所提新型复合转子无刷双馈风力发电机的数学模型及其直接功率控制进行深入研究，具有较为重要的科学研究意义和工程应用价值。
本文针对一种新型复合转子结构（如图1所示）无刷双馈发电机，基于磁场调制理论推导了其空间矢量数学模型、等效电路及电磁转矩表达式，定性分析了该新型转子对电机定子磁场耦合能力及电磁转矩的增强作用。并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则，提出了一种对功率绕组有功和无功功率进行有效控制的方法。通过特性仿真及实验测试对比研究，证实了所提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展开示意图
新型复合转子无刷双馈发电机定子绕组间互感及其生成的电磁转矩为：
公式（1）
公式（2）
由上式可知，互感系数比传统磁阻转子结构时增加了第二项参数，因此所提新型复合转子结构对其功率绕组与控制绕组之间互感及电磁转矩等均具有一定的增强作用。
基于瞬时功率理论，可以得到α-β坐标系下无刷双馈发电机功率绕组有功及无功功率表达式为：
公式（3）
本文所提直接功率控制系统原理框图如图2所示。工作中，系统将对功率绕组实时计算得到的有功和无功功率与给定值进行比较得到功率偏差信号，再结合控制绕组磁链所在扇区，从而优化选择控制绕组机侧变流器有效电压空间适量，并完成系统的直接功率控制需求。其中，有功功率给定值按照风力机最大功率跟踪原则计算得到，而无功功率根据单位功率因数控制需求，设置为0。
图2 直接功率控制系统原理框图
为理解所提直接功率控制机理，给出无刷双馈发电机由转轴输入发电机的机械功率及其功率绕组和控制绕组分量表达式为：
公式（4）
由公式（4）可知，若忽略电机定子绕组铜耗及其磁场储能变化，其电磁功率与机械功率近似相等。因此，可以通过对电磁转矩的控制来实现对系统有功功率Pp的控制，即通过对公式（2）中转矩角γ的控制来实现对功率绕组有功功率的控制。
对系统功率绕组无功功率的控制，可依据如下述控制逻辑：由于无刷双馈发电机也是基于双边励磁方式，在认为定子磁场恒定的条件下，若增加（或减少）某套绕组（如控制绕组）的励磁电流（即励磁磁场，其与无功功率成正比），则另一套绕组（即功率绕组）的励磁电流（无功功率）将会相应地减少（或增加），从而完成对系统无功功率的有效控制。
实际控制中，是通过查找表方式得到系统有功和无功功率控制所需的机侧变流器电压空间矢量，从而完成对系统有功和无功功率的控制。
由系统仿真及实验结果可知，当发电机转速阶跃变化（由417r/min上升到459r/min）时，功率绕组和控制绕组频率分别为工频50Hz和-8.3Hz、-4.1Hz（负值表示二者相序相反），控制系统通过及时调整控制绕组励磁电流频率和相序，即可确保功率绕组馈电系统的变速恒频发电运行。
同时，系统的有功和无功功率能较好地跟踪参考值（有功功率MPPT值分别为-11.8kW、-15.4kW，负值表示发电状态馈送有功功率），且可以通过将系统无功功率给定值置零来实现功率绕组的单位功率因数控制。对比结果也表明，功率绕组电流的总谐波畸变率较低，分别仅为2.34%、2.23%和2.4%、2.1%。
本文提出了一种磁障式磁阻转子辅以同心式并联短路笼条结构的新型复合转子无刷双馈风力发电机，推导了与磁阻转子结构等效的电压平衡方程、等效电路及电磁转矩表达式，并定性分析了该复合转子结构对其磁场调制能力和电磁转矩的增强作用。
针对大容量风力发电系统、尤其是海上风电系统发电机单机容量越来越大及其对功率控制越来越高的客观要求，采用直接功率控制对8/4极25kW新型无刷双馈发电机样机控制系统进行了较为详细的仿真与实验对比研究，理论分析及实验测试结果证实了所提新型复合转子无刷双馈风力发电机变速恒频发电及其最大功率跟踪的直接功率控制方法的正确性、可行性和有效性。
苏晓英, 朱连成, 金石, 张凤阁, 孙丹. 一种复合转子无刷双馈风力发电机直接功率控制研究[J]. 电工技术学报, 2020, 35(3): 494-501.Su Xiaoying, Zhu Liancheng, Jin Shi, Zhang Fengge, Sun Dan. Research on Direct Power Control for Brushless Doubly-Fed Wind Power Generator with a Novel Hybrid Rotor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 494-501.