无刷双馈发电机风力发电系统的建模与控制

驱动控制　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　微特电机　　2009年第riveandcontrol

9期　　

无刷双馈发电机风力发电系统的建模与控制

刘广忱,王生铁,刘瑞明,张润和

(内蒙古工业大学,内蒙古呼和浩特010051)

摘　要:从转子参考坐标系dq模型出发,研究功率绕组和控制绕组双同步MT坐标系下的无刷双馈发电机(BD2

FG)数学模型,建立了包括BDFG、风力机及机械传动链的风力发电系统数学模型。根据风力机和BDFG的特性,采

用定子功率绕组磁链定向的矢量变换控制技术,给出了一种功率控制策略。该策略通过控制发电机控制绕组的交流励磁,实现BDFG风力发电系统有功、无功功率的解耦控制和最大功率追踪控制(MPPT)。仿真结果验证了所提出建模与控制方案的正确性和有效性。

关键词:风力发电;无刷双馈电机;最大功率追踪;矢量控制

中图分类号:TM315　　文献标识码:A　　文章编号:1004-7018(2009)09-0052-05

ModelingandControlofWindPowerGenerationSystemwithBrushlessDoubly-FedGenerator

LIUGuang-chen,WANGSheng-tie,LIURui-ming,ZHANGRun-he

(InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China)

Abstract:Themathematicalmodelofbrushlessdoubly-fedgenerator(BDFG)inbothpowerwindingandcontrolwindingsynchronousreferenceframesMTwasderivedfromthemodelinrotreferencefra,themodelofBDFG-basedwindpowersystemwhichconsistsofBDFG,windturbineinthispaper.Basedonthecharacteristicanalysisofwindturbine-basedwindpowersys2temwasdevelopedbymeansogy,whichwasabletoachievethede2couplingMPPTcontrolbycontrollingthecontrolwindingACexcitation.Thesimulationtheandvalidityofthemodelingandcontrolschemeproposedinthepaper.

Keywords:powergeneration;brushlessdoubly-fedgenerator(BDFG);maximumpowerpointtracking(MPPT);vectorcontrol

0引　言

并网型风力发电系统中,要求风电的频率与电网频率保持一致,即频率保持恒定。实现发电机恒

频的方式有恒速恒频和变速恒频两种。恒速恒频是指保持发电机转速不变,从而得到恒频电能;变速恒频是指发电机转速变化时,通过电力电子装置的得到恒频电能。实现变速恒频发电的方式很多,目前,交流励磁双馈发电机(以下简称DFIG)系统应用较为广泛,但是DFIG仍然有滑环和电刷的存在,因此不大适合在比较恶劣的环境下运行。而无刷双馈电动机(以下简称BDFG)取消了滑环电刷,可以运行在比较恶劣的环境中。同时,BDFG与DFIG具有相同的优点:1)采用矢量控制可使风电系统实现有功、无功解耦调节及最大功率追踪(以下简称MPPT),从而获得优良的发电性能;2)变换器容量仅为系统容量的一部分,降低了系统成本。因此,

收稿日期:2009-01-09

BDFG风力发电系统是变速恒频风力发电领域的发

展趋势之一

[1-5]

。

目前,有关BDFG风力发电系统的研究主要集中在BDFG的结构及性能、等效电路及数学模型和控制策略等方面

[1-3,6-7]

。文献[8-10]分别采用矢

量控制、模糊控制和滑模变结构控制对BDFG有功、无功功率控制进行了研究。文献[11-12]对采用矩阵式变换器的BDFG风力发电系统进行了研究。文献[11,13]对BDFG最大功率追踪控制进行了研究。本文主要根据风力机和BDFG的特性,建立包括BDFG、风力机及机械传动链的BDFG风力发电系统的数学模型,给出结合有功、无功功率解耦控制和MPPT控制的功率控制策略,并进行仿真研究。

无

刷双馈发电机风力发电系统的建模与控制

1BDFG风力发电系统数学模型

1.1系统原理

BDFG的基本结构是一个定子、一个转子和一

套公共磁路,如图1所示。定子上装有两套三相绕组,一套为功率绕组,极对数为pp,与工频电网直接

改稿日期:2009-02-10

　　微特电机　　2009年第9期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

驱动控制D

riveandcontrol

连接;另一套为控制绕组,极对数为pc,通过变换器磁链方程为:

接电网。

ψqp=Lpiqp+Mpriqrpψdp=Lpidp+Mpridrpψqrp=Lri

qrp+Mpriqpψdrp=Lridrp+Mpridpψ(3)

qc=Lciqc+Mcriqrc

ψdc=Lcidc+Mcridrc

ψqrc=Lriqrc+Mcriqc图1　BDFG风力发电系统示意图

ψdrc

Lridrc+Mcri

dBDFG功率绕组的电频率为:

式中:ψ为磁链

。

fpnn(p+p)

60±f(1)

电磁转矩方程为:

式中Te=ppMpr(iqpid

r-idpiqr

)+pcMcr(iqcidr+idciqr)(4)

:当控制绕组旋转磁场速度nc与功率绕组旋转式(磁场速度2)中与定子相关的输入量稳态时均为正np旋转方向相反时,取“+”,反之取弦函数“,不利于控制。如

-”。由式(1)可知,当转速nr变化时,只要适当果忽略转子饱和调节控制绕组的输入电流频率,将功率fc,即可使功率绕组绕组和控制绕组的模型输出电频率fp维持不变,从而实现变速恒频发电。

分别建立在各自的同步BDFG风力发电系统原理如图1所示,其中,网速侧变换器通过M

T坐标系下,则上述SPWM或SVPWM控制可以实现交流方程的各输入量在稳态图3　定子速MT坐标系与侧输入单位功率因数控制和在各种状态下保持直流环节电压稳定,dq坐标系的关系

,确保机侧变换器乃至整个BDFG控制绕组系统可靠工作;现BDFG

Tdq坐标系关系如图3所示。功率和控制绕组由转子速dq坐标系变换到定子双同步速MT坐标系的变换公式分别为:

1.2BDFG数学模型

图2为BDFG一相电路图。假定磁路是线性VMpcosθpsinp

Vdp的,并忽略除pV=

(5-sinθpcos)Vqp、pc次以外的其它谐波,根据电机多

MccsincVdcV=

cosθ-sinθc

cosV(6)

q式中:M、T下标分别表示MT坐标系下M、T轴分量。

利用式(5)和式(6)对式(2)～

式(4)进行变

图2　BDFG一相电路图

换,可以得到BDFG在定子双同步速MT坐标系下

回路理论,通过坐标变换,可以得到BDFG的转子速的数学模型:

dq坐标系电压方程:uMpiMp-ψTpψMp

uqp=(rp+pLp)iqp+ppωrLpidp+p

Mpriqr+ppωrMpridru=-rp

-ωp-iψMp

ψudp=-ppωrLpiqp+(rp+pLp)idp-ppωrMpriqr+p

MpridψMpuqc=(rc+pLc)iqc+pcωrLcidc-pMcriqr+pcωrMcridrψ=LiMpiMp-Mpr

iiudc=-pcωrLciqc+(rc+pLc)idc+pcωrMcriqr+pMcridruMciMcψTc0=pMpriqp-pMcriqc+(rr+pLr)iqru=rc

i+ωc

-ψ+ψMc

Mψ(7)

0=pMψpridp+pMcridc+(rr+pLr)idr

Mcψ=LiMc-iMc

c+Mcr

(2)

iiTc

式中:下标p、c、r分别为功率绕组、控制绕组和转

子;下标d、q分别为dq坐标系下d、q轴分量;ω为=riTri+ω-ψMψTrsMψ+TrψM角速度;r、L、M分别为电阻、自感、互感;u、i分别为ψMiMi-i电压、电流瞬时值;p为对时间的微分算子。

ψ=Li-MMpMc

rp+MiiTc

无

刷双馈发电机风力发电

系统的建模与控制

驱动控制　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　微特电机　　2009年第riveandcontrol

Pmax=kwωw

9期　　

式中:ωc=ωp-(pp+pc)ωr,ωs=ωp-ppωr。

电磁转矩方程为:

Te=ppMpr(iTpiMr-iMpiTr)+pcMcr(iTciMr+iMciTr)

ρkw=0.53

λC(11)

(8)

1.3风力机数学模型

根据风力机的空气动力学特性,当空气密度为

ρ的气流以速度v流过面积为A的区域时,风力机从风能中吸收的功率和轴上产生的转矩为:

Pw=0.5Cpρv(9)PTw=

ωw

式中:Cp为风能利用系数,即风轮将风能转变为机

械能的效率,是叶尖速比λ与桨叶节距角α的函

ωR

数,λ=,R为叶片半径,ωw为风力机角速度。

1.4机械传动链数学模型

从风力机轮毂到发电机转子之间的联轴器和齿轮箱可近似地用一阶惯性环节描述为:

Tw-TlTl=

τdtm

(10)

式中:Tl为发电机机械转矩;Tw的机械转矩;τm;

2BDFG对于特定的风机,Cp只有在λ为某一定值时最大。在恒速运行的风力机中,由于风力机转速不变,而风速经常在变化,因此λ不可能经常保持在最佳值(

即使是采用变桨距叶片),Cp往往与其最大值相差很多,使风力机常常运行于低效状态。而变速运行的风力机,通过适当控制输出功率的办法,有可能使风力机在λ为恒定的最佳值的情况下运转,从而使Cp在很大的风速变化范围内均能保持最大值,风

无刷双馈发电机风力发电系统的建模与控制

　　为了最大限度将风能转变为电能,当风力机输出最大机械功率时,发电机的输出功率也应相应地与之配合。风力机在不同风速下的最大机械输出功率乘以相应的齿轮箱效率和发电机效率,得到相应的最合适的发电机功率;以此功率信号作为发电机的有功功率给定信号,与发电机输出电功率的反馈信号构成闭环控制系统,使风力机在各种风速下均按最大功率运行,实现MPPT控制。

风力机在追踪最大风能运行的过程中,机组的功率配合调节过程如图4所示。假设原来风速为v1时,风力机稳定运行在最佳功率曲线Popt的A点上,此时风力机的输出功率和发电机的输入机械功率相平衡为PA,风力机将稳定运行在转速ω1上。如果某时刻风速升高至v2,风力机运行至B点,其输出功率由PA突变至PB,由于机械惯性和调节过程的滞后,A点,此时发电机的,。,BC,到达风力机功率曲线与最C点时,功率将再一次达到平衡,转速稳定在对应于风速v2的最佳转速ω2上。同理也可以分析风速从v3到v2的逆调节过程。

3BDFG风力发电系统矢量控制策略

在发电运行时,功率绕组接频率为50Hz的电网,因此可以近似地认为定子的电压幅值和频率都是恒定的,并忽略其定子电阻。所以BDFG矢量控制一般采用定子功率绕组磁链定向,即将M轴选在定子功率绕组的磁链方向上,则有下面的关系式:

ψMp=ψψTp=0

uMp=0uTp=-up

u(12)

能转换为机械能的效率问题可以得到最佳解决。

根据式(2),可以推导出不同风速下风力机的输出功率与转速之间的关系,如图4所示。图中不

ψ=

ωp

P=-1.5upiTp

Q=-1.5upi　　由上式可知,若有功功率P、无功功率Q给定,

图4　风力机最大风能追踪原理

同风速下风力机的功率转速曲线组成了曲线簇,每

条功率转速曲线上最大功率点的连线称为风力机的最佳功率(Popt)曲线。风力机运行在Popt曲线上将会输出最大功率Pmax,其值为:

则可算出给定的功率绕组电流两分量iTp和iMp,再根据式(7)可得:

ψ+LiiMr=-iTr=

MpriTpLspMpr

(13)

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驱动控制riveandcontrol

ψMr=-MpriMp-McriMc+LriMψTr=-MpriTp+McriTc+LriTr

将式(14)代入式(7),可得:

ri-ωMi+ωLiiMc=ωsMcr

iTc=

rriMr

+ωsMpriTp-ωsLriTr

ωsMcr

(14)

仿真结果,初始有功功率给定为-500W,5s时刻改变有功功率给定为-1000W,仿真期间BDFG转速保持为500r/min,无功功率给定保持为500Var;图6b为无功功率独立调节仿真结果,初始给定无功功率200Var,5s时刻改变无功功率给定为500Var,仿真期间有功功率给定和BDFG转速保持不变,分别为-500W和500r/min。

由图6可以看出,BDFG风力发电系统的有功功率和无功功率可以独立进行调节,即实现了有功和无功功率解耦控制。

(15)

由式(7)可得:

ψMc=LciMc-McriMuMcuTc

ψTc=LciTc+Mcri=(rc+Lcp)iMc+ωcLciTc+ωcMcri

=(rc+Lcp)iTc-ωcLciMc+ωcMcri(16)

(17)

式(13)～式(17)构成了BDFG发电运行时定子功

率绕组磁场定向的控制依据,并可由此构建如图5所示的BDFG风力发电系统矢量控制框图。

4.3MPPT仿真结果

仿真中设定无功功率给定值Q=0,并网后的风速为4/s,在第20s5m/s,仿真为系统起动过程。

,v下BDFG的理论最佳:

λoptvωropt=N=×7.846≈16.42v(18)

w4.3

　　按式(18),可计算出4m/s和5m/s两种风速下BDFG的理论最佳角速度分别应为65.88rad/s和82.1rad/s。

图7b为BDFG角速度ωr随风速v变化的过程。从图中可以看出,并网后针对当前的风速(4m/s),ωr有一次调节过程;其后针对变化后的风速(5m/s),ωr又有一次调节过程。ωr的两次调整过程体现了两次MPPT的事实,而且经过两次调整后稳定的角速度和理论最佳角速度基本吻合。

图7c为BDFG输出功率P和风力机最大输出功率Pmax的变化过程。当风速增大后,P和Pmax都存在一定的调节过程;当调节过程达到平衡时,机组基本运行在最佳功率曲线上。

图7d为功率绕组输出的有功功率和无功功率的变化情况。从图中可以看出,实现MPPT控制的同时还实现了有功、无功功率解耦控制。

无

刷双馈发电机风力发电系统的建模与控制

图5　BDFG风力发电系统矢量控制框图

4BDFG风力发电系统控制仿真研究

4.1仿真模型及参数

为检验所研究的BDFG风力发电系统控制策略的正确性与有效性,在Matlab/Simulink环境下搭建前面所述的BDFG风力发电系统仿真模型,采用前面所述的矢量控制策略及MPPT进行仿真,仿真参数如表1所示。

表1　仿真参数

项　　目

BDFG(折算至功率绕组)

参　　数

J=0.02N・m・s2/rad,kp=0,pp=3,rp=2.

655Ω,Lp=0.15576H,Mpr=0.14543H,

pc=1,rc=2.638Ω,Lc=0.1073H,Mcr=

0.1066H,r=

4.7942Ω,L=0.26306H

风力机机械传动链

5kW,Cpmax=0.43,叶片半径Rw=4.3m,额

定风速9m/s,最佳叶尖速比λopt=9齿轮箱变比N=7.846,τ=0.1s

4.2有功和无功功率解耦控制仿真结果

图6为BDFG风力发电系统有功和无功功率解耦控制仿真结果。其中,图6a为有功功率独立调节

驱动控制　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　微特电机　　2009年第ri

veandcontrol

9期　　

[3]　McMahonAR,XiaoyanWan,EshanAbdi-Jalebi1,etal.The

BDFMasaGeneratorinWindTurbines[C]//IEEEEPE-PEMC2006.2006:1859-1865.

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[5]　陈学顺,许洪华.双馈电机变速恒频风力发电运行方式研究

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[6]　WangX,McMahonRA,TavnerPJ.DesignoftheBrushlessDou2

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[7]　TavnerPJ,JagielaM,ChickT,etal.ABrushlessDoublyFedMa2

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[8]　黄守道,王耀南,王毅,等.无刷双馈电机有功和无功功率控制

　　从整个系统的仿真结果来看,仿真工作验证了

推导得出的BDFG风力发电系统数学模型以及所提出的功率控制策略的正确性和有效性。

5结　语

无刷双馈电机具有优良的结构及运行特性,在变速恒频风力发电领域具有良好的应用前景。本文建立了包括BDFG、风力机和机械传动链的风力发电系统的数学模型,给出了结合有功、无功功率解耦控制和MPPT控制的BDFG风力发电系统的功率控制策略。该策略采用功率绕组磁链定向的矢量变换控制技术实现发电机有功功率和无功功率的解耦控制,进而采用MPPT控制策略,获得捕获最大风能的优化发电运行。仿真结果验证了文中所提出的FG。参考文献

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[13]　WangQi,ChenXiaohu,JiYanchao.ControlforMaximalWindEner2

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作者简介:刘广忱(1975-),男,博士研究生,讲师,研究方向为新能源发电技术、电力电子与电力传动。

(上接第49页)

参考文献

[1]　赵争鸣,袁立强.关于矢量控制与直接转矩控制特性试验比较

4结　语

无刷双馈发电机风力发电系统的建模与控制

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[2]　徐建俊.电机与电气控制[M].北京:清华大学出版社,2004.[3]　陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].北京:

本文在分析电励磁凸极同步电动机数学模型的

基础上,从理论上推导了在保持转子励磁电流和定子磁链幅值恒定的情况下,当δ∈(0,δm)时,电磁转矩随着转矩角δ的增大而增大,随着δ减小而减小,通过调节电机定子磁链的旋转可以改变转矩角δ,从而达到调节电磁转矩的目的。

通过对励磁电流的控制来抵消阻尼绕组中的感应电流,从而降低阻尼绕组对系统的影响。根据此控制思想,设计了电励磁同步电动机直接转矩控制系统,仿真结果表明该控制方法是可行的,系统具有良好的静、动态性能和抗扰特性。

机械工业出版社,2003.

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上海:上海交通大学出版社,1989.

[5]　周扬忠,胡育文,黄文新,等.低转矩磁链脉动型电励磁同步电

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(7):152-157.

[6]　周扬忠,胡育文,黄文新,等.阻尼绕组对直接转矩控制同步电

机动态行为的影响[J].航空学报,2005,26(4):476-481.

[7]　洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].

北京:机械工业出版社,2006.

作者简介:谭刚雷(1983-),男,硕士研究生,研究方向为电机

控制与电力电子技术。

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无刷双馈发电机风力发电系统的建模与控制

刘广忱,王生铁,刘瑞明,张润和

(内蒙古工业大学,内蒙古呼和浩特010051)

摘　要:从转子参考坐标系dq模型出发,研究功率绕组和控制绕组双同步MT坐标系下的无刷双馈发电机(BD2

FG)数学模型,建立了包括BDFG、风力机及机械传动链的风力发电系统数学模型。根据风力机和BDFG的特性,采

关键词:风力发电;无刷双馈电机;最大功率追踪;矢量控制

中图分类号:TM315　　文献标识码:A　　文章编号:1004-7018(2009)09-0052-05

ModelingandControlofWindPowerGenerationSystemwithBrushlessDoubly-FedGenerator

LIUGuang-chen,WANGSheng-tie,LIURui-ming,ZHANGRun-he

(InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China)

Keywords:powergeneration;brushlessdoubly-fedgenerator(BDFG);maximumpowerpointtracking(MPPT);vectorcontrol

0引　言

并网型风力发电系统中,要求风电的频率与电网频率保持一致,即频率保持恒定。实现发电机恒

收稿日期:2009-01-09

BDFG风力发电系统是变速恒频风力发电领域的发

展趋势之一

[1-5]

。

目前,有关BDFG风力发电系统的研究主要集中在BDFG的结构及性能、等效电路及数学模型和控制策略等方面

[1-3,6-7]

。文献[8-10]分别采用矢

无

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1BDFG风力发电系统数学模型

1.1系统原理

BDFG的基本结构是一个定子、一个转子和一

套公共磁路,如图1所示。定子上装有两套三相绕组,一套为功率绕组,极对数为pp,与工频电网直接

改稿日期:2009-02-10

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riveandcontrol

连接;另一套为控制绕组,极对数为pc,通过变换器磁链方程为:

接电网。

ψqp=Lpiqp+Mpriqrpψdp=Lpidp+Mpridrpψqrp=Lri

qrp+Mpriqpψdrp=Lridrp+Mpridpψ(3)

qc=Lciqc+Mcriqrc

ψdc=Lcidc+Mcridrc

ψqrc=Lriqrc+Mcriqc图1　BDFG风力发电系统示意图

ψdrc

Lridrc+Mcri

dBDFG功率绕组的电频率为:

式中:ψ为磁链

。

fpnn(p+p)

60±f(1)

电磁转矩方程为:

式中Te=ppMpr(iqpid

r-idpiqr

)+pcMcr(iqcidr+idciqr)(4)

分别建立在各自的同步BDFG风力发电系统原理如图1所示,其中,网速侧变换器通过M

,确保机侧变换器乃至整个BDFG控制绕组系统可靠工作;现BDFG

Tdq坐标系关系如图3所示。功率和控制绕组由转子速dq坐标系变换到定子双同步速MT坐标系的变换公式分别为:

1.2BDFG数学模型

图2为BDFG一相电路图。假定磁路是线性VMpcosθpsinp

Vdp的,并忽略除pV=

(5-sinθpcos)Vqp、pc次以外的其它谐波,根据电机多

MccsincVdcV=

cosθ-sinθc

cosV(6)

q式中:M、T下标分别表示MT坐标系下M、T轴分量。

利用式(5)和式(6)对式(2)～

式(4)进行变

图2　BDFG一相电路图

换,可以得到BDFG在定子双同步速MT坐标系下

回路理论,通过坐标变换,可以得到BDFG的转子速的数学模型:

dq坐标系电压方程:uMpiMp-ψTpψMp

uqp=(rp+pLp)iqp+ppωrLpidp+p

Mpriqr+ppωrMpridru=-rp

-ωp-iψMp

ψudp=-ppωrLpiqp+(rp+pLp)idp-ppωrMpriqr+p

MpridψMpuqc=(rc+pLc)iqc+pcωrLcidc-pMcriqr+pcωrMcridrψ=LiMpiMp-Mpr

iiudc=-pcωrLciqc+(rc+pLc)idc+pcωrMcriqr+pMcridruMciMcψTc0=pMpriqp-pMcriqc+(rr+pLr)iqru=rc

i+ωc

-ψ+ψMc

Mψ(7)

0=pMψpridp+pMcridc+(rr+pLr)idr

Mcψ=LiMc-iMc

c+Mcr

(2)

iiTc

式中:下标p、c、r分别为功率绕组、控制绕组和转

ψ=Li-MMpMc

rp+MiiTc

无

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系统的建模与控制

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Pmax=kwωw

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式中:ωc=ωp-(pp+pc)ωr,ωs=ωp-ppωr。

电磁转矩方程为:

Te=ppMpr(iTpiMr-iMpiTr)+pcMcr(iTciMr+iMciTr)

ρkw=0.53

λC(11)

(8)

1.3风力机数学模型

根据风力机的空气动力学特性,当空气密度为

ρ的气流以速度v流过面积为A的区域时,风力机从风能中吸收的功率和轴上产生的转矩为:

Pw=0.5Cpρv(9)PTw=

ωw

式中:Cp为风能利用系数,即风轮将风能转变为机

械能的效率,是叶尖速比λ与桨叶节距角α的函

ωR

数,λ=,R为叶片半径,ωw为风力机角速度。

1.4机械传动链数学模型

从风力机轮毂到发电机转子之间的联轴器和齿轮箱可近似地用一阶惯性环节描述为:

Tw-TlTl=

τdtm

(10)

式中:Tl为发电机机械转矩;Tw的机械转矩;τm;

2BDFG对于特定的风机,Cp只有在λ为某一定值时最大。在恒速运行的风力机中,由于风力机转速不变,而风速经常在变化,因此λ不可能经常保持在最佳值(

无刷双馈发电机风力发电系统的建模与控制

3BDFG风力发电系统矢量控制策略

ψMp=ψψTp=0

uMp=0uTp=-up

u(12)

能转换为机械能的效率问题可以得到最佳解决。

根据式(2),可以推导出不同风速下风力机的输出功率与转速之间的关系,如图4所示。图中不

ψ=

ωp

P=-1.5upiTp

Q=-1.5upi　　由上式可知,若有功功率P、无功功率Q给定,

图4　风力机最大风能追踪原理

同风速下风力机的功率转速曲线组成了曲线簇,每

条功率转速曲线上最大功率点的连线称为风力机的最佳功率(Popt)曲线。风力机运行在Popt曲线上将会输出最大功率Pmax,其值为:

则可算出给定的功率绕组电流两分量iTp和iMp,再根据式(7)可得:

ψ+LiiMr=-iTr=

MpriTpLspMpr

(13)

　　微特电机　　2009年第9期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

驱动控制riveandcontrol

ψMr=-MpriMp-McriMc+LriMψTr=-MpriTp+McriTc+LriTr

将式(14)代入式(7),可得:

ri-ωMi+ωLiiMc=ωsMcr

iTc=

rriMr

+ωsMpriTp-ωsLriTr

ωsMcr

(14)

由图6可以看出,BDFG风力发电系统的有功功率和无功功率可以独立进行调节,即实现了有功和无功功率解耦控制。

(15)

由式(7)可得:

ψMc=LciMc-McriMuMcuTc

ψTc=LciTc+Mcri=(rc+Lcp)iMc+ωcLciTc+ωcMcri

=(rc+Lcp)iTc-ωcLciMc+ωcMcri(16)

(17)

式(13)～式(17)构成了BDFG发电运行时定子功

率绕组磁场定向的控制依据,并可由此构建如图5所示的BDFG风力发电系统矢量控制框图。

4.3MPPT仿真结果

仿真中设定无功功率给定值Q=0,并网后的风速为4/s,在第20s5m/s,仿真为系统起动过程。

,v下BDFG的理论最佳:

λoptvωropt=N=×7.846≈16.42v(18)

w4.3

　　按式(18),可计算出4m/s和5m/s两种风速下BDFG的理论最佳角速度分别应为65.88rad/s和82.1rad/s。

图7d为功率绕组输出的有功功率和无功功率的变化情况。从图中可以看出,实现MPPT控制的同时还实现了有功、无功功率解耦控制。

无

刷双馈发电机风力发电系统的建模与控制

图5　BDFG风力发电系统矢量控制框图

4BDFG风力发电系统控制仿真研究

4.1仿真模型及参数

表1　仿真参数

项　　目

BDFG(折算至功率绕组)

参　　数

J=0.02N・m・s2/rad,kp=0,pp=3,rp=2.

655Ω,Lp=0.15576H,Mpr=0.14543H,

pc=1,rc=2.638Ω,Lc=0.1073H,Mcr=

0.1066H,r=

4.7942Ω,L=0.26306H

风力机机械传动链

5kW,Cpmax=0.43,叶片半径Rw=4.3m,额

定风速9m/s,最佳叶尖速比λopt=9齿轮箱变比N=7.846,τ=0.1s

4.2有功和无功功率解耦控制仿真结果

图6为BDFG风力发电系统有功和无功功率解耦控制仿真结果。其中,图6a为有功功率独立调节

驱动控制　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　微特电机　　2009年第ri

veandcontrol

9期　　

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　　从整个系统的仿真结果来看,仿真工作验证了

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作者简介:刘广忱(1975-),男,博士研究生,讲师,研究方向为新能源发电技术、电力电子与电力传动。

(上接第49页)

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作者简介:谭刚雷(1983-),男,硕士研究生,研究方向为电机

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