團(tuán)隊(duì)介紹

張鳳閣，教授，博士生導(dǎo)師。1984年畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)并留校任教，之后分別于1990年和2000年獲沈陽工業(yè)大學(xué)電機(jī)與電器學(xué)科碩士和博士學(xué)位。2000年被破格晉升為教授，2003年評(píng)聘為博士生導(dǎo)師。

曾于2001-2005年間先后兩次應(yīng)邀赴德國Esslingen工業(yè)大學(xué)做高級(jí)訪問學(xué)者和訪問教授。是目前國內(nèi)電機(jī)學(xué)科唯一的教育部（國家級(jí)）創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人，為沈陽工業(yè)大學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科——電機(jī)與電器學(xué)科的學(xué)科建設(shè)責(zé)任教授和學(xué)科帶頭人，并擔(dān)任國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)小功率電機(jī)專委會(huì)副主任委員和大電機(jī)專委會(huì)委員，中國機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)高等學(xué)校電機(jī)學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)副主任委員。

先后被授予遼寧省首批特聘教授、遼寧省優(yōu)秀青年骨干教師和遼寧省教學(xué)名師等多項(xiàng)榮譽(yù)稱號(hào)，入選“國家新世紀(jì)百千萬人才工程”、“遼寧省百千萬人才工程百人層次”和“遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才”，是享受國務(wù)院政府特殊津貼專家。

近年來完成或在研：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目2項(xiàng)、面上項(xiàng)目6項(xiàng)、國際合作與交流項(xiàng)目1項(xiàng)，歐盟國際合作項(xiàng)目1項(xiàng)，國家引智計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)，省部級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目7項(xiàng)。獲省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)5項(xiàng)，省發(fā)明獎(jiǎng)和自然科學(xué)三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，獲授權(quán)國家發(fā)明專利19項(xiàng)、實(shí)用新型專利32項(xiàng)。在IEEE Trans.TIE、TEC、TIA等在內(nèi)的國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物和國際學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表論文二百余篇，其中被SCI、EI等國際重要檢索刊物收錄一百二十余篇。在國家自然科學(xué)基金資助下，出版學(xué)術(shù)專著《磁場調(diào)制式無刷雙饋交流電機(jī)》一部。

導(dǎo)語

本文針對(duì)一種新型復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率繞組有功和無功功率控制需求，根據(jù)控制繞組磁鏈所在扇區(qū)和功率偏差，采用查找表方式優(yōu)化了控制繞組機(jī)側(cè)變流器的電壓空間矢量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)該風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行最大功率跟蹤及單位功率因數(shù)的有效控制。

研究背景

現(xiàn)有風(fēng)電系統(tǒng)中廣泛采用的傳統(tǒng)有刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)均難以滿足大型海上風(fēng)電系統(tǒng)日益增長的高可靠性和高性價(jià)比等客觀需求。無刷雙饋電機(jī)無電刷和集電環(huán)，具有免維護(hù)和較高的可靠性，所需變流器容量不到電機(jī)額定容量30%，且可以運(yùn)行在亞同步、同步和超同步等較寬速度變化范圍，使之具有較高的性價(jià)比和控制優(yōu)勢，極有可能成為風(fēng)電系統(tǒng)中雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)的有力競爭者。

本文從風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制中更為關(guān)注的功率控制需求出發(fā)，對(duì)所提新型復(fù)合轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其直接功率控制進(jìn)行深入研究，具有較為重要的科學(xué)研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

本文針對(duì)一種新型復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（如圖1所示）無刷雙饋發(fā)電機(jī)，基于磁場調(diào)制理論推導(dǎo)了其空間矢量數(shù)學(xué)模型、等效電路及電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，定性分析了該新型轉(zhuǎn)子對(duì)電機(jī)定子磁場耦合能力及電磁轉(zhuǎn)矩的增強(qiáng)作用。并結(jié)合無刷雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)理及其最大功率跟蹤原則，提出了一種對(duì)功率繞組有功和無功功率進(jìn)行有效控制的方法。通過特性仿真及實(shí)驗(yàn)測試對(duì)比研究，證實(shí)了所提直接功率控制的正確性、有效性和可行性。

圖1 復(fù)合轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子展開示意圖

新型復(fù)合轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機(jī)定子繞組間互感及其生成的電磁轉(zhuǎn)矩為：

公式（1）

公式（2）

由上式可知，互感系數(shù)比傳統(tǒng)磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時(shí)增加了第二項(xiàng)參數(shù)，因此所提新型復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)其功率繞組與控制繞組之間互感及電磁轉(zhuǎn)矩等均具有一定的增強(qiáng)作用。

基于瞬時(shí)功率理論，可以得到α-β坐標(biāo)系下無刷雙饋發(fā)電機(jī)功率繞組有功及無功功率表達(dá)式為：

公式（3）

本文所提直接功率控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。工作中，系統(tǒng)將對(duì)功率繞組實(shí)時(shí)計(jì)算得到的有功和無功功率與給定值進(jìn)行比較得到功率偏差信號(hào)，再結(jié)合控制繞組磁鏈所在扇區(qū)，從而優(yōu)化選擇控制繞組機(jī)側(cè)變流器有效電壓空間適量，并完成系統(tǒng)的直接功率控制需求。其中，有功功率給定值按照風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤原則計(jì)算得到，而無功功率根據(jù)單位功率因數(shù)控制需求，設(shè)置為0。

圖2 直接功率控制系統(tǒng)原理框圖

為理解所提直接功率控制機(jī)理，給出無刷雙饋發(fā)電機(jī)由轉(zhuǎn)軸輸入發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率及其功率繞組和控制繞組分量表達(dá)式為：

公式（4）

由公式（4）可知，若忽略電機(jī)定子繞組銅耗及其磁場儲(chǔ)能變化，其電磁功率與機(jī)械功率近似相等。因此，可以通過對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)有功功率Pp的控制，即通過對(duì)公式（2）中轉(zhuǎn)矩角γ的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)功率繞組有功功率的控制。

對(duì)系統(tǒng)功率繞組無功功率的控制，可依據(jù)如下述控制邏輯：由于無刷雙饋發(fā)電機(jī)也是基于雙邊勵(lì)磁方式，在認(rèn)為定子磁場恒定的條件下，若增加（或減少）某套繞組（如控制繞組）的勵(lì)磁電流（即勵(lì)磁磁場，其與無功功率成正比），則另一套繞組（即功率繞組）的勵(lì)磁電流（無功功率）將會(huì)相應(yīng)地減少（或增加），從而完成對(duì)系統(tǒng)無功功率的有效控制。

實(shí)際控制中，是通過查找表方式得到系統(tǒng)有功和無功功率控制所需的機(jī)側(cè)變流器電壓空間矢量，從而完成對(duì)系統(tǒng)有功和無功功率的控制。

由系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速階躍變化（由417r/min上升到459r/min）時(shí)，功率繞組和控制繞組頻率分別為工頻50Hz和-8.3Hz、-4.1Hz（負(fù)值表示二者相序相反），控制系統(tǒng)通過及時(shí)調(diào)整控制繞組勵(lì)磁電流頻率和相序，即可確保功率繞組饋電系統(tǒng)的變速恒頻發(fā)電運(yùn)行。

同時(shí)，系統(tǒng)的有功和無功功率能較好地跟蹤參考值（有功功率MPPT值分別為-11.8kW、-15.4kW，負(fù)值表示發(fā)電狀態(tài)饋送有功功率），且可以通過將系統(tǒng)無功功率給定值置零來實(shí)現(xiàn)功率繞組的單位功率因數(shù)控制。對(duì)比結(jié)果也表明，功率繞組電流的總諧波畸變率較低，分別僅為2.34%、2.23%和2.4%、2.1%。

結(jié)論

本文提出了一種磁障式磁阻轉(zhuǎn)子輔以同心式并聯(lián)短路籠條結(jié)構(gòu)的新型復(fù)合轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，推導(dǎo)了與磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等效的電壓平衡方程、等效電路及電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，并定性分析了該復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)其磁場調(diào)制能力和電磁轉(zhuǎn)矩的增強(qiáng)作用。

針對(duì)大容量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、尤其是海上風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)單機(jī)容量越來越大及其對(duì)功率控制越來越高的客觀要求，采用直接功率控制對(duì)8/4極25kW新型無刷雙饋發(fā)電機(jī)樣機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，理論分析及實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果證實(shí)了所提新型復(fù)合轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻發(fā)電及其最大功率跟蹤的直接功率控制方法的正確性、可行性和有效性。

引用本文

蘇曉英, 朱連成, 金石, 張鳳閣, 孫丹. 一種復(fù)合轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接功率控制研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.