HUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目無刷雙饋風力發(fā)電機的建模和功率因數(shù)控制研究學生姓名學生學號專業(yè)班級學院名稱電氣與信息工程學院指導(dǎo)老師學院院長2015年5 月[摘要]介紹了無刷雙饋異步風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)及其發(fā)電調(diào)速原理。從無刷雙饋電機的基本方程出發(fā)，通過坐標變換，建立了無刷雙饋電機在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系下的d-q模型，并進行了Matlab建模和仿真。仿真結(jié)果驗證了模型的正確性，可作為無刷雙饋異步風力發(fā)電機變速恒頻發(fā)電控制研究的參考，同時對于風電場的運行和維護人員也有一定的指導(dǎo)意義。以變速恒頻風力發(fā)電為背景，根據(jù)無刷雙饋電機原理和模糊控制理論設(shè)計了模糊控制器，應(yīng)用此模糊控制器對無刷雙饋電機發(fā)電運行狀態(tài)的功率因數(shù)進行控制，并在Simulink環(huán)境下進行了仿真。仿真結(jié)果表明，模糊功率因數(shù)控制器很好地追蹤了功率因數(shù)的變化，并且保證了功率繞組電流頻率不變，實現(xiàn)了變速恒頻發(fā)電。[Abstract]Thestructureofasynchronousbrushlessdoubly-fedwindturbinesandgenerateelectricitygovernorworks.FromthebasicequationBDFMdeparture,coordinatetransformation,establishedinBDFMrotorrotatingcoordinatesystemdqmodel,andtheMatlabmodelingandsimulation.Simulationresultsverifythecorrectnessofthemodelcanbeusedasabrushlessdoubly-fedinductionwindturbineVSCFpowergenerationcontrolstudyofreference,whileoperationsandmaintenancepersonnelforthewindfarmalsohassomesignificance.InVSCFwindpowergenerationasthebackground,accordingtoBDFMprincipleandfuzzycontroltheoryafuzzycontroller,applythefuzzycontrollerBDFMgeneratoroperationstatusofthepowerfactorcontrolandSimulinkenvironmentundersimulated.Thesimulationresultsshowthatthefuzzypowerfactorcontrollergoodtrackpowerfactorofchange,andtoensurethatthepowerwindingcurrentfrequencychange,toachievetheVSCFpowergeneration.HUNANUNIVERSITY 1第一章概述 61.1論文研究背景及意義 61.2風力發(fā)電概述 61.2.1全球風電行業(yè)發(fā)展概況 61.2.2中國風電行業(yè)概況 91．2無刷雙饋電機的發(fā)展與研究現(xiàn)狀 111．3無刷雙饋電機的研究意義 131.4無刷雙饋電機的控制方法 14第二章BDFM的結(jié)構(gòu)及其調(diào)速和恒頻發(fā)電原理 142.1基本原理結(jié)構(gòu) 142.2 運行原理 152.3無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)子速d-q坐標系模型 172.4 BDFM穩(wěn)態(tài)發(fā)電時的數(shù)學建模 182.4.1 空載穩(wěn)態(tài)情況 182.4.2負載穩(wěn)態(tài)情況 19第三章 BDFM的仿真結(jié)果與分析 193.0仿真參數(shù) 193.1 作調(diào)速機仿真 203.1.1單饋運行仿真 203.1.2 同步運行和雙饋運行仿真 213.2作為發(fā)電機時的仿真 223.2.1空載模型仿真 223.2.2負載模型仿真 24第四章 模糊控制器設(shè)計 264.1結(jié)構(gòu)選擇 274.2知識的獲取 274.3參數(shù)的確定 304.4規(guī)則表示 32第五章 功率因數(shù)控制仿真 345.1給定功率因數(shù)變化 365.2給定風速變化 37結(jié)論 38參考文獻 39致謝 40第一章概述1.1論文研究背景及意義風能是一種清潔而穩(wěn)定的可再生能源，在環(huán)境污染和溫室氣體排放日益嚴重的今天，風力發(fā)電作為全球公認可以有效減緩氣候變化、提高能源安全、促進低碳經(jīng)濟增長的方案，得到各國政府、投融資機構(gòu)、技術(shù)研發(fā)機構(gòu)、項目運營企業(yè)等的高度關(guān)注。相應(yīng)地，風電也成為近年來世界上增長最快的能源。

1.2風力發(fā)電概述1.2.1全球風電行業(yè)發(fā)展概況

全球風電行業(yè)發(fā)展特征與趨勢

全球風電行業(yè)市場高度集中，新興市場未來發(fā)展迅速

風電產(chǎn)業(yè)在全球普及的程度有所提高，目前已有100多個國家開始發(fā)展風電，但主要市場還是相對集中，并受歐洲、亞洲和北美的主導(dǎo)，根據(jù)全球風能理事會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2007年上述三個地區(qū)在全球風電總裝機容量中占據(jù)97.62%比例，至2013年底，依然保持96.91%的比例。從國家來看，截至2013年底，全球前十大風電裝機容量國家總共的裝機容量占全球總量的84.8%，其中前五大國家合計占全球總量的72.2%。2013年全球前十大新增裝機容量國家新增容量合計占全球新增總量的81.0%，其中前五大國家新增裝機容量合計占全球總量的69.2%。

除了歐洲、北美、亞洲之外，非洲和拉丁美洲也顯現(xiàn)出快速發(fā)展的跡象。根據(jù)全球風能理事會的預(yù)測，拉丁美洲風機裝機容量在2010年至2015年間將實現(xiàn)56.75%的年復(fù)合增長率，其中巴西和墨西哥是拉丁美洲風電發(fā)展較集中的地區(qū)。

風力發(fā)電成本已經(jīng)初步具備競爭優(yōu)勢

風力發(fā)電是目前技術(shù)最成熟和最具商業(yè)應(yīng)用價值的可再生能源之一，與傳統(tǒng)能源相比，風力發(fā)電有著清潔、安全、可再生等優(yōu)點。在忽略火力發(fā)電環(huán)境治理投資和運營費用的基礎(chǔ)上，“成本過高”曾經(jīng)被認為是風電的弱點，但作為全球減排的最重要手段之一，風力發(fā)電的經(jīng)濟性受到越來越多的關(guān)注，隨著風電在能源供應(yīng)中的比例日益增大，各風電運營企業(yè)不斷提高成本意識，致力于減少風電與傳統(tǒng)電力間的成本差異，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

一方面，風機價格下降降低了風電成本。自2004年中期開始，高漲的風電市場需求曾經(jīng)使風機的價格一路飆升。然而到2008年，由于配套生產(chǎn)能力的提高及關(guān)鍵部件和主要部件的供應(yīng)基本平衡，風機的價格開始趨于平穩(wěn)。2009年以來，隨著我國風機產(chǎn)能的不斷增長，歐美市場需求受全球金融危機等綜合因素影響，風機制造商在成本和質(zhì)量上的競爭日益激烈，風機價格持續(xù)下降。因為風機價格的下跌，2011年初風電成本已經(jīng)降到了歷史新低。

另一方面，風電場選址的優(yōu)化，風場運營效率的提高，風機質(zhì)量和維護水平的提升等同樣起到了降低風電成本的作用。

目前，在北美以及歐盟各國，風電的收購價格已經(jīng)和其他能源一致。

風電機組技術(shù)更新速度快，機組大型化成為發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代風電技術(shù)的不斷發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。第一，風電機組呈現(xiàn)大型化趨勢。理論上，風電機組單機功率越大，每千瓦小時風電成本越低，因此風電機組的技術(shù)發(fā)展趨勢向增大單機容量、減輕單位千瓦重量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。大型風機的出現(xiàn)，也為開發(fā)海上風電提供了條件。第二，風電機組向適應(yīng)低風速區(qū)發(fā)展。隨著風能轉(zhuǎn)化效率的提高，使得過去較低風速區(qū)域也可以建設(shè)大規(guī)模的風電場，推動了風力發(fā)電在更廣泛的范圍內(nèi)快速發(fā)展。海上風電快速增長，將成為風電開發(fā)的重要發(fā)展方向

從全球風電的發(fā)展情況來看，由于陸地風電場可開發(fā)的地方逐漸減少，而海上風能資源豐富穩(wěn)定，且沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，電網(wǎng)容量大，風電接入條件好，風電場開發(fā)已呈現(xiàn)由陸上向近海發(fā)展的趨勢。

全球共有12個國家建立了海上風電場，其中10個在歐洲，其余為我國和日本，我國東部沿海的經(jīng)濟發(fā)展和電網(wǎng)特點與歐洲類似，適于大規(guī)模發(fā)展海上風電，國家已經(jīng)推出了江蘇及山東沿海兩個千萬千瓦級風電基地的建設(shè)規(guī)劃，并出臺了《海上風電開發(fā)建設(shè)管理暫行辦法》。與此同時，海上風電建設(shè)也取得了重大突破，2010年我國第一個國家海上風電示范項目——上海東海大橋102MW海上風電場的34臺機組已經(jīng)實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

各國鼓勵風電發(fā)展相關(guān)政策情況

目前，亞洲、歐洲、北美是全球風電最為發(fā)達的三個地區(qū)，引領(lǐng)著全球風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這三個地區(qū)的累計裝機容量超過全球裝機總?cè)萘康?7%。其中，歐美均屬于發(fā)達國家，無法享受到CDM的收益，但是，其政府制定的風電激勵機制，很好的支持著本國風電產(chǎn)業(yè)的長期蓬勃發(fā)展。其支持風電發(fā)展的主要政策如下：

1.2.2中國風電行業(yè)概況

目前，我國已經(jīng)成為風力全世界發(fā)電規(guī)模最大、增長速度最快的市場。據(jù)統(tǒng)計，2001年至2013年全世界風電累計裝機容量的年增長率為24.08%，而同期我國風電累計裝機容量的年增長率為57.12%，增長率居世界第一；2013年，我國新增風電裝機容量16,100MW，占當年全球新增裝機容量的45.4%，居世界第一。

我國風能資源概況我國幅員遼闊、海岸線長，陸地面積約為960萬平方千米，海岸線（包括島嶼）達32,000千米，風能資源豐富，并具有巨大的風能發(fā)展?jié)摿?。我國氣象局?009年公布了最新數(shù)據(jù)，三級以上風資源陸上可開發(fā)量為2,380GW（三級風能資源指風功率密度大于300瓦/平方米），達到四級以上的為1,130GW（四級風能資源指風功率密度大于400瓦/平方米）。我國風能資源分布與現(xiàn)有電力負荷不匹配。南方尤其東南沿海電力負荷大，但是其對應(yīng)的風能可利用面積??；西部和北部地區(qū)有很豐富的風能資源，其電力負荷卻較小，這對獲得風電開發(fā)利潤造成了困難。由于風能資源豐富的地區(qū)大多都距離電力負荷中心很遠，所在地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)建設(shè)薄弱，要想大規(guī)模開發(fā)，必需要加強電網(wǎng)建設(shè)。

風能資源的季節(jié)分布

我國風能資源的季節(jié)性很強，一般春、秋和冬季豐富，夏季貧乏，不過風能資源的季節(jié)分布恰好與水能資源互補。我國水能資源是夏季豐富，雨季在南方大致是3-6月或4-7月，因此，大規(guī)模發(fā)展風力發(fā)電可以在一定程度上彌補我國水電冬春兩季枯水期發(fā)電電力和電量的不足。我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

我國從20世紀80年代開始風電場建設(shè)，在其后的十余年中,經(jīng)歷了初期示范階段和產(chǎn)業(yè)化建立階段，裝機容量平穩(wěn)緩慢增長。從2003年開始，風電場建設(shè)進入規(guī)?；?、國產(chǎn)化階段，裝機容量增長迅速。尤其是2006年開始，連續(xù)4年裝機容量翻倍，形成了井噴式的增長。風電的快速發(fā)展，也促使規(guī)劃目標不斷地修正和完善。在2003年召開的全國大型風電場建設(shè)前期工作會議上，國家發(fā)改委部署開展全國大型風電場建設(shè)前期工作，要求各地開展風能資源詳查、風電場規(guī)劃選址和大型風電場預(yù)可行性研究工作。通過此項工作，各省（自治區(qū)、直轄市）基本摸清了風能資源儲量，結(jié)合風電場選址，提出了各自的規(guī)劃目標，為風電的快速發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。

據(jù)全球風能理事會的統(tǒng)計，2010年，我國共新增風電機組12,904臺，新增裝機容量達18,928MW，2011年新增容量18,000MW，全球新增容量持續(xù)排名第一，2012年新增容量12,960MW，位列全球新增裝機容量第二位，2013年新增容量16,100MW,全球新增裝機容量第一。2010年底我國累計風電裝機量為44,733MW，全球累計裝機排名由2008年的第4位、2009年的第2升到第1。2011年至2013年累計裝機增長率分別為40.24%、20.07%、21.37%。我國風電行業(yè)發(fā)展趨勢

為滿足“十二五”規(guī)劃1億kW的風電裝機目標，我國確定了三條具體的風電規(guī)劃路徑，分別為陸上大型基地建設(shè)、陸上分散式并網(wǎng)開發(fā)、海上風電基地建設(shè)，具體如下：

a.繼續(xù)建設(shè)陸上大型基地。雖然八大千萬千瓦級風電基地是我國風電最為集中的地區(qū)，但其開發(fā)空間仍非常廣闊。根據(jù)國家《新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃》草案，到2020年，八大千萬千瓦級風電基地的裝機容量將超過1.35億kW，保證我國3,000多億千瓦時電能的輸出和消納，實現(xiàn)國家可再生能源中長期規(guī)劃的目標。

b.進行陸上分散式并網(wǎng)開發(fā)。山西、遼寧、黑龍江、寧夏等部分地區(qū)，風能資源品質(zhì)和建設(shè)條件較好，適宜開發(fā)建設(shè)中小型風電場。河南、江西、湖南、湖北、安徽、云南、四川、貴州以及其他內(nèi)陸省份，也有一些資源條件和建設(shè)條件較好、適宜進行分散式并網(wǎng)開發(fā)的場址。“十二五”期間，我國將在上述地區(qū)因地制宜開發(fā)建設(shè)中小型風電項目。

c.建設(shè)海上風電基地。在江蘇、山東、河北、上海、浙江、福建、廣東、廣西和海南等沿海區(qū)域開發(fā)建設(shè)海上風電場。到2015年底，實現(xiàn)海上風電場裝機容量500萬kW。

1．2無刷雙饋電機的發(fā)展與研究現(xiàn)狀無刷雙饋電機是從級聯(lián)機發(fā)展過來的，它的結(jié)構(gòu)簡單，綜合了同步、異步等多種運行方式。級聯(lián)機包括2臺異步電機，是由Hunt將2電機的轉(zhuǎn)子軸反向連接。級聯(lián)機在正常狀態(tài)下工作時，一臺電機的定子接在工頻電源上，另一臺電機的定子串聯(lián)電阻。級聯(lián)機通過改變阻值大小對系統(tǒng)調(diào)速。自級聯(lián)機的定子有2條繞組，轉(zhuǎn)子也有2條繞組，并且2套繞組有不同的極對數(shù)。2臺電機的2套定子繞組通過其結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了無刷化。之后在這個基礎(chǔ)上出現(xiàn)了自級聯(lián)機。自級聯(lián)機調(diào)速和級聯(lián)機調(diào)速原理相似，其定子的1套繞組接到工頻電源，起到功率傳輸?shù)淖饔?；?套繞組串接電阻以便于調(diào)速。上世紀70年代，含1種新型轉(zhuǎn)子的改良級聯(lián)機被發(fā)明了。該類轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)依然是鼠籠式的，卻在導(dǎo)條分布上與之前的轉(zhuǎn)子有區(qū)別。運行時，該類轉(zhuǎn)子可以讓自級聯(lián)機磁路有2個極數(shù)不同磁場，由其間的相互作用以傳遞能量。改進其運行模式為：其定子的1套繞組與工頻電網(wǎng)相連，另1套串接變頻電路或電阻，能用對變頻電路或電阻的變動來改變系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，此時自級聯(lián)機工作在異步運行模式。自級聯(lián)機定子的1套繞組接工頻電網(wǎng)，而另1套接直流源時，自級聯(lián)機的工作在同步運行模式。變頻器產(chǎn)生之后，自級聯(lián)機定子的1套繞組接工頻電網(wǎng)，而另1套由變頻器與電網(wǎng)連接，使其能量可雙向流動。再者改進自級聯(lián)機的工作模式種類也相應(yīng)增加了。當能量流經(jīng)變頻器向電網(wǎng)回饋時，其在亞同步速模式下。當電網(wǎng)通過變頻器向電機輸入能量時，其工作在超同步速模式下。這時自級聯(lián)機就被稱為“無刷雙饋電機”。對BDFM的研究目前主要有以下幾個方向：電機數(shù)模建立、電機應(yīng)用研究、電機結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機控制研究等。國外對這個的研究較早且寬。不斷改良電機結(jié)構(gòu)，并不斷完善數(shù)模，對多種適用的控制法進行了探究，為BDFM的實際運用打下了基礎(chǔ)。俄州州立大學在建模及控制策略等方面有過較多研究。在電機數(shù)模方面先后提出了混合坐標模型、轉(zhuǎn)子速坐標數(shù)學模型、網(wǎng)路模型、雙同步坐標數(shù)學模型等。對于BDFM控制策略的研究，主要包括標量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量解耦控制、智能控制等。再者，幾年來對BDFM應(yīng)用的研究也是越來越重視的，目前BDFM主要用于風水能發(fā)電、中高壓調(diào)速系統(tǒng)等方面。總之，無刷雙饋電機研究還處于初級階段，還離廣泛推廣很遠。國內(nèi)起步比較晚，自90年代起才開始對BDFM進行研究。目前成果不多不明顯，還沒有實現(xiàn)其在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。因此，在BDFM的研究方面上，我們還有很長的路要走。1．3無刷雙饋電機的研究意義電機自動控制研究領(lǐng)域中，特別追求開發(fā)成本低、性能好的新型交流電機調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速是不僅備受歡迎而且發(fā)展?jié)摿Ψ浅４蟮囊环N交流調(diào)速方法。然而仍然存在以下的主要問題：（1）成本高。異步電機的全部功率都要經(jīng)過所連接的變頻器，相應(yīng)對變頻器容量有較大量的要求，這加大了在變頻器方面的投入資金，這也就阻礙了異步電機發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用。（2）發(fā)電系統(tǒng)中有很大的諧波污染。普通異步電機的功率開關(guān)器件頻繁切換，導(dǎo)致其輸出電壓中除基波外還有著很大的諧波分量。電機的正常運行會受到諧波分量的不利影響，電網(wǎng)也會受其影響影響產(chǎn)生諧波污染。而無刷雙饋電機卻穩(wěn)妥的解決了上述2個問題。由上可得，BDFM有著簡單簡單的結(jié)構(gòu)、多種多樣的運行方式，不僅不需要電刷和滑環(huán)而且還可以實現(xiàn)雙饋運行。由于基本沒有維護需要，其系統(tǒng)成本因此變得很低?？偟膩碚f，BDFM有下面一些長處：(1)相較于電機總的功率，通過變頻器的功率很小，因此變頻器的容量被降低了很多，從而使調(diào)速系統(tǒng)變得更加經(jīng)濟劃算。(2)、，線損和無功補償裝置的成本由于調(diào)速系統(tǒng)能力的提高（因為功率因數(shù)可以調(diào)動）被減小了。(3)、系統(tǒng)運行的可靠性與有刷雙饋和串調(diào)系統(tǒng)相比，由于取消了電刷和滑環(huán)，提升了。(4)、即使在變頻器發(fā)生故障的情況下，電動機仍然可以運行于感應(yīng)電動機狀態(tài)下。(5)、無刷雙饋電機采用定子磁場定向矢量控制，可以快速控制電機輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，具有良好動態(tài)性能。(6)、電機具有硬的機械特性，以為其運行轉(zhuǎn)速僅與功率繞組和控制繞組的頻率及相序有關(guān)，而與負載轉(zhuǎn)矩無關(guān)。因此，與其他交流調(diào)速傳動系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)用于風機、泵類和壓縮機的節(jié)能調(diào)速，具有無比可擬的優(yōu)勢。1.4無刷雙饋電機的控制方法BDFM的控制采用的傳統(tǒng)控制方法有磁場定向控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、標量控制等。從傳統(tǒng)的控制方法來看，大多控制方法都有精確的公式推導(dǎo)，均給出了控制量的確切大小，但由于電機參數(shù)變化等原因的影響，控制的效果都不盡理想。BDFM電路存在著結(jié)果復(fù)雜，控制方程式復(fù)雜，諧波含量大等問題，電機的控制容易較大地受到電機的參數(shù)變化的影響，因而控制效果離達到很理想差很遠。由于現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，常規(guī)的控制器設(shè)計技術(shù)正漸漸被廣泛使用的軟計算技術(shù)所替代，這些方法有許多的好處，因而工業(yè)界很想開發(fā)和利用這些方法的系統(tǒng)。當前，模糊控制理論是能有效地解決復(fù)雜問題的。本文就是論述應(yīng)用模糊控制理論設(shè)計模糊控制器，并對無刷雙饋風力發(fā)電機發(fā)電狀態(tài)的功率因數(shù)實現(xiàn)閉環(huán)控制。第二章BDFM的結(jié)構(gòu)及其調(diào)速和恒頻發(fā)電原理2.1基本原理結(jié)構(gòu)BDFM是由級聯(lián)感應(yīng)電機發(fā)展而來的，其運行原理與通用電機區(qū)別較大。BDFM轉(zhuǎn)子分籠型轉(zhuǎn)子和磁阻轉(zhuǎn)子兩種，通常所說的BDFM是指籠型轉(zhuǎn)子式電機，本文就是研究這種電機的。其原理結(jié)構(gòu)可看作是圖1所示的兩臺繞線式異步電機級聯(lián)的系統(tǒng)[2-3]。級聯(lián)式無刷雙饋電機分別有2套定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組。為了方便區(qū)分，兩臺電機分別稱為功率電機（Pp對級）和控制電機（Pc對級）。兩電機的轉(zhuǎn)子繞組反相序連接[4],轉(zhuǎn)子軸機械相連,通過聯(lián)軸器驅(qū)動設(shè)備或與外部風車直接相連。功率繞組包含2套定子繞組和1套接頻率為fp的工頻電源；控制繞組為另1套接變頻器的工頻電源,其頻率為fc。沒有電刷和滑環(huán)，這種結(jié)構(gòu)不僅讓系統(tǒng)的可靠性提高了，也使變頻器的容量變小了。在本文中所采用的下標：p為功率側(cè)，c為控制側(cè)，r為轉(zhuǎn)子側(cè)，s為定子側(cè)。2.2 運行原理電機定子側(cè)功率繞組與工頻電源相接，控制繞組與電源之間連有變頻器，經(jīng)由控制繞組的電壓幅值和頻率便可使無刷雙饋電機的異步、同步、雙饋和變速恒頻發(fā)電運行[4]。根據(jù)原理圖1可得無刷雙饋電機在雙饋穩(wěn)定運行時的各旋轉(zhuǎn)磁場的相連關(guān)系，如圖2所示。變速恒頻雙饋風力發(fā)電整體系統(tǒng)機構(gòu)如圖3所示。由電機知識可以知道，功率繞組和控制繞組在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電流角頻率分別為：ωpr=ωp-ppωr，（1）ωcr=±ωc+pcωr（2）式中ωp（功率旋轉(zhuǎn)速），ωp=2πfc/pp；ωc（定子組旋轉(zhuǎn)速），ωc=2πfc/pc；ωr（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速）。BDFM在雙饋穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條上有唯一電流，且這2定子磁場在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出相同的電流頻率，即ωpr=ωcr，因此有：ωp-pcωr=±ωr+pcωr，（3）則雙饋穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)速：（4）式中“±”由2電機的定子、轉(zhuǎn)子相對相序決定：當功源和控源相序一致時取“+”，反之取“-”。當時的轉(zhuǎn)速稱為自然同步速，超同步運行取“+”，亞同步運行時取“—”。當控制繞組的頻率和電壓都取“0”時即短接可實現(xiàn)單饋異步運行。從式（4）可以看出，BDFM作電動機運行時，改變控制繞組的供電頻率fc可以用來改變轉(zhuǎn)速。同理，由式（4）可得：（5）由（5）式可看出，當連著風車的電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速改變時，通過掌控勵磁繞組輸入流頻，就可以讓電機輸出壓頻保持不變，以此達到變速恒頻發(fā)電運行，在超同步取減號，在亞同步的時候取加號。2.3無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)子速d-q坐標系模型BDFM在機械轉(zhuǎn)子d-q坐標系下建立的電壓方程[5]如式（6），其中pp功率繞組的極對數(shù)、rp電阻、lsp自感系數(shù)、Mp功率繞組與轉(zhuǎn)子的互感系數(shù)；pc控制繞組的極對數(shù)、rc電阻、lsc電感系數(shù)、Mc互感系數(shù)、；rr轉(zhuǎn)子電阻、lr自感系數(shù)和ωr電機的機械角速度；uqp、udp、uqc、udc、uqr、udr、iqp、idp、iqc、idc、iqr、idr都是瞬時值。下標q、d表示d-q坐標系下q、d軸分量；微分算子p。電磁轉(zhuǎn)矩方程[5]：Te=ppMp（iqpidr-idpiqr）+pcMc（iqcidr+idciqr）； （7）機械運動方程[6]：dωr/dt=(Te-Tl-Kdωr)/J（8）上述2式中：J轉(zhuǎn)子慣量、Kd阻尼系數(shù)、Tl是負載轉(zhuǎn)矩、Te總電磁轉(zhuǎn)矩。2.4 BDFM穩(wěn)態(tài)發(fā)電時的數(shù)學建模2.4.1 空載穩(wěn)態(tài)情況空載時功率側(cè)定子繞組斷開，即有iqp=idp=0。要是給定控制組輸入電壓or電流、電機轉(zhuǎn)速，取控制側(cè)電壓uqc、udc為輸入量，則由矩陣方程（6）拉氏變換后可得此時的電磁轉(zhuǎn)矩控制方程為：Te=pcMc（iqcidr+idciqr）。 （9）2.4.2負載穩(wěn)態(tài)情況PW外接三相對稱阻性負載設(shè)為R，電流、電壓的方向如圖4所示。有：ups=ipsrps+pψps=-ipsR。 （10）拉式變換，有：iqp（s）=-uqp（s）/R,idp（s）=-udp（s）/R(11)由（6）可得接負載時拉式變換后的電壓輸入控制方程。接負載時，已知條件是外接負載值、電機轉(zhuǎn)速、CW的電壓輸入量等。狀態(tài)量有iqr、idr、iqc、idc。此時的電磁矩與（7）式相同。第三章 BDFM的仿真結(jié)果與分析3.0仿真參數(shù)由上述電機方程可知，用Matlab的simulink可構(gòu)建BDFM作為調(diào)速機和發(fā)電機的模型。包含了以下內(nèi)容：仿真時間t、PW電壓頻率fp、PW電壓up、外接電阻Rl、CW電壓頻率fc、CW電壓峰值um。。3.1 作調(diào)速機仿真3.1.1單饋運行仿真模型仿真中，三相功率繞組直連到380V、50Hz的電網(wǎng)電源上，控制繞組三相直接短路，即Vqc=Vdc=0。表2中給出參數(shù)。5a、5b所示仿真圖即是此時電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。由圖5a可看出BDFM在0~1.5s時分別有1000r/min、945r/min、925r/min的電機轉(zhuǎn)速,此時BDFM的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性類似于6級感應(yīng)電機[4]；2~3s時電機轉(zhuǎn)速分別為650r/min、607.5r/min、694.8r/min，低于同步轉(zhuǎn)速750r/min，此時BDFM的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性與8級感應(yīng)電機相似；在1.5~2s，即負載為60Nm時出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速急劇下降的情況,也就是“轉(zhuǎn)換矩點[4]”，如果負載在這個“轉(zhuǎn)換矩點”附近變化，會使電機的運行情況出現(xiàn)不穩(wěn)定。從仿真結(jié)果得出，BDFM單饋運行時并不比傳統(tǒng)的感應(yīng)電機相比有多大的優(yōu)勢。3.1.2 同步運行和雙饋運行仿真功率繞組端仍然與幅值380V、頻率50Hz的電網(wǎng)電源相連，仿真轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩圖如圖5c、5d所示。給定如表3仿真參數(shù)。從仿真圖可得出：t=0.0s時，在亞同步速630r/min；t=1s時，在自然同步速750r/min；t=2s時，在超同步速870r/min，同于由公式（4）所得結(jié)論。BDFM雙饋運行時動態(tài)性能較高，是因為轉(zhuǎn)矩在經(jīng)歷小波動后能保持在50Nm不變，也驗證了模型原理和仿真搭建的正確性。3.2作為發(fā)電機時的仿真3.2.1空載模型仿真有如表4所示仿真條件。由圖6a可知，當外部風機驅(qū)動電機從亞同步到超同步運行過程中，功率側(cè)輸出的電壓頻率fp一直保持在50Hz，幅值變化很細微。由于控制繞組的供電壓頻是根據(jù)公式（5）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的改變而確定的，證明了在空載運行時風機速度改變時控制fc可以滿足恒頻發(fā)電。因為發(fā)電運行時BDFM呈現(xiàn)出阻轉(zhuǎn)特性，電磁轉(zhuǎn)矩為負值，如圖6d所示。3.2.2負載模型仿真給定仿真條件為：Rl=300Ω，其他條件與空載時相同。仿真圖如圖7a、7b、7c所示。分析圖7可知，功率側(cè)輸出的電壓頻率為50Hz，幅值與空載時相同。圖7e為um=100V、其他條件不變時功率側(cè)所輸出的電壓。從圖7e可知，功率側(cè)輸出的電壓為um=50V的2倍，實現(xiàn)了用控制側(cè)電壓的幅值來控制功率側(cè)。以實現(xiàn)變速恒頻恒壓。事實上，由于BDFM電機屬于感性器件，當BDFM的控制電壓頻率改變時電機電抗值會波動，所輸出的電壓也會隨之而有所波動?？梢圆扇∮嘘P(guān)的方法，控制電壓的幅值，保持功率側(cè)輸出電壓幅值不變，以滿足發(fā)電并網(wǎng)時電壓幅值和頻率不變的要求。從以上可知，公式（5）總是滿足功率側(cè)輸出的電能頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、控制側(cè)電壓頻率之間的關(guān)系，從仿真上實現(xiàn)了變速恒頻恒壓發(fā)電的目的。第四章 模糊控制器設(shè)計模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的最重要部分，模糊控制系統(tǒng)的性能好壞基本由模糊控制器的結(jié)構(gòu)、規(guī)則、算法及模糊決策方法等因素決定。一般模糊控制器的組成[6]如圖2所示。4.1結(jié)構(gòu)選擇對模糊控制器的研究越來越深入，模糊控制器的結(jié)構(gòu)形式從種類很少發(fā)展成為種類繁多。在模糊控制系統(tǒng)中，通常把系統(tǒng)某一輸出量的偏差及偏差變化率作為模糊控制器的輸入，即是所謂的二維模糊控制器[7]，如圖3所示，控制器的輸入為功率因數(shù)的偏差E和功率因數(shù)偏差變化EC，控制器的輸出變量為ΔU[8]。它能較真切地反映出受控系統(tǒng)中輸出變量的動態(tài)特性，所以在控制效果上要比一維模糊控制器要強，是當下采用較廣泛的1種模糊控制器。從模糊控制器的輸入、輸出變量的個數(shù)多少可以分為單變量模糊控制器和多變量模糊控制器。4.2知識的獲取最開始要對控制電壓幅值與功率因數(shù)關(guān)系進行仿真試驗。在Matlab/Simulink設(shè)置下，按照已經(jīng)建立的無刷雙饋風力電機模型（如圖10中的模型），做下列仿真實驗：先設(shè)置控制電壓幅值U＝60V，然后保持電壓頻率10Hz不更改，變化控制電壓，以得功率繞組的功率因數(shù)響應(yīng)圖線?？刂平M電壓依次60V、80V、85V、90V、95V、100V、105V往上調(diào)，當達到105V時后再往下調(diào)到60V，如圖4（a）所示，由此可得各穩(wěn)態(tài)的功率因數(shù)，如圖4（b）所示。從圖4中曲線可以看的出以下：通過變化控制繞組的電壓值，可以變動功率繞組功率因數(shù)，并且這兩者有如下關(guān)系：①功率繞組的功率因數(shù)隨著控制繞組的電壓幅值上調(diào)而變大，且在一定的范圍內(nèi)會呈線性關(guān)系。②功率繞組的功率因數(shù)會應(yīng)控制繞組的電壓幅值下調(diào)而變小時，且在一定的范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。在改變控制組電壓大小時，BDFM的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化如圖5(a)、(b)示出，可以看出BDFM在改變功率因數(shù)時轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動都較小，并能迅速地逼近穩(wěn)態(tài)，不會引起發(fā)散，無刷雙饋電機基于此可由改變控制繞組的電壓來改變功率因數(shù)。在控制組壓頻恒定的條件下實現(xiàn)上面控制繞組電壓大小的改變，相應(yīng)于控制組電壓大小的改變，其電壓的壓頻比也在改變，進而使控制繞組改變了磁通，若磁通過小就不能夠產(chǎn)生使電機同步運行的轉(zhuǎn)矩；磁通過大則會使得電機產(chǎn)生振蕩而不能穩(wěn)定。因而控制繞組電壓的壓頻比應(yīng)該在一定的范圍內(nèi)，不然電機將會出現(xiàn)振蕩。專門對壓頻比范圍做了一系列仿真實驗，得到表1所示結(jié)果。由表1可以看出：亞同步運行下，壓頻比范圍幾乎不隨頻率的升高而改變，但在20Hz時壓頻比范圍清楚的縮??；在超同步運行狀態(tài)下，壓頻比范圍相應(yīng)于頻率的升高而增大且范圍整體上移。在上述兩種運行狀態(tài)下，相應(yīng)于負載轉(zhuǎn)矩的增大，壓頻比范圍也跟著增大。在電機由亞同步速經(jīng)自然同步速到達超同步速時，壓頻比范圍變大且穩(wěn)定。反過來說，由超同步速經(jīng)自然同步速到亞同步速時，壓頻比范圍變小，這可能對電機造成振蕩等不穩(wěn)定。由于電壓頻率及負載轉(zhuǎn)矩變化會影響CW壓頻比范圍的變化，因此在改變CW的電壓時要謹守壓頻比范圍，必要時要動調(diào)整變電壓頻比，以防止電機出現(xiàn)振蕩等異常。由以上實驗和結(jié)論，能基本肯定BDFM功率因數(shù)控制的大致方法。通常情況下，很難得知功率繞組的功率因數(shù)的變化的原因，也許是因為電機的內(nèi)部參數(shù)的改變引起的，也許是因為外部干擾因素，但由上述分析所得經(jīng)驗，可以有以下原則。若功率繞組的功率因數(shù)比設(shè)定的功率因數(shù)值大，則減小控制繞組的電壓幅值，差值越大，則下調(diào)的電壓幅值越大。若小于設(shè)定的功率因數(shù)值，則上調(diào)CW的電壓幅值，差值越大，則電壓幅值上升越大。在上下調(diào)動過程中，維持壓頻比在合理的范圍之內(nèi)，以確使功率因數(shù)最終能達設(shè)計值。4.3參數(shù)的確定將誤差及其變化率設(shè)定為模糊控制器的輸入變量。穩(wěn)定運行時的電機功率因數(shù)通常在0.45～1.0之間，變化范圍大致在－0.5～0.5。進一步限定誤差范圍在－0.3～0.3之間，將其分成7個等級｛－0.3，－0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3｝，則有誤差論域：｛-0.3-0.2-0.100.10.20.3｝取7個語言值：｛E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7｝含義為：｛負大負中負小零正小正中正大｝記號：｛NB NM NS ZO PS PM PB｝同理，“誤差變化率”語言值設(shè)置為：｛dE1 dE2dE3 dE4dE5 dE6 dE7｝含義為：｛負大負中負小零正小正中正大｝記｛NB NM NSZOPS PM PB｝為了方便和連續(xù)，誤差及其變化率均選用連續(xù)的三角形隸屬函數(shù)，如圖6所示。根據(jù)2.2中調(diào)節(jié)功率因數(shù)的經(jīng)驗，我們可以得到輸出控制量——CW電壓幅值U。設(shè)其7個語言值為｛U1，U2，U3，U4，U5，U6，U7｝，含義為：｛負大負中負小零正小正中正大｝記號：｛NB NM NS ZO PS PM PB｝其隸屬度函數(shù)定義如圖7所示。4.4規(guī)則表示這個二維結(jié)構(gòu)模糊控制器，設(shè)定誤差E及其變化率dE為輸入變量，電壓控制增量ΔU為輸出量，它們都取了7個語言值{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，推理可得49條模糊規(guī)則：IfEisPBanddEisNBthenΔUisZOIfEisPBanddEisNSthenΔUisNM…可列成模糊控制表，如表2所示。表2使得以下策略[10]明白：當誤差E為正大（PB）時，若誤差變化dE也為正大（PB），說明誤差正在不斷變大，為了盡快降低誤差值，需要迅速調(diào)小控制量（NB）；若誤差變化為負?。∟S），則誤差已在緩慢變小，應(yīng)該適當?shù)販p小控制量（NM）；若此時誤差正在迅速減小（NB），則為防止超調(diào)，控制量暫時不必改變，故ΔU應(yīng)為零（ZO）。當誤差是PS、ZO、NS時（系統(tǒng)接近于穩(wěn)態(tài)），要謹防過度超調(diào)。原則是：當誤差明顯較大時，要有使誤差短時間變小的控制量改變；當誤差不明顯時，不僅要消除誤差，還要考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)出現(xiàn)無謂的振蕩。由功率因數(shù)誤差及其變化率的隸屬度函數(shù)和控制規(guī)則表可無刷雙饋電機的CW電壓幅值調(diào)節(jié)規(guī)則,如圖8所示。通過以上分析及設(shè)計，構(gòu)建了BDFM的功率因數(shù)模糊控制器。利用Matlab/Simulink中的FuzzyLogicToolbox，填入相應(yīng)的參數(shù)就可完成模糊控制器的創(chuàng)建，進而得到了BDFM功率因數(shù)模糊控制的總體結(jié)構(gòu)圖，如圖9所示。第五章 功率因數(shù)控制仿真5.0由之前所建立的模糊控制器及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在matlab中建立圖10所示無刷雙饋風力發(fā)電狀態(tài)模糊功率因數(shù)控制的仿真模型[11]。仿真算法用ode45，取可變步長，最大步長為0.00001。因為步長較小，誤差變化率后乘以10000，以確保模糊控制器的輸入維持在合理范圍內(nèi)。仿真電機參數(shù)如表3所示。仿真分兩種情況：給定功率因數(shù)變化和給定風速變化。5.1給定功率因數(shù)變化功率因數(shù)剛開始定為0.5，風速為600r/min，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為20N·m，10s時功率因數(shù)變?yōu)?.85，20s時變到0.7。在這時間內(nèi)維持轉(zhuǎn)速600r/min和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩20N·m不改變。轉(zhuǎn)矩波形變化、功率因數(shù)、電機轉(zhuǎn)速、CW電壓幅值如圖11所示，通過模糊制器調(diào)節(jié)控制繞組電壓的升降，以調(diào)節(jié)功率因數(shù)的升或降，良好地跟蹤給定值。電機定子繞組A相電流在功率因數(shù)調(diào)節(jié)過程中的變化如圖12所示，PW電流幅值因CW電壓幅值的變化而發(fā)生變化，而其頻率卻不變，這確保了CW發(fā)出恒定50Hz電流。5.2給定風速變化BDFM在600r/min運行10s后，風速設(shè)定為630