非并網(wǎng)籠型異步發(fā)電機風力發(fā)電應用風能是空氣在太陽輻射下流動所形成的，利用風能與其他能源相比有突出的優(yōu)點：蘊藏量大，風能是太陽能的一種轉換形式，是典型的取之不盡的可再生能源；無污染，在風能轉化為其他形式的能源的過程中不會對環(huán)境產生任何有害氣體和廢料；分布廣泛，就地取材，特別是用于生活在高原、島嶼、草原等運輸能源不方便的地區(qū)使用；適應性強，發(fā)展?jié)摿Υ蟆ｏL力發(fā)低廉，成了各個國家爭相發(fā)展的新能源首選。發(fā)電機在風力發(fā)電系統(tǒng)中的關鍵設備，從獨立和并網(wǎng)運行方式來看，主要有并網(wǎng)運行風電系統(tǒng)和獨立運行的非直接并網(wǎng)風電系統(tǒng)兩種。直接并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機類型主要有鼠籠式異步發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機、低速同步發(fā)電機等。非并網(wǎng)獨立運行的與蓄電池和功率變換器配合實現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給。目前主要類型有永磁式直流發(fā)電簡單、耐用、成本低、體積小、便于維護，在發(fā)生短路故障時可以自我保護；特別是隨著電力電子技術和控制理論的進步，采用電力電子變換器代替?zhèn)鹘y(tǒng)電容器提供勵磁，突破了電容器勵磁調節(jié)困難的瓶頸，使籠型異步發(fā)電機在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用更具有吸引力。以一種3G移動通信基站的新能源供電方案為例，采用風光互補結構，目前均采用組合式機架電源系統(tǒng)，配在線浮充供電制的鉛酸蓄電池組組成直流不間斷供電系統(tǒng)，電網(wǎng)輔助供電，功率多在數(shù)千瓦。系統(tǒng)的組成見圖1，主要設備為一個太陽能光電池陣列、一臺風力發(fā)電機和與之匹配的蓄電池組，另外還有配套的控制器，與電網(wǎng)通過雙向AC-DC變換器連接，當新能案可以明顯提高供電系統(tǒng)的可靠性，并大大節(jié)省電能消耗。光伏板光伏板雙向220VACAC-DC?中間直流母線池組直流負載[基站設備]MOSFET模塊光伏發(fā)電控制器風力發(fā)電機控制應用于上述3G通信基站風光互補供電系統(tǒng)中的籠型異步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)主要包括：風力機、異步發(fā)電機、蓄電池組和控制器等幾部分。風力機帶動異步發(fā)電機發(fā)電，輸出的交流基站的功率大為減少，風力發(fā)電機的功率一般為數(shù)千瓦。異步風力發(fā)電機發(fā)電系統(tǒng)控制器硬件電路結構框圖如圖2中虛線框中所示，主要由以下幾部分構成：①DSP主控單元；②由功率MOSFET構成的三相橋式PWM整流及其驅動保護；③檢測和保護電路。下面對異步發(fā)電機及前述瞬時轉矩控制策略在風力發(fā)電系統(tǒng)的應用進行簡要介紹，主要介紹該系統(tǒng)的性能特點與仿真分析。池組PWM整流器驅動及其保護電路主控單元上位機檢測和保護電路異步發(fā)電機轉速信息控制器風輪機圖2基站風光互補供電系統(tǒng)的異步風力發(fā)電系統(tǒng)硬件電路結構框圖（1）風力機運行特性風力機的主要運行特性可用以下方程描述[31~33]：①葉尖速比與風能利用系數(shù)根據(jù)風力機的空氣動力學特性，風力機輸出機械功率可表示為：3AATpT為風輪掃掠面積[m2]，p為空氣密度[kg/m3]；v為風速[m/s]。風能利用系數(shù)C，輸出功率與C成正比，而C是葉尖速比λ的函數(shù)，λ可以表示為：ppp負負T為風力機角速度[rad/s]；n為風力機轉速[r/min]。當槳距角β變化時，風力機的特性可用如圖3所示的風能利用系數(shù)與葉尖速比的曲線關系來表示。葉尖速比λ從圖2.2中可以看出，在C隨著λ的變化過程中，當β一定時，pppp到最大值C的葉尖速比為最佳葉尖速比，記為λ。pmaxopt②最佳運行曲線m-Tp在某一風速下，風力機輸出的機械功率隨轉速的不同而變化，存在一個最佳的轉速，在該轉速下，風力機輸出最大機械功率，它與風速的關系是最佳葉尖速比關系；在不同的風速下，均有一個最佳的轉速使風力機輸出最大機械功率，將這些最大功率點連接起來可以得到一條最大輸出機械功率曲線，即最佳功率負載線，處于這條曲線上的任何點，其轉速與風速的關系均風能追蹤控制。不同風速下風力機的功率——轉速特性曲線，如圖4所示。i風力機輸出功率P變槳距定槳距風力機輸出功率P變槳距定槳距m風力機的功率調節(jié)完全依靠葉片的氣動特性和調速裝置，捕獲的風能和風力機轉速受到限制，同時考慮到風場中風速和風向的波動，風力機理論上的輸出功率為： |2|0elwindTpwind當風速v低于額定風速v時，輸出功率與風速三次方成正比；當風速v高于額定風速v而小于切出風速v時，輸出功率等于額定風速，即恒功率輸出階段；當風速v高于切風能的獲取將受到機組物理性能的限制。隨著風速的增加，輸出功率和機組轉速將會先后達到電氣上限和機械極限。對于定槳距風力發(fā)電機組，當風速接近額定點時，風能利用系數(shù)開始下降，超過額定風速，槳葉開始失速，風速升高，功率反而有所下降。而對于變槳距風力發(fā)電機槳距與定槳距風力機的輸出功率曲線示意圖。小型風電系統(tǒng)一般采用風能直接驅動異步發(fā)電機運行，定槳距控制。最大功率最大功率負載線風速額定風速風速圖4輸出功率與轉速的關系曲線圖5變槳距、定槳距風電機組功率曲線圖Betz理論證明風能利用系數(shù)的理論極限值為0.593。它說明，風力機從自然風可以不予考慮[10]。本文采用如下的C(β,λ)模型：p_______=一__________________123i式中：T為風力機的機械輸入轉矩[N.m]。TT=pλTwindp=12TTTwindT析可以建立風力機數(shù)學模型，其框圖如圖6所示。Vβ負TT異步發(fā)電機作為控制系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，從工作原理看，其真正激勵是三相勵磁電流和轉子角速度；響應是三相電壓、三相有功電流和電磁轉矩。而異步發(fā)電機的三相勵磁電流與端電壓又有固定的數(shù)學關系，于是，將三相勵磁電流隱含，把三相電壓、轉子電角速度作為輸入激勵，三相電流、電磁轉矩和內部的磁鏈作為輸出響應，從而建立風力異步異步發(fā)電機的數(shù)學模型，建立Matlab仿真模型的方法與前圖7非并網(wǎng)小型風力異步發(fā)電機系統(tǒng)仿真模型圖7即為所搭建的系統(tǒng)仿真模型，從中很容易區(qū)分出電路部分與控制信號處理部分。三相變換器為MOSFET模塊，連接三相異步發(fā)電機與直流側，直流側電容容量為22000μF，直流始階段為異步發(fā)電機提供勵磁電能，發(fā)電穩(wěn)定后作為系統(tǒng)負載長期在線浮充。異步發(fā)電機的轉電機控制模塊根據(jù)發(fā)電機轉速,運用一定的控制規(guī)律(如最大風能追蹤策略),控制發(fā)電機的輸出功率,實際為控制發(fā)電機的輸出電流,因為直流側電壓由外電路蓄電池決定?？刂破髂K的其它輸入信號分別為發(fā)電機的三相電流、定子磁鏈幅值與相位、定子磁鏈轉速等，發(fā)電機的內核控制策略仍是前述的瞬時轉矩控制，該策略在風力發(fā)電系統(tǒng)的應用在下節(jié)闡述。應用于風力發(fā)電系統(tǒng)的異步風力發(fā)電機與前述獨立電源系統(tǒng)的異步發(fā)電機的一個顯著不同之處在于原動機的差別：獨立電源系統(tǒng)的原動機是功率強大的發(fā)動機，如航空發(fā)動機、戰(zhàn)車內燃機等，其運行受發(fā)電機的工況影響不大，并且發(fā)動機也有其自身的速度調節(jié)環(huán)節(jié)，發(fā)電機的轉速由拖動發(fā)動機決定；而風輪機動力特性則如前圖3、圖4曲線所示，風力發(fā)電未飽和的蓄電池、與大電網(wǎng)并聯(lián)的并網(wǎng)逆變器。充分利用風能發(fā)出更多的電能的另一方面是減少發(fā)電過程中的損耗，主要是發(fā)電機的損耗，也就是要控制發(fā)電機運行于高效率狀態(tài)。異步發(fā)電機在電力電子裝置控制下，由于其電磁力矩與內部磁鏈均受控，在前述異步起動/發(fā)適應性修改，以滿足風力發(fā)電運行的控制要求。最大追蹤風能控制實質上就是對系統(tǒng)的功率風能追蹤控制。發(fā)電機效率最優(yōu)的本質是發(fā)電運行時電機的不變損耗與可變損耗相等，不變損耗與可變損耗主要反映為鐵損耗與銅損耗，異步發(fā)電機由于其勵磁可控，可以通過調整鐵損耗和銅損耗的比重，使電機運行于最優(yōu)效率之下，特別是在低風速運行工況下，提升發(fā)電機輕載運行效率，這對可利用風速較低的風能資源不豐富的地區(qū)，使風力發(fā)電的發(fā)電總量將最大風能追蹤控制是目前國際上風電研究的熱點問題，由于本課題中的效率最優(yōu)控制是制存在如下方法[36]：直接的實現(xiàn)思想，在能夠準確獲取風速的前提下，具有很好的準確性和快速性。不過，它需p此在實際應用中受到一定限制。對速度控制而言，該方法省去了風速測量，具有較好的效果和更好的使用價值，在實際應用Δ此該方法獲得了較多的應用。以上三種最大風能追蹤控制方法均能和瞬時轉矩控制相結合。以第二種功率控制算法為例，測量發(fā)電機轉速（直驅型風輪機轉速與發(fā)電機轉速相等，非直驅型相差齒輪箱速比），根據(jù)風力機特性最優(yōu)功率曲線得到該轉速下發(fā)電機的最大吸收功率（輸入功率），再根據(jù)電pp'LmPp2L,pPLl2l1m圖8為異步發(fā)電機的功率關系圖。由圖易知，風輪機輸出功率P通過軸系傳遞給發(fā)電T械損耗p和雜散損耗p基本是定值，變化不大，但是轉子銅損耗不能直接獲得，因為轉算出發(fā)電機的轉差率s(注意：發(fā)電狀態(tài)下轉差率s為負)，凈機械功率與電磁功率的關系由求得異步發(fā)電機需要產生的、與風輪機輸出功率相匹配的電磁功率P后，再除以發(fā)電機的磁鏈旋轉角速度，即得到瞬時轉矩控制算法所需的給定轉矩T*，按照T*控制發(fā)電機電磁功率P為通過氣隙傳送到定子側的那部分功率，還要去除消耗于定子鐵芯的鐵損p和消耗于定子電阻的銅損p后，余下的大部分才成為定子側的有功功率輸出P。發(fā)電機最后輸出的電功率可以描述為：風力發(fā)電機在風速較小的工況下運行說明：由于風能與風速的立方成正比，當風速較低時，定的控制？這就是下文提及的異步發(fā)電機的效率最優(yōu)控制策略。針對基于異步電機發(fā)電的獨立運行小型風電系統(tǒng)應用瞬時轉矩控制策略，轉矩環(huán)給定轉矩由最大追蹤風能算法決定，磁鏈環(huán)給定將由發(fā)電過程的效率最優(yōu)控制算法決定。通過恰近似相等，得到系統(tǒng)在此風速下的最優(yōu)磁通給定Ψs。該方法控制思想簡單，易于工難點在于最優(yōu)磁通的計算，不過由于在最大追蹤風能的算法下，不同轉速下（風速下）電機工程實現(xiàn)。小于轉速變化的機械時間常數(shù)，因此效率優(yōu)化可以在穩(wěn)態(tài)條件下進行。系統(tǒng)的最優(yōu)磁鏈給定是在異步電機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型下得到的。異步電機的損耗包括銅與轉速和電機視在功率的關系基本固定，與電磁功率無關，所以電機的效率最優(yōu)控制主要是損主要為定子鐵損。下面通過建立異步發(fā)電機的損耗模型，采用仿真的手段研究效率最優(yōu)磁RsiLLqrqr一RriUdspfeLm+1drpΨdrUdriqr-R1iqrUULLLqrfemr圖9考慮鐵損時異步電機在同步旋轉坐標系下的等效電路一。此處，依據(jù)鐵損耗的產生機理，在異步電機T型電路的勵磁繞組上，等效地并聯(lián)一個鐵損電阻，同步旋轉坐標系下的等效電路如圖9。采用并聯(lián)鐵損電阻的等效思想應用較為普50Hz）下對應鐵損耗的電阻，在其他頻Rfeffe50N在前一篇給出的異步發(fā)電機建模方法的基礎上，本文采用兩級M函數(shù)搭建模型，基本由圖9所示異步電機在兩相同步旋轉坐標系下的等效電路，不難列寫下述數(shù)學方程：dsdrdFedsdrdFe「i]「i]「u]「i]「i]「u]]R feL00-]R feL00-rL00-rLσr00sLfefeR0-0-sLL-mL-m feLLσrσrσσrσrσrfeLrrLσrR-rL0L0LσrLσrσrRLRrLrLσrσrσrRLRrLrLσrLLLmmL-R(L-L2)Lσrσr-σrσr-rLRRRRLLrLσrrL--LLLLσrσrσrσr|L01L01-___L0]T當電機在一定的轉速和轉矩條件下穩(wěn)定運行時,電流在d、q軸的分量為直流電流，其「i]「i]i|u|iidriqriidriqri|0||0|即令L=0，L=0qsqs由此，將矩陣方程（3-17）整理可得穩(wěn)態(tài)時異步電機的數(shù)學模型如式（3-19ds22i2-2RLii)22fer2i222ferL2Φ2L2Φ2rfesrfe)i2rfe把式（3-24）整理并代入方程（3-23）消去i，可得到總L2Φ2L2Φ2rfesrfe)rfeT2 在一定的負載轉矩和轉速條件下，將電機的總損耗關系式（3-25）對i求導，并令其等于零，整理可得電機總損耗最小時的關系式：δΣP 損=0常i4