特稿︱东南大学许利通：考虑损耗的无刷双馈风力发电系统功率反馈法最大功率点跟踪控制

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团队介绍

JEMPEL是由IEEE Fellow、东南大学首席教授程明领衔，东南大学电气工程学院12名专任教师为核心，多名长江学者为支撑，100余名博士后和博士、硕士研究生为骨干的科研团队，研究领域涵盖电机与电力电子及其在新能源发电、电动汽车、轨道交通、伺服系统等领域的应用。

许利通，硕士研究生，研究方向为无刷双馈电机驱动与控制，正在参与国家自然科学基金项目1项，发表EI论文3篇，申请国家发明专利2项，获2018年度江苏省普通高等学校本专科优秀毕业设计二等奖，2019年IEEE IAS Myron Zucker Undergraduate Student Design Contest一等奖。

程明，博士，东南大学首席教授、博士生导师，IEEE Fellow, IET Fellow。现任东南大学风力发电研究中心主任、东南大学先进电机与电力电子集成系统研究所所长、东南大学学术委员会委员、江苏省新能源汽车电机及驱动系统工程实验室主任。

30多年来，主持承担国家自然科学基金重大项目、国家973计划课题、国家863计划项目等课题60余项，发表论文400余篇（SCI收录220余篇）；获授权中国发明专利130余件、PCT专利３件、欧洲专利1件。

获国家技术发明二等奖、教育部自然科学一等奖、江苏省科学技术一等奖、中国机械工业科学技术一等奖等学术奖励和江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科技领军人才、优秀科技工作者、“六大人才高峰”学术带头人、江苏省十大优秀专利发明人、中达学者以及江苏省专利发明人奖等荣誉称号。被聘为IEEE IAS Distinguished Lecturer in 2015/2016；享受国务院政府特殊工献津贴。

导语

本文基于传统的功率反馈法控制策略，充分考虑定转子铜耗、铁耗等功率损耗，提出考虑损耗的无刷双馈风力发电系统功率反馈法最大风能跟踪控制策略。此方法通过修正的Steinmetz方程获得准确的铁耗，通过分析发电机的功率流动确定了精确的参考功率，实现了最大风能跟踪。

• DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190270

研究背景

无刷双馈感应发电机使用的功率变换器容量小，没有电刷和集电环，系统的可靠性高、维护费用少，可实现有功和无功功率的解耦控制，已经成为当前的研究热点。

由于无刷双馈电机电磁关系的复杂性和特殊性，现有的无刷双馈电机功率反馈法均未考虑功率损耗，导致给定的参考功率不准确，无法真正实现最大风能跟踪。因此，有必要研究考虑损耗的无刷双馈电机最大风能跟踪方法。

论文方法及创新点

为了实现最大风能跟踪，首先获取无刷双馈发电机转速ωm，将其除以齿轮箱变比N得到风力机转速ωw，然后计算出风力机输出最大机械功率，根据图1无刷双馈电机的动态模型可推出无刷双馈发电机的铜耗、铁耗以及机械损耗的计算公式如下：

图1  BDFIG在同步旋转坐标系下的动态模型

再由发电机输出功率和风力机输出机械功率、发电机损耗功率之间的关系式获得参考功率如下：

最后将参考功率输入到控制系统。将参考功率与发电机实际功率进行比较，进而产生用于功率变换器的控制信号。通过功率变换器的控制，系统进入稳态后，发电机实际功率和参考值相等，便可实现最大风能跟踪控制。

控制系统采用双闭环控制，外环为功率环，内环为电流环。将功率参考值Pp*、Qp*与功率反馈值Pp、Qp送入比较单元，比较单元得到的差值送入PI调节器，得到控制绕组d、q轴电流参考值icds*、icqs*；再把icds*、icqs*与电流反馈值icds、icqs送入前馈电流控制器，得到控制绕组d、q轴参考电压值ucds*和ucqs*，然后经过2r/2s变换得到功率变换器的控制信号ucαs*和ucβs*，进而产生SVPWM脉冲，实现对BDFIG转速的控制，控制系统框图如图2所示。

控制系统中的前馈电流控制器控制结构简单、紧凑，控制精度高，通过加入前馈补偿，有效提高了控制绕组定子电流的控制效果。

图2  考虑损耗的功率反馈法控制系统

结论

本文基于无刷双馈风力发电系统，充分考虑了定转子铜耗、铁耗及机械损耗，详细分析了铁耗并给出了铁耗的计算方法，提出了考虑损耗的功率反馈法最大风能跟踪控制策略。为验证该方法有效性，搭建了无刷双馈风力发电系统仿真模型和实验平台。

仿真和实验结果表明，考虑损耗的功率反馈法最大风能跟踪控制策略通过确定精确的参考功率，可使发电机的实际转速跟随上参考转速，实现最大风能跟踪控制，且发电系统输出功率脉动小，稳定性高。

引用本文

许利通, 程明, 魏新迟, 宁新福. 考虑损耗的无刷双馈风力发电系统功率反馈法最大功率点跟踪控制[J]. 电工技术学报, 2020, 35(3): 472-480.Xu Litong, Cheng Ming, Wei Xinchi, Ning Xinfu. Power Signal Feedback Control of Maximum Power Point Tracking Control for Brushless Doubly-Fed Wind Power Generation System Considering Loss. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 472-480.

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