團隊介紹

張鳳閣，教授，博士生導師。1984年畢業于沈陽工業大學并留校任教，之后分別于1990年和2000年獲沈陽工業大學電機與電器學科碩士和博士學位。2000年被破格晉升為教授，2003年評聘為博士生導師。

曾于2001-2005年間先后兩次應邀赴德國Esslingen工業大學做高級訪問學者和訪問教授。是目前國內電機學科唯一的教育部（國家級）創新團隊帶頭人，為沈陽工業大學國家重點學科——電機與電器學科的學科建設責任教授和學科帶頭人，并擔任國家稀土永磁電機工程技術研究中心學術委員會委員，中國電工技術學會小功率電機專委會副主任委員和大電機專委會委員，中國機械工業教育協會高等學校電機學科教學指導委員會副主任委員。

先后被授予遼寧省首批特聘教授、遼寧省優秀青年骨干教師和遼寧省教學名師等多項榮譽稱號，入選“國家新世紀百千萬人才工程”、“遼寧省百千萬人才工程百人層次”和“遼寧省高等學校優秀人才”，是享受國務院政府特殊津貼專家。

近年來完成或在研：國家自然科學基金重點項目2項、面上項目6項、國際合作與交流項目1項，歐盟國際合作項目1項，國家引智計劃項目1項，省部級重點科研項目7項。獲省部級科技進步一等獎1項、二等獎2項、三等獎5項，省發明獎和自然科學三等獎各1項，獲授權國家發明專利19項、實用新型專利32項。在IEEE Trans.TIE、TEC、TIA等在內的國內外重要學術刊物和國際學術會議上發表論文二百余篇，其中被SCI、EI等國際重要檢索刊物收錄一百二十余篇。在國家自然科學基金資助下，出版學術專著《磁場調制式無刷雙饋交流電機》一部。

導語

本文針對一種新型復合轉子結構無刷雙饋風力發電機功率繞組有功和無功功率控制需求，根據控制繞組磁鏈所在扇區和功率偏差，采用查找表方式優化了控制繞組機側變流器的電壓空間矢量，進而實現了對該風力發電機進行最大功率跟蹤及單位功率因數的有效控制。

研究背景

現有風電系統中廣泛采用的傳統有刷雙饋感應發電機和永磁同步發電機均難以滿足大型海上風電系統日益增長的高可靠性和高性價比等客觀需求。無刷雙饋電機無電刷和集電環，具有免維護和較高的可靠性，所需變流器容量不到電機額定容量30%，且可以運行在亞同步、同步和超同步等較寬速度變化范圍，使之具有較高的性價比和控制優勢，極有可能成為風電系統中雙饋感應發電機和永磁同步發電機的有力競爭者。

本文從風力發電系統控制中更為關注的功率控制需求出發，對所提新型復合轉子無刷雙饋風力發電機的數學模型及其直接功率控制進行深入研究，具有較為重要的科學研究意義和工程應用價值。

主要內容及創新點

本文針對一種新型復合轉子結構（如圖1所示）無刷雙饋發電機，基于磁場調制理論推導了其空間矢量數學模型、等效電路及電磁轉矩表達式，定性分析了該新型轉子對電機定子磁場耦合能力及電磁轉矩的增強作用。并結合無刷雙饋發電機變速恒頻風力發電機理及其最大功率跟蹤原則，提出了一種對功率繞組有功和無功功率進行有效控制的方法。通過特性仿真及實驗測試對比研究，證實了所提直接功率控制的正確性、有效性和可行性。

圖1 復合轉子無刷雙饋發電機轉子展開示意圖

新型復合轉子無刷雙饋發電機定子繞組間互感及其生成的電磁轉矩為：

公式（1）

公式（2）

由上式可知，互感系數比傳統磁阻轉子結構時增加了第二項參數，因此所提新型復合轉子結構對其功率繞組與控制繞組之間互感及電磁轉矩等均具有一定的增強作用。

基于瞬時功率理論，可以得到α-β坐標系下無刷雙饋發電機功率繞組有功及無功功率表達式為：

公式（3）

本文所提直接功率控制系統原理框圖如圖2所示。工作中，系統將對功率繞組實時計算得到的有功和無功功率與給定值進行比較得到功率偏差信號，再結合控制繞組磁鏈所在扇區，從而優化選擇控制繞組機側變流器有效電壓空間適量，并完成系統的直接功率控制需求。其中，有功功率給定值按照風力機最大功率跟蹤原則計算得到，而無功功率根據單位功率因數控制需求，設置為0。

圖2 直接功率控制系統原理框圖

為理解所提直接功率控制機理，給出無刷雙饋發電機由轉軸輸入發電機的機械功率及其功率繞組和控制繞組分量表達式為：

公式（4）

由公式（4）可知，若忽略電機定子繞組銅耗及其磁場儲能變化，其電磁功率與機械功率近似相等。因此，可以通過對電磁轉矩的控制來實現對系統有功功率Pp的控制，即通過對公式（2）中轉矩角γ的控制來實現對功率繞組有功功率的控制。

對系統功率繞組無功功率的控制，可依據如下述控制邏輯：由于無刷雙饋發電機也是基于雙邊勵磁方式，在認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）的勵磁電流（即勵磁磁場，其與無功功率成正比），則另一套繞組（即功率繞組）的勵磁電流（無功功率）將會相應地減少（或增加），從而完成對系統無功功率的有效控制。

實際控制中，是通過查找表方式得到系統有功和無功功率控制所需的機側變流器電壓空間矢量，從而完成對系統有功和無功功率的控制。

由系統仿真及實驗結果可知，當發電機轉速階躍變化（由417r/min上升到459r/min）時，功率繞組和控制繞組頻率分別為工頻50Hz和-8.3Hz、-4.1Hz（負值表示二者相序相反），控制系統通過及時調整控制繞組勵磁電流頻率和相序，即可確保功率繞組饋電系統的變速恒頻發電運行。

同時，系統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，負值表示發電狀態饋送有功功率），且可以通過將系統無功功率給定值置零來實現功率繞組的單位功率因數控制。對比結果也表明，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%。

結論

本文提出了一種磁障式磁阻轉子輔以同心式并聯短路籠條結構的新型復合轉子無刷雙饋風力發電機，推導了與磁阻轉子結構等效的電壓平衡方程、等效電路及電磁轉矩表達式，并定性分析了該復合轉子結構對其磁場調制能力和電磁轉矩的增強作用。

針對大容量風力發電系統、尤其是海上風電系統發電機單機容量越來越大及其對功率控制越來越高的客觀要求，采用直接功率控制對8/4極25kW新型無刷雙饋發電機樣機控制系統進行了較為詳細的仿真與實驗對比研究，理論分析及實驗測試結果證實了所提新型復合轉子無刷雙饋風力發電機變速恒頻發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. 一種復合轉子無刷雙饋風力發電機直接功率控制研究[J]. 電工技術學報, 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.