变速恒频无刷双馈风力发电机系统的结构变速恒频无刷双馈风力发电系统如所示。该系统的主要结构包括：风力机、齿轮变速箱和无刷双馈电机。BDFM是一种结构特殊、运行性能类似于同步电机的交流励磁电机，具有可调的功率因数，控制绕组运行时要求较小的变频器容量，降低了系统的成本，它既可运行于亚同步速又可运行于超同步速，比较适合变速恒频风力发电领域。

　　变速恒频无刷双馈发电机系统示意图BDFM定子有两套不同的绕组，一个称为功率绕组，直接连电网，另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网，转子采用鼠笼式结构，无需电刷和滑环。当转速变化时，只要适当调整控制绕组的输入电流频率，即可使功率绕组输出频率维持不变，从而实现变速恒频发电。

　　变速恒频无刷双馈风力发电机系统模型2.1风力机的模型风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为轮毂上的机械转矩。而风力机从风能中吸收的功率为PM=1/2CpSρv3（1）式中：ρ为空气密度；v为风速；S为风力机浆叶的扫掠面积；Cp为风能利用系数，它是叶尖速比λ和叶节距角α的函数；λ=ωMr/v；ωM为风力机机械角速度；r为风轮半径。

　　为实现最大风能捕获，风力机有3种典型的运行状态：（1）低风速段实行变速运行，可保持一个恒定的风能利用系数Cp值，调节发电机反力矩使转速跟随风速变化，使叶尖速比λ不变，直到转速达到极限，跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的转换效率；（2）转速达到极限后，风速进一步加大时，按恒定转速控制风力机运行，直到输出最大功率，此时的风能Cp不一定是最大值；（3）在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能量，使风力发电机组输出功率达到极限，功率输出更加稳定。

　　本文只考虑在恒定的Cp区，通过风力机与发电机配合，在风速改变时控制发电机的输出有功功率，进而调整发电机转速，从而实现最大风能追踪。机械传动部分的模型从轮毂到发电机转子之间的联轴器和齿轮箱可以近似用一阶惯性环节来描述为DTm=（TM-Tm）/Td（2）式中：Td为机械传动部分的时间常数；Tm为发电机机械转矩；TM为风力机末端轴上的机械转矩，TM=PM/ωM，D为对时间的微分。

　　同步坐标下BDFM模型考虑到BDFM转子采用鼠笼式结构，得到BDFM转子速d2q模型Rp，Lp，Mp分别为功率绕组电阻、功率绕组自感和功率绕组与转子之间的互感；Rc，Lc，Mc为控制绕组相应参数；Rr，Lr，ωr分别为转子电阻、转子自感和转子机械角速度；pp为功率绕组极对数；pc为控制绕组极对数；uqp，udp，uqc，udc，iqp，idp，iqc，idc，iqr，idr为电压和电流的瞬时值；下标“p”表示功率绕组，“c”表示控制绕组，“r”表示转子，“q”表示q轴分量，“d”表示d轴分量。

　　电机的运动方程为Dωr=（Te-Tm-Kdωr）/J（4）式中：J，Kd为转子机械惯量、转动阻尼系数；Te，Tm分别为发电机电磁转矩和机械转矩。

　　式（3）中定子侧的输入量都是正弦函数（稳态），这对于控制来说很不方便。如果忽略定子绕组的电阻、磁路饱和及转子饱和的影响，将BD2FM分为两个独立的子系统，功率绕组和控制绕组分别建立在各自的同步坐标系统下，则上述方程在稳态时，各输入量就保持为常数，有利于控制的实现。给出了转子坐标系与同步坐标系之间的关系。其中，上标“pe”代表功率绕组同步坐标系，“ce”代表控制绕组同步坐标系，“r”代表转子坐标系。

　　变速恒频无刷双馈风力发电机系统功率矢量解耦控制系统变速恒频无刷双馈风力发电机系统功率控制系统框图如所示。整个系统采用双闭环控制结构，内环为电流环，外环为功率环。内环电流环采用PI控制。若考虑BDFM结构的复杂性及参数的可改变性，将外环功率控制采用模糊控制，则可以更好地加强系统的鲁棒性。

　　变速恒频无刷双馈风力发电机系统功率控制框图模糊控制器的具体设计方法如下：把有功功率误差Δp和Δp在论域上按需要进行非均匀离散变换，ΔP和ΔP是Δp和Δp模糊变量，作为模糊控制器的输入。控制器的输出ΔI是Δi模糊变量。ΔP，ΔI模糊变量的语言变量词集选择把得到的控制量取整得到离散控制量，然后进行从模糊量到精确量的转换。同理，可以得到无功功率的模糊控制器。这种控制方法具有足够的稳定性，对于参数变化和外界干扰有很强的鲁棒性。

　　变速恒频无刷双馈风力发电机系统仿真系统仿真采用MATLAB的simulink仿真软件，主要仿真参数选取算法为ode23tb，选取可变步长，最大步长为0.001，现以一台样机为例（样机定子绕组采用6/2变极单绕组，3Y/3Y接法），对其进行仿真，发电机参数仿真还用到的参数如下：Cp=0.38；风力机额定功率5kW；起动风速4m/s；额定风速9m/s；风轮直径7m；风轮额定转速223r/min；传动部分的时间常数0.1s.

　　BDFM在450r/min空载运行2s后并网，此时风速给定为8m/s，6s时风速变为7m/s，11s时变回8m/s，15s仿真结束，期间保持无功功率不变。有功功率的调节曲线如所示。从（a）、（b）、（c）中可见当风速由8m/s变为7m/s，发电机由550r/min变为450r/min，有功功率由4.68kW左右变为3.14kW左右；而当风速从7m/s变为8m/s时，发电机转速也由450r/min变回为550r/min，有功功率由3.14kW左右变回4.68kW左右；这与理论计算值相符。说明风速的变化过程中变速恒频无刷双馈风力发电机系统基本上遵循最大捕获运行机理。从（d）可见控制绕组电流iac在有功功率调节过程中，频率和幅值均发生了变化。

　　结束语本文基于同步坐标数学模型，将磁场定向的的矢量变换控制技术应用到无刷双馈发电机的控制上，获得了发电机有功功率和无功功率的解耦控制能力，为追踪和捕获最大风能创造了条件，同时，考虑到BDFM结构的复杂性以及BDFM参数随环境的可改变性，对功率环采用模糊控制，可以更好地增强系统的鲁棒性。计算机仿真结果表明该控制系统能够快速响应，发电机运行比较稳定。