目前隨著全世界經(jīng)濟(jì)快速增長，對(duì)于能源的需求不可避免的急劇增加，但煤炭、天然氣以及石油等能源的存量越來越緊張。由于風(fēng)能是一種可再生的清潔能源，優(yōu)勢明顯，因此風(fēng)能便日益受到全世界的關(guān)注。最近幾年，風(fēng)能市場健康、平穩(wěn)、較快地發(fā)展，2013年全國新增風(fēng)電裝機(jī)容量和并網(wǎng)容量分別為1608.9萬千瓦、1449萬千瓦，與2012年相比分別增長24%和23%。隨著國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長，2014年全國新增裝機(jī)容量約占世界新增裝機(jī)總?cè)萘康?5%，達(dá)到了2335萬千瓦，風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)容量和上網(wǎng)電量分別為9581萬千瓦和366億千瓦時(shí)，較2013年分別增長24%和9%。隨著國家經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)型，對(duì)新型清潔能源的需求日益增強(qiáng)，政府加大對(duì)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的投資力度，并有針對(duì)性地解決風(fēng)電發(fā)展中遇到的問題，使風(fēng)電更好地服務(wù)于國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。進(jìn)入2014年，風(fēng)能已經(jīng)成為國家清潔能源戰(zhàn)略的重要組成部分，并網(wǎng)政策、補(bǔ)貼政策的落實(shí)以及特高壓建設(shè)帶來的棄風(fēng)問題的緩解，風(fēng)電裝機(jī)有望在未來幾年內(nèi)保持快速增長。隨著日前全球?qū)Νh(huán)保節(jié)能的重視和技術(shù)的不斷改良，在市場上，風(fēng)能發(fā)電已經(jīng)完全具有了與煤電競爭的能力?？偠灾?，風(fēng)能作為新能源戰(zhàn)略的一個(gè)重要組成部分，我們應(yīng)加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究。

由于風(fēng)能的不可控性，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出交流電的頻率具有時(shí)變性，而當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，要求輸出頻率和電網(wǎng)頻率一致，為達(dá)到這一目標(biāo)，目前世界上常采用的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)大體可分為恒速恒頻和變速恒頻兩種發(fā)電方式。當(dāng)前計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)發(fā)展迅速，使得高品質(zhì)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，變速恒頻發(fā)電方式以其前所未有的優(yōu)勢替代了恒速恒頻發(fā)電方式。

用于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)種類隨著矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制和直接功率控制技術(shù)的發(fā)展而增多，如永磁發(fā)電機(jī)、繞線式轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)、交流勵(lì)磁有刷雙饋發(fā)電機(jī)、鼠籠式異步發(fā)電機(jī)、無刷雙饋發(fā)電機(jī)、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)等。其中鼠籠式異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、便于維護(hù)，但調(diào)速范圍較窄，且其變頻調(diào)速系統(tǒng)所需變頻器功率大于電機(jī)功率，因此在大功率電機(jī)應(yīng)用場合，系統(tǒng)成本將大幅提高，只適合應(yīng)用于小功率風(fēng)力發(fā)電。繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)雖然可直接從外部控制轉(zhuǎn)子電流，具有良好的調(diào)速性能，但其具有電刷和滑環(huán)，需要定期維護(hù)。永磁同步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、損耗低、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，可以由風(fēng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，廣泛用于要求響應(yīng)快速、調(diào)速范圍寬的領(lǐng)域，但前幾年永磁材料價(jià)格出現(xiàn)較大波動(dòng)，增加了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成本的不確定性。雙饋發(fā)電機(jī)由于其功率繞組承擔(dān)大部分功率，控制繞組只承擔(dān)很小一部分功率，因此雙饋發(fā)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的變頻器所需功率較小，只是滑差功率，節(jié)省了成本。然而由于電刷的存在，不僅使雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性降低了，還增加了發(fā)電機(jī)的運(yùn)營成本。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量高，但電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，振動(dòng)與噪聲較嚴(yán)重。

隨著全球?qū)τ陲L(fēng)力發(fā)電的持續(xù)關(guān)注，無刷雙饋發(fā)電機(jī)以其在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢愈加受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。BDFG取消了電刷和集電環(huán)，提高了機(jī)械的穩(wěn)定性，降低了維護(hù)成本，具有功率因數(shù)可調(diào)、效率高，電能質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，且在其構(gòu)成的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，流過變頻器的功率是相對(duì)較小的轉(zhuǎn)差功率，因此大大降低了系統(tǒng)中變頻器的容量；當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，通過對(duì)控制繞電壓的調(diào)節(jié)，保證輸出電能的質(zhì)量滿足并網(wǎng)要求；但由于BDFG的定子上存在極數(shù)不同的功率繞組和控制繞組，因此其內(nèi)部磁場關(guān)系要比常規(guī)感應(yīng)發(fā)電機(jī)復(fù)雜很多，正是由于復(fù)雜的磁場關(guān)系，如何對(duì)其進(jìn)行有效控制已成為BDFG迫切需要解決的難點(diǎn)、熱點(diǎn)問題，特別是發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)控制、轉(zhuǎn)矩控制、功率解耦控制等。

直接功率控制方法基于直接轉(zhuǎn)矩控制思想，并且結(jié)合了瞬時(shí)功率理論，它和直接轉(zhuǎn)矩控制一樣采用滯環(huán)比較器和開關(guān)表的控制方案。這種控制方法無需旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和電流內(nèi)環(huán)控制，簡化了控制結(jié)構(gòu)，直接對(duì)發(fā)電系統(tǒng)中最為重要的有功功率和無功功率，并且可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，所以特別適合應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。當(dāng)今國內(nèi)外許多專家學(xué)者已經(jīng)展開了對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直接功率控制策略的研究工作，但這種發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)非常明顯，有電刷結(jié)構(gòu)，需要經(jīng)常維護(hù)。BDFG繼承了雙饋異步發(fā)電機(jī)所有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，更省去了電刷結(jié)構(gòu)，節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用，因此，對(duì)BDFG的直接功率控制方法研究將是未來電機(jī)控制學(xué)科和風(fēng)電技術(shù)的重點(diǎn)研究方向之一。

隨著科技的進(jìn)步，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制精度要求越來越高，傳統(tǒng)的兩電平變流器已經(jīng)無法滿足高精度的控制需求。三電平變流器逐漸走進(jìn)人們的視野，但三電平變流器的造價(jià)昂貴，控制難度大，極大地阻礙了其在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用。本文為解決這個(gè)難題，提出了一種開繞組無刷雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，將BDFG的控制繞組節(jié)點(diǎn)處打開，控制繞組兩端同時(shí)串接兩個(gè)兩電平變流器，這樣通過兩個(gè)兩電平變流器的協(xié)調(diào)控制，不僅可以達(dá)到三電平變流器的控制效果，更可以減小諧波，減少系統(tǒng)損耗，且每一相電流可以獨(dú)立控制，使得系統(tǒng)控制策略更加靈活。

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