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1引言

風(fēng)能作為最干凈的可再生能源，蘊(yùn)含量巨大，取之不盡，用之不竭，早已成為全世界范圍的研究熱點(diǎn)?；\型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)因其具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固簡(jiǎn)單及可靠性等優(yōu)點(diǎn)，已成為獨(dú)立電源和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要選擇之一[1,2]。而定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DWIG）作為籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)中的一種，它具有的獨(dú)特電機(jī)結(jié)構(gòu)和諸多優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)單繞組籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的諸多不足，亦受到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的密切關(guān)注[3-6]。

DWIG有兩套定子繞組：一套稱為功率繞組，用于輸出發(fā)出的電能；一套稱為控制繞組，用來(lái)控制電機(jī)內(nèi)部的勵(lì)磁，兩套繞組之間無(wú)電氣連接，僅靠磁耦合，易實(shí)現(xiàn)高性能的控制[3]。功率側(cè)繞組接交流勵(lì)磁電容，通過(guò)整流橋負(fù)載輸出直流電，控制側(cè)繞組接入濾波電感消除控制側(cè)sec的開(kāi)關(guān)管通斷引入的諧波以改善電流波形，通過(guò)對(duì)SEC的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)，使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的直流電壓[4-6]。DWIG發(fā)電系統(tǒng)在恒速以及變速運(yùn)行下的艦船、坦克以及飛機(jī)電源上的應(yīng)用均取得了一定的研究成果[5-9]，同時(shí)，DWIG發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電上應(yīng)用的研究也已展開(kāi)[10-12]，并且針對(duì)當(dāng)前各種機(jī)型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法充分利用低風(fēng)速下風(fēng)能的不足，提出了新的拓?fù)浜涂刂撇呗?，使得系統(tǒng)在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)均能輸出額定的高壓直流[13]。

寬風(fēng)速運(yùn)行的DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，與雙饋感應(yīng)電機(jī)（DFIG）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，其優(yōu)勢(shì)在于兩系統(tǒng)勵(lì)磁控制器容量相當(dāng)?shù)那疤嵯?，籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固，無(wú)電刷和滑環(huán)、易維護(hù)，且系統(tǒng)的輸出為直流電能，相對(duì)于輸出恒頻交流電的DFIG而言，更適合于采用直流輸電的海上風(fēng)力發(fā)電[14]；與直驅(qū)式永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，優(yōu)勢(shì)則在于弱磁控制的能力以及發(fā)電機(jī)本體和勵(lì)磁控制器（相比于永磁發(fā)電機(jī)側(cè)的控制變換器）的成本優(yōu)勢(shì)。因此，DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)若要具備更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，除了寬風(fēng)速范圍運(yùn)行的能力以外，對(duì)系統(tǒng)成本影響較大的SEC容量大小講起著決定性作用。

文獻(xiàn)[6,9-11]均以變速運(yùn)行下的DWIG發(fā)電系統(tǒng)SEC容量最小為目標(biāo)，分別進(jìn)行了勵(lì)磁電容的優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6,9]主要對(duì)全轉(zhuǎn)速范圍恒功率運(yùn)行（最低速設(shè)計(jì)為額定轉(zhuǎn)速）的獨(dú)立電源系統(tǒng)展開(kāi)研究，未考慮額定轉(zhuǎn)速以下的情況和原動(dòng)機(jī)特性；文獻(xiàn)[10,11]則針對(duì)于DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，兼顧了恒功率區(qū)轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行情況以及風(fēng)力機(jī)（原動(dòng)機(jī)）的功率特性，但是全文只針對(duì)功率繞組側(cè)輸出電能的運(yùn)行方式，未對(duì)系統(tǒng)在寬風(fēng)速下運(yùn)行尤其是低風(fēng)速下運(yùn)行的控制及優(yōu)化作進(jìn)一步的探討。

本文從寬風(fēng)速范圍運(yùn)行DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行控制要求出發(fā)，結(jié)合發(fā)電機(jī)的功率輸出特性，分析了系統(tǒng)在寬風(fēng)速運(yùn)行時(shí)控制側(cè)SEC的電流變化規(guī)律，以SEC容量最小為目標(biāo)，得到適合于該系統(tǒng)的勵(lì)磁電容優(yōu)化方案，并在一臺(tái)37kW/1500r/min的DWIG樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、一級(jí)增速齒輪、DWIG、SEC等主要部件組成，風(fēng)力機(jī)經(jīng)一級(jí)增速齒輪箱拖動(dòng)DWIG至發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。功率側(cè)繞組接交流勵(lì)磁電容，通過(guò)整流橋輸出直流電，控制側(cè)繞組與SEC之間接有濾波電感，由SEC控制發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁通，使得系統(tǒng)變速變負(fù)載情況下輸出穩(wěn)定的直流電壓。為了充分利用低風(fēng)速下的風(fēng)能，利用控制側(cè)繞組經(jīng)SEC發(fā)電，輸送至SEC直流母線，拓?fù)洳捎每刂苽?cè)SEC的直流母線經(jīng)功率二極管與功率側(cè)整流橋并接輸送電能的方式，具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1所示的新拓?fù)涫沟肈WIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)都能輸出穩(wěn)定的直流電壓，充分利用低風(fēng)速下的風(fēng)能[13]。系統(tǒng)在低風(fēng)速下運(yùn)行時(shí)，由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，功率側(cè)繞組的端電壓無(wú)法達(dá)到額定電壓的要求，因此通過(guò)控制側(cè)SEC的泵升作用，利用電機(jī)控制繞組的自身漏感和濾波電感作儲(chǔ)能，將SEC的開(kāi)關(guān)管信號(hào)為零矢量時(shí)存儲(chǔ)的能量在非零矢量時(shí)泵升至直流母線側(cè)，使其端電壓達(dá)到指令值，發(fā)出的電能通過(guò)SEC的直流母線端經(jīng)并聯(lián)二極管往外送出。為了使DWIG具備良好的帶載能力，此時(shí)需維持發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁通恒定。

當(dāng)風(fēng)速逐漸上升，直至功率側(cè)繞組端電壓提升達(dá)到指令值時(shí)，由功率側(cè)的整流橋往外輸出電能，并聯(lián)二極管被阻斷，此時(shí)由并聯(lián)的交流勵(lì)磁電容和SEC共同向電機(jī)提供需要的勵(lì)磁無(wú)功，SEC的調(diào)控功能是維持其自身直流母線電壓恒定不變的同時(shí)，調(diào)節(jié)輸出的勵(lì)磁無(wú)功維持系統(tǒng)輸出直流電壓恒定。

3勵(lì)磁電容的優(yōu)化

特定的風(fēng)力機(jī)在一定風(fēng)速下，都存在一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)，因此發(fā)電機(jī)輸出功率也會(huì)有一個(gè)最大點(diǎn)。將所有不同風(fēng)速下的最大輸出功率點(diǎn)連接起來(lái)，即可得到發(fā)電機(jī)最優(yōu)輸出功率曲線，如圖2所示。

DWIG系統(tǒng)所需的勵(lì)磁無(wú)功容量主要取決于發(fā)電機(jī)參數(shù)、轉(zhuǎn)速范圍、負(fù)載等因素[9-11]，在發(fā)電機(jī)參數(shù)、轉(zhuǎn)速范圍等這些因素都確定的情況下，DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于圖2所示的最優(yōu)輸出功率曲線上，選擇不同大小的勵(lì)磁電容必然會(huì)影響SEC工作時(shí)的電流大小：如果選擇過(guò)小，系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)SEC需要提供過(guò)大的勵(lì)磁無(wú)功；選擇過(guò)大，高速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量多余的勵(lì)磁無(wú)功需要由SEC吸收。

因此優(yōu)化選擇一個(gè)合適的勵(lì)磁電容值，可以使得SEC容量最小化。

3.1系統(tǒng)勵(lì)磁電容優(yōu)化的難點(diǎn)

由圖2所示，本系統(tǒng)以高低風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)的切換轉(zhuǎn)速ns為分界點(diǎn)，形成了兩段不同的運(yùn)行區(qū)間：一為低風(fēng)速區(qū)ABC段，包含風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)、系統(tǒng)建壓以及低風(fēng)速運(yùn)行，此階段由控制側(cè)SEC直流母線端輸出電能，功率側(cè)的整流橋被阻斷，由勵(lì)磁電容和SEC共同提供勵(lì)磁無(wú)功以維持電機(jī)內(nèi)部磁通恒定，此時(shí)因發(fā)電機(jī)頻率低，勵(lì)磁電容低頻下提供的勵(lì)磁無(wú)功電流較小，勵(lì)磁無(wú)功由SEC提供，因此該運(yùn)行區(qū)間內(nèi)控制繞組電流的大小取決于勵(lì)磁無(wú)功電流分量與有功電流分量的合成，根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出功率之間的特性關(guān)系，可知兩種運(yùn)行狀態(tài)之間的切換轉(zhuǎn)速會(huì)影響有功分量的大小，繼而也會(huì)影響勵(lì)磁電容的優(yōu)化選取；二為高風(fēng)速區(qū)CDE段，包括部分額定轉(zhuǎn)速以下以及超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的弱磁區(qū)，此時(shí)系統(tǒng)從功率側(cè)輸出電能，由SEC吸收勵(lì)磁電容提供的過(guò)多的勵(lì)磁無(wú)功，以此來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)部磁通，從而穩(wěn)定輸出的直流母線電壓，此時(shí)控制側(cè)SEC的有功損耗只占很小一部分，因此無(wú)功電流分量在控制繞組電流中占主要成分。

綜上所述，本文研究的寬風(fēng)速運(yùn)行的DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，與文獻(xiàn)[10,11]研究的系統(tǒng)在拓?fù)浜涂刂粕嫌蟹浅４蟮牟煌?，造成了系統(tǒng)存在著另外幾個(gè)影響勵(lì)磁電容優(yōu)化選取的關(guān)鍵點(diǎn)如下：一是系統(tǒng)存在兩種運(yùn)行狀態(tài)，在有功和無(wú)功電流已解耦的情況下，高低風(fēng)速兩種狀態(tài)下控制繞組電流中有功和無(wú)功分量的組成完全不同，造成了文獻(xiàn)[10,11]中的優(yōu)化原則對(duì)于本系統(tǒng)完全失去了作用，必須針對(duì)本系統(tǒng)探討新的優(yōu)化原則；二是何時(shí)從低風(fēng)速運(yùn)行切換至高風(fēng)速運(yùn)行，即兩種運(yùn)行狀態(tài)之間切換時(shí)機(jī)的選擇將會(huì)影響勵(lì)磁電容的優(yōu)化選??；三是如何將高低風(fēng)速兩種運(yùn)行狀態(tài)不同控制方式下的控制電流綜合起來(lái)考慮勵(lì)磁電容的優(yōu)化，選擇一個(gè)合適的方案。

3.2控制繞組電流的計(jì)算

下面針對(duì)兩種不同的運(yùn)行狀態(tài)，分析控制電流的組成。為了簡(jiǎn)化分析，忽略定子繞組之間互漏感的影響，且只考慮系統(tǒng)的基波分量。假設(shè)負(fù)載為阻性，以RL表示，其中p,s,r分別代表功率繞組、控制繞組和等效的轉(zhuǎn)子繞組。兩種運(yùn)行狀態(tài)下的DWIG電機(jī)數(shù)學(xué)模型均相同，不同之處在于各自運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)發(fā)出的電能由何處輸出，由此導(dǎo)致系統(tǒng)的等效電路與相量圖與之前拓?fù)涞南到y(tǒng)有所不同。低風(fēng)速下運(yùn)行時(shí)，由控制側(cè)SEC的直流母線輸出電能，參考文獻(xiàn)[9]的DWIG數(shù)學(xué)模型，此時(shí)系統(tǒng)的等效電路與相量圖如圖3所示。由圖3a所示等效電路，根據(jù)基爾霍夫電流定律，可得各電流之間關(guān)系為由圖3b所示相量圖，可得mI的幅值與各電流的幅值關(guān)系為將上面各式全部代入式（2），得化簡(jiǎn)可得控制繞組電流中的勵(lì)磁無(wú)功電流分量為最終控制電流可表示如下發(fā)電狀態(tài)下s為負(fù)值，依據(jù)參考文獻(xiàn)[9]，可得式中Pe——轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞到定子側(cè)的電磁功率。由式（4）～式（6）可得低風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)下不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載下控制繞組電流的大小。系統(tǒng)在高風(fēng)速下運(yùn)行時(shí)由功率側(cè)的整流橋輸出電能，此時(shí)由于控制側(cè)的有功損耗很小，可忽略不計(jì)，SEC提供的調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)部磁通的勵(lì)磁無(wú)功電流可看成是一個(gè)可控電流源，依據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，控制繞組電流為由式（6）和式（7）可得高風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)下不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)載下控制繞組的電流大小Is。

3.3勵(lì)磁電容的優(yōu)化原則

根據(jù)上面的計(jì)算與分析，可得到低風(fēng)速區(qū)ABC段和高風(fēng)速區(qū)CDE段控制繞組電流隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，如圖4中曲線1，2所示，曲線定性地給出了兩種運(yùn)行狀態(tài)下的電流變化趨勢(shì)，曲線2中的負(fù)值電流表示此時(shí)SEC正從發(fā)電機(jī)抽取過(guò)多的勵(lì)磁無(wú)功。而圖中曲線3表示電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)勵(lì)磁電容可提供的無(wú)功電流變化趨勢(shì)。從控制繞組電流變化規(guī)律可以看出，低風(fēng)速區(qū)控制繞組電流隨轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)單調(diào)性變化，高風(fēng)速區(qū)電流會(huì)出現(xiàn)減小至零再增大的變化過(guò)程，因此控制繞組電流最大值出現(xiàn)在低風(fēng)速區(qū)運(yùn)行段切換轉(zhuǎn)速時(shí)（圖4中A點(diǎn)）和高風(fēng)速區(qū)運(yùn)行段的高速滿載時(shí)（圖4中B點(diǎn)），即控制繞組最大電流Ismax可表示為通過(guò)選取一個(gè)合適的勵(lì)磁電容值，使得控制側(cè)繞組電流在A點(diǎn)和B點(diǎn)的值能保持：|Is|=|Ih|，即可使得控制繞組最大電流達(dá)到最小值，SEC容量達(dá)到最小。

4系統(tǒng)優(yōu)化勵(lì)磁電容的選取

下面在Matlab的Simulink環(huán)境下分別針對(duì)低風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)下不同運(yùn)行轉(zhuǎn)速以及高風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)下高速滿載情況時(shí)的控制繞組電流變化分別進(jìn)行仿真，以此尋找出最佳的切換轉(zhuǎn)速及最優(yōu)的勵(lì)磁電容值。

4.1勵(lì)磁電容大小對(duì)控制繞組電流的影響

本文用于仿真和實(shí)驗(yàn)研究的37kW3/3相DWIG樣機(jī)的相關(guān)參數(shù)為：Rp=0.78，sR=0.535，rR=0.384，Llp=5.84mH，lsL=4.38mH，lrL=2.86mH，Lm=165.5mH，極對(duì)數(shù)p=2，額定轉(zhuǎn)速n=1500r/min，最高轉(zhuǎn)速nmax=2000r/min；功率側(cè)輸出額定電壓600V（發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速需達(dá)到1000r/min以上）；功率繞組和控制繞組的有效匝數(shù)比Ns:Np=52:60?？刂撇呗匀匝佑脭?shù)字電流滯環(huán)控制[6]，仿真時(shí)以阻性負(fù)載來(lái)代替對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)輸出功率。根據(jù)式（4）～式（7），對(duì)低風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)下500～1400r/min以及高風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)下2000r/min滿載兩種情況，分別進(jìn)行了不同勵(lì)磁電容大小的仿真，由此得到的控制繞組電流Is變化規(guī)律如圖5所示。圖5中曲線簇Is1和曲線Is2分別表示低風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)下不同轉(zhuǎn)速以及高風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)下高速滿載時(shí)的控制繞組電流變化規(guī)律，勵(lì)磁電容大小從100～300F，每5F為一間隔。曲線Is2為曲線Is2關(guān)于x軸的對(duì)稱曲線，它與曲線簇Is1的交點(diǎn)可表示為不同轉(zhuǎn)速下當(dāng)勵(lì)磁電容為某一值時(shí)，控制繞組電流在整個(gè)工作過(guò)程中正向最大電流與負(fù)向最大電流相等。而本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)在1000r/min以后才能輸出額定電壓600V，即1000r/min以下輸出額定電壓必須以低風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行，從控制側(cè)SEC直流母線端輸出電能。因此結(jié)合上面得到的仿真結(jié)果，可初步確定|Is|=|Ih|所對(duì)應(yīng)的最佳切換轉(zhuǎn)速與最優(yōu)勵(lì)磁電容在圖5中四邊形區(qū)域內(nèi)，其左側(cè)邊界點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)為1000r/min，205F，|Ih|=15A。

4.2勵(lì)磁電容的優(yōu)化選取

由低風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)切換至高風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速之間仍然要滿足發(fā)電機(jī)最優(yōu)輸出功率特性，且必須切換平滑，無(wú)沖擊及擾動(dòng)，因此切換轉(zhuǎn)速的選取尤為重要，在切換后此轉(zhuǎn)速下功率側(cè)必須仍然具備輸出所需最優(yōu)功率的能力。仿真結(jié)果是理想化的，未考慮系統(tǒng)中的非線性因素，但是可以作為優(yōu)化選取的參考。本文在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合了循環(huán)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法來(lái)獲取最佳切換轉(zhuǎn)速和最優(yōu)勵(lì)磁電容值，其流程圖如圖6所示。以邊界點(diǎn)1000r/min、205F為起始參考條件，判斷約束條件|Is+Ih|≤和Pout≤Popt(n)，當(dāng)不滿足條件時(shí)，循環(huán)疊加對(duì)應(yīng)的C和n，直至找到最優(yōu)的勵(lì)磁電容值和最佳切換轉(zhuǎn)速。其中Popt(n)表示發(fā)電機(jī)最優(yōu)輸出功率曲線上轉(zhuǎn)速為n時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出功率值。采用圖6所示的方法，經(jīng)過(guò)若干次循環(huán)計(jì)算和驗(yàn)證之后，可求得優(yōu)化勵(lì)磁電容值Copt=235F，ns=1100r/min，此時(shí)控制繞組的正向最大和負(fù)向最小電流都約為18A。

5實(shí)驗(yàn)研究

在實(shí)驗(yàn)室一臺(tái)37kW的DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)樣機(jī)上對(duì)前面理論分析和仿真優(yōu)化選取的結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。采用西門(mén)子MM440變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)普通三相交流異步電機(jī)來(lái)模擬風(fēng)力機(jī)[15]。實(shí)驗(yàn)時(shí)負(fù)載采用自制的并網(wǎng)逆變器，效率達(dá)99%，THD＜5%，輸出的有功功率給定遵循DWIG的最優(yōu)輸出功率曲線。SEC選擇飛思卡爾MC56F8346DSP作處理器，硬件由MitsubishiIPM模塊構(gòu)建，控制周期為100s，濾波電感為4mH，勵(lì)磁電容為235F。

實(shí)驗(yàn)中DWIG的最優(yōu)輸出功率與轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系滿足風(fēng)力機(jī)的特性，轉(zhuǎn)速變化范圍為500～2000r/min，每隔100r/min給出對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)輸出功率及控制繞組電流大小，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，其中控制繞組電流值以有效值表示。系統(tǒng)在500～2000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能運(yùn)行穩(wěn)定，切換速度下控制繞組電流正向最大值與高速滿載抽取勵(lì)磁無(wú)功時(shí)負(fù)向最大電流基本相等，約為17.5A，SEC容量約為額定功率的31%，與原拓?fù)涞腄WIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果相比（文獻(xiàn)[6]給出的結(jié)果為37%，文獻(xiàn)[11]中為33%），基本相當(dāng)，從而也驗(yàn)證了優(yōu)化方案的正確性和有效性。

圖8給出了幾個(gè)典型運(yùn)行轉(zhuǎn)速下的實(shí)驗(yàn)波形。圖8a為原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到500r/min時(shí)系統(tǒng)在蓄電池的輔助勵(lì)磁下建壓運(yùn)行（輸出DC600V額定值）的波形。待建壓完成后，系統(tǒng)按最優(yōu)輸出功率曲線運(yùn)行，在轉(zhuǎn)速范圍（500～1100r/min）內(nèi)為低風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)電壓泵升原理由控制側(cè)SEC直流母線端輸出電能。圖8b為1000r/min時(shí)輸出8kW功率的實(shí)驗(yàn)波形，此時(shí)SEC向發(fā)電機(jī)提供少量勵(lì)磁無(wú)功以維持發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁通恒定以保證其足夠的帶載能力，控制繞組電流主要取決于其有功分量，這時(shí)的控制繞組線電流有效值約為16.1A。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1100r/min后切換為高風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)電機(jī)的輸出功率約為12kW時(shí)，由功率側(cè)整流橋輸出電能，整個(gè)變速運(yùn)行過(guò)程中，輸出的直流母線電壓（即并網(wǎng)逆變器的直流側(cè)電壓）均能保持穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)波形如圖8c所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，勵(lì)磁電容提供的勵(lì)磁無(wú)功超出了發(fā)電機(jī)所需，SEC必須抽出多余的部分，圖8d給出最高轉(zhuǎn)速2000r/min輸出額定功率時(shí)的系統(tǒng)電壓和電流波形，此時(shí)控制繞組電流有效值約為17.3A。

6結(jié)論

采用新拓?fù)涞腄WIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)利用低風(fēng)速下控制側(cè)SEC的泵升作用由其直流母線輸出電能和高風(fēng)速下功率側(cè)整流橋輸出電能相結(jié)合的方式，在寬風(fēng)速范圍內(nèi)均能輸出穩(wěn)定的高壓直流。本文針對(duì)新系統(tǒng)特殊的控制策略，對(duì)其勵(lì)磁電容優(yōu)化方案即SEC容量最小化問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，得出了和原拓?fù)湎到y(tǒng)完全不同的優(yōu)化原則：若能保證切換轉(zhuǎn)速時(shí)控制繞組電流正向最大值與最高速滿載時(shí)控制繞組電流負(fù)向最大值相等（|Is|=|Ih|）相等，選取的勵(lì)磁電容即可使得SEC容量最小化。結(jié)合發(fā)電機(jī)的最優(yōu)輸出功率曲線，通過(guò)詳細(xì)的理論推導(dǎo)和Simulink仿真研究，得到不同勵(lì)磁電容下兩種工作狀態(tài)下控制電流變化規(guī)律，采用循環(huán)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法得到最佳的切換轉(zhuǎn)速為1100r/min，最優(yōu)勵(lì)磁電容約235F。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)在500～2000r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行穩(wěn)定，優(yōu)化選取勵(lì)磁電容后，SEC容量約占發(fā)電機(jī)額定功率的31%，與之前DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的SEC容量相當(dāng)?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化方案過(guò)后，在只需要增加一個(gè)單向功率二極管的前提下，即可通過(guò)新的拓?fù)浜涂刂品椒▽?shí)現(xiàn)寬風(fēng)速范圍內(nèi)（1:4）輸出穩(wěn)定的高壓直流電，充分利用了低風(fēng)速下的風(fēng)能。