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无刷双馈风力发电机并网控制策略与实践研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球工业化进程的加速，能源需求持续攀升，传统化石能源的储量却在不断减少，常规能源资源面临着枯竭的严峻挑战。与此同时，大量使用化石能源所带来的环境污染和全球气候变化问题日益凸显，严重威胁着人类的生存与发展。在此背景下，开发清洁、可持续的新能源成为全球能源领域的研究热点和发展方向。

风力发电作为一种可再生能源发电技术，具有诸多显著优势。风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，在其利用过程中几乎不产生温室气体排放，对环境的污染极小，有助于缓解全球变暖、改善空气质量。随着风力发电技术的不断进步和规模的不断扩大，其成本逐渐下降，在市场上的竞争力日益增强，逐渐成为实现能源可持续发展的重要选择之一。因此，风力发电在全球范围内得到了广泛的应用和快速的发展，尤其是在欧洲、北美和亚洲等地，已成为主要的可再生能源之一。

在风力发电系统中，发电机是将风能转化为电能的核心设备。无刷双馈风力发电机作为一种新型的风力发电机，结合了同步电机和异步电机的特点，具备简单牢固的无刷结构，有效避免了传统有刷电机中电刷和滑环带来的可靠性问题，降低了维护成本。同时，它还拥有可回馈使用的转差功率，能够实现能量的高效利用；可调节的功率因数，有助于提高电力系统的电能质量；小容量的调速控制装置，降低了系统成本；以及多种运行模式，使其能更好地适应不同的工况和运行需求。这些优点使得无刷双馈风力发电机在风力发电领域具有广阔的应用前景，受到了国内外研究者的高度重视。

发电机并网是风力发电系统正常运行的关键环节，也是整个风力发电系统能够良好运行的前提。其主要目的是将风力发电机产生的电能安全、稳定地接入电网，实现电能的有效传输和利用。然而，无刷双馈风力发电机的并网过程较为复杂，其发电状态下的数学模型是一个随机变化、多输入多输出系统。当风资源较弱或者变化较大时，发电机的输出电压可能不稳定，容易引起电力系统的不稳定。若并网控制不当，可能会导致并网时的瞬变电流过大，对电网造成冲击，引起电网电压的大幅下降，甚至会对发电机组各部件造成损害，长时间的并网冲击还可能造成电力系统的解列以及威胁其它发电机组的正常运行。因此，研究无刷双馈风力发电机的并网控制策略具有重要的现实意义，通过优化控制策略，可以实现对并网发电机组的精确调节，使其在各种工况下都能保持良好的运行状态，从而降低能量损失和燃料消耗，提高并网发电系统的运行效率；可以有效地识别和纠正由于负载变化、气象条件、发电机组故障等因素引起的不稳定现象，提高系统的稳定性和可靠性；能够提高系统应对恶意攻击、设备故障等潜在安全威胁的能力，保障系统的安全运行；还能为无刷双馈风力发电机的推广和应用提供有力的理论支持和技术保障，推动风力发电技术的进一步发展。

1.2国内外研究现状

在国外，无刷双馈风力发电机的研究起步较早。上世纪80年代，英国学者率先对无刷双馈电机的基本原理和结构进行了深入探讨，为后续的研究奠定了理论基础。此后，美国、德国、日本等国家的科研机构和高校也纷纷加入研究行列，在电机设计、控制策略、并网技术等方面取得了一系列重要成果。

在电机设计方面，国外学者通过优化电机的磁路结构、绕组布局和材料选择，有效提高了无刷双馈风力发电机的性能。美国某研究团队提出了一种新型的转子结构，通过采用特殊的导磁材料和优化的磁极形状，减少了电机的磁阻和损耗，提高了电机的效率和功率密度。德国的研究人员则致力于改进定子绕组的设计，通过采用新型的绕组连接方式和绝缘材料，降低了绕组的电阻和漏感，提高了电机的运行稳定性和可靠性。

在控制策略研究领域，国外取得了显著进展。早期，主要采用传统的矢量控制和直接转矩控制策略，但这些方法在应对复杂工况时存在一定的局限性。近年来，随着智能控制技术的发展，自适应控制、模糊控制、神经网络控制等先进控制策略被广泛应用于无刷双馈风力发电机的控制中。例如，日本的科研团队提出了一种基于自适应控制的并网控制策略，该策略能够根据电网电压和频率的变化，实时调整发电机的输出电压和频率，实现了发电机的快速、稳定并网。美国的学者则将神经网络控制应用于无刷双馈风力发电机的最大功率跟踪控制中，通过对风速、发电机转速等参数的实时监测和分析，实现了对发电机输出功率的精确控制，提高了风能的利用效率。

在并网技术研究方面，国外重点关注如何降低并网冲击电流和提高电能质量。一些研究通过改进并网控制算法，实现了发电机与电网的软并网，有效降低了并网时的冲击电流。例如，德国的研究人员提出了一种基于预测控制的并网控制算法，该算法通过对发电机输出电压和电流的预测，提前调整发电机的运行状态，实现了发电机的平滑并网。此外，为了提高电能质量，国外还开展了大量关于无功补偿和谐波抑制的研究。一些研究采用静止