变速恒频双馈风力发电机组以其独特的技术优势已逐步成为并网型风力发电机的主力机型。该风力发电机针对风能具有随机性、多变性的特点，能根据风力发电机转速（风速）的变化，来调节转子励磁电流频率等参数，保持输出电压频率恒定，提高风电能量转换效率。该机组主要工作在同步速附近，在这一运行区域，转子励磁电流频率很低（同步速时为零），通过转速来调节转子励磁频率很难保证双馈发电机输出功率的稳定。为此，国外学者已将直接转距控制（DTC）技术应用于变速恒频双馈风力发电系统中，而我国在这方面的研究还处于起步阶段。本文尝试将DTC技术引入到双馈发电机的控制领域，分析了双馈发电机的DTC原理，建立了数学模型，并进行了基本的仿真研究。

　　1双馈发电机的DTC控制原理考虑直接转矩控制的特点，双馈电机的数学模型应建立在转子d q旋转坐标系上。定子电压、电流与磁链均折算到转子侧，得到双馈发电机的数学表达式为u r sd u r sq = R s i r sd i r sq + d d t r sd r sq + - r sq r sd（1）u rd u rq = R r i rd i rq + d d t rd rq（2）式中：为转子同步旋转坐标系d轴与三相静止坐标系a轴之间的夹角。

　　由于是双馈电机，温度对转子电阻影响较小，因此转子磁链的计算采用u i模型，其表达式如下rd =（u rd - R r i rd）dt rq =（u rq - R r i rq）d t}（3）另外，转子磁链也可通过定转子电流矢量得出R = L m i s e - j+ L r i r（4）式中：为转子位置角（0，2 3，- 2 3）。

　　双馈发电机的电磁转矩是定转子磁链、互感及其夹角的函数。T e = 3 2 p L m L s r | r | | s | sin（5）式中：是互感因数；p为电机极对数；L s，L r，L m为电机每极的定子自感、转子自感与定转子互感。

　　在异步电动机直接转矩控制中，要人为保持定子磁链为额定值，并利用这个条件产生施加于定子绕组的电压矢量。根据定子磁链估计定子磁链幅值，转矩则通过定转子磁链间的夹角来调节，由于转子磁链的变化相对定子磁链较慢，因此可以认为在一段采样时间内，通过转子磁链恒定，逆变器输出有选择的电压矢量来控制定子磁链的旋转，即可实现对电磁转矩的控制。高采样率可以避免在采样时间内转子磁链的变化，同时把转子磁链的变化作为一个扰动输入磁链调节器，这就必须提高逆变器中IGBT的开关频率。

　　对于双馈电机来说，它是靠控制施加转子的电压矢量进行控制的，这就提出了一个关于转子磁链控制的问题。转子逆变器设置两个调节器，一是磁链调节器，调节转子磁链的幅值；另一个是转矩调节器，调节转子磁链的角度，如所示。一个明显的优点是定子磁链幅值与旋转速度保持恒定，因为定子绕组直接与电网相连，因此不需要高的采用频率。此外，定转子磁链均是参考转子的同步旋转坐标系，因此开关频率可以降低，这样有利于双馈发电机低频逆变的实现。

　　DTC控制策略通过查表来实现，由磁链与转矩的滞环调节器的输出来决定逆变器开关状态的选择。一旦开关状态被估计出，相应的电压矢量加在转子侧，将会改变转子磁链。电压矢量的切线分量决定转矩，径向分量决定磁链的幅值。

　　如前所述，定子磁链幅值保持恒定，在转子同步旋转坐标系下均以转差速度旋转，如所示。转子磁链由所施加的电压矢量（6个工作电压矢量与2个零电压矢量）调节，一是调节转子磁链幅值，二是根据转子所在区间并施加适当的电压矢量即可实现对转子磁链运动轨迹的控制，也就是说控制定转子磁链间的夹角，达到对电磁转矩实现控制的目的。

　　逆变器输出的空间电压矢量由磁链调节器、转矩调节器与磁链区间选择器共同决定。磁链调节器与转矩调节器根据磁链与转矩的参考值与实测值的差量（为1时增加，为0时减小）的不同状态的选择，决定输出的电压空间矢量。零电压矢量将增大控制复杂化，因此没有引入。

　　2控制系统仿真模型2 1转矩与磁链计算为实现DTC控制，转矩调节器与磁链调节器需要转矩与磁链的实测值作为反馈量，而转矩与磁链的实测值需要通过计算得到。

　　转子磁链的幅值与相角通过d q轴分量计算得到R = 2 R + 2 R（（6）= arctan R（R（7）幅值反馈到磁链调节器，相角用于确定转子磁链所在区间。转矩通过转子磁链与实测转子电流得出，其表达式为T e = 3 2 p R i R（- R（i R（8）2 2风力机模型风力机从风中捕获的机械功率为P m = 1 2）R 2 3 c p（9）式中：）为空气密度，kg/ m 3；R为叶片半径，m；为主导风速，m/ s；c p为风能利用系数。

　　从理论上讲，输出功率是风速立方的函数，但实际上由于机械强度和其他因素的限制，风力发电机输出功率是有限制的。

　　2 3双馈风力发电机仿真系统模型基于上述的双馈发电机模型和风力机模型，利用MATLAB/ SIM ULINK仿真环境建立了控制系统的仿真模型，如所示。图中设置了一个风速模块，由风力机模块输出机械转矩值和磁链转矩计算模块估算出的电磁转矩值共同输入转矩调节器模块，由磁链区间选择模块、磁链调节器模块与转矩调节器模块共同决定开关电压矢量模块的输出，从逆变器模块得到为双馈发电机转子提供频率、幅值、相位可调的励磁电压。

　　3仿真结果分析3 1仿真系统主要参数在SIM ULINK环境下，按所示的仿真系统，输入的风力机参数如下：桨叶半径3 24 m，额定转速296 r/ min，额定风速10 m/ s，切入风速4 m/ s，最大风速12 m/ s.

　　双馈发电机的模型利用转子d q旋转坐标系下的数学表达式构成，参数如下：功率7 5 kW，定子电压415 V，转子电压440 V，定子额定电流19 A，转子额定电流11 A，定子电阻1 06 +，转子电组0 8 +，定子自感0 206 5 H（折算到转子侧），定转子互感0 021 35 H，转子自感0 081 H，极对数3，同步转速1 000 r/ min，定子三角接，转子星形接。

　　转矩调节器的滞环为- 0 3 0 3 N m，磁链调节器的滞环为- 0 05 0 05 Wb.

　　3 2仿真结果根据如上系统模型与主要参数，得出仿真结果如所示。转子磁链轨迹，由于在磁链模型的每个区间段采用了多个电压矢量，其磁链轨迹接近圆形，可使转矩脉动减小，谐波分量降低。

　　转子电流在经过短暂的电机自身调整过程后，进入比较稳定的状态，幅值、相位和频率基本上都没有太大波动。采用DTC控制的转子相电压波形图。定子电流、电压波形。双馈风力发电机根据风速的变化，在直接转矩控制的作用下电磁转矩跟踪输入的机械转矩的动态波形。以上仿真结果说明，本文提出的双馈发电机DT C控制系统具有良好的控制效果。

　　4结论理论分析和仿真结果说明，双馈发电机采用直接转矩控制技术，可得到较好的低频控制特性，转子磁链运动轨迹接近圆形，转矩响应迅速，脉动小，从而可以实现对变速恒频双馈风力发电机输出功率的平滑调节；而且对电机参数依赖较小，控制模型比较简单，对直接转矩控制技术在双馈风力发电机中的应用有一定的参考价值。