双馈电机控制 PPT课件
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3
1.2 双馈电机系统的结构
双馈电机系统一般由双馈电机、BacktoBack功率变换器、变压器等构成
4
1.3 双馈电机系统的功率平衡关系和运行状态
忽略定子电路和转子电路的损耗，只考虑定子回路功率（转差功率）Ps、 机械功率Pmec和转子回路功率Pr， 则有：
Pmec Ps Pr (1 s)Ps
14
2.2.1 电压方程
usd
d sd
dt
sq
rsisd
usq
d sq
dt
sd
rsisq
urd
d rd
dt
r rq
rrird
urq
d rq
dt
r
rd
rr irq
2.2.2 磁链方程
sd Lsisd Lmird sq Lsisq Lmirq rd Lmisd Lrird rq Lmisq Lrirq
8
（二）双馈电机的数学模型
2.1 双馈电机三相静止坐标下的数学模型
定子三相绕组轴线A、B、C 在空间是固定的，以A轴为 参考坐标轴，转子绕组轴线 a、b、c随转子旋转，转子 a轴和定子A轴间的电角度θ 为空间角位移变量。定子绕 组采用发电机惯例，转子绕 组采用电动机惯例。
双馈电机（绕线感应电机）的物理模型
rr ird
r
Lrirq
Lmrs L2s
sd
r Lm
Ls
sq
Lm Ls
usd
urq
Lr
dirq dt
L2m rs L2s
rr
irq
r
Lrird
Lmrs L2s
sq
r Lm
Ls
sd
Lm Ls
usq
Ls Lr L2m
Ls Lr
为电机的总漏磁系数
18
2.2.3 运动方程和电磁转矩方程
－ +
ird
PI ir*q
PI
irq
接整流器
+
ur*d
+
2r/3s 驱动
u*
+
rq
+
s r
三相电 压型逆
变器
三相转子电流
3s/2r
－
r ∫
r
FBS
IM
－ +
s
sl + s
s PLL
usdq
瞬时功 率计算
isdq 3s/2r
三相定子电压
三相定子电流
32
3.2.2 双馈电动机转子侧变流器控制策略
双馈电动机转子侧变流器控制目的在于控制电机的转速和调节定子
irq usq
s
Tms
Ls rs
定子电磁时间常数
22
urd
Lr
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L2m rs L2s
rr
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Lm Ls
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23
Ps
3 2
1
Lm Ls
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Qs
3 2
1
s
s
Lmird Ls
28
功率外环的前向控制框图如下图所示
P* +
PI
i* rq
Q* +
-
-
P
Q
PI
i* rd
29
构造变流器电流内环时，需要将电流指令转化为电压指令，然后 进行SVPWM调制。在定子磁链定下下，双馈电机电流与电压的关 系如下所示：
urd
9
2.1.1 电压方程
定子电压方程
uA
RsiA
d A
dt
uB
RsiB
d B
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uC
RsiC
d C
dt
转子电压方程
ua
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d a
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d b
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Rric
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dt
10
2.1.2 磁链方程
A LAA LAB LAC LAa LAb LAc iA
B
LBA
LBB
LBC
LBa
LBb
LAb LbA LaC L1m cos( 120 )
12
2.1.3 运动方程和转矩方程
Tl
Tem
Jg np
d
dt
Dg np
Kg np
Tl为原动机提供的拖动转矩；Jg为发电机的转动惯量；Dg与转 速成正比的阻转矩阻尼系数；Kg为扭转弹性转矩系数；ω为电 机转子的电角速度； np为电机的极对数
Lr
dird dt
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1 r
Lrirq
urq
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1
r
Lrird
1
r
s
Lm Ls
上式表明，双馈电机转子d、q轴电流与电压之间存在交叉耦合关 系，因此需要进行d、q轴之间的解耦补偿控制。
30
电流内环解耦前向控制框图如下图所示
i* rq
+
-
i rq
Tl
Tem
Jg np
d
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Dg np
Kg
np
Te
3 2
np
isd sq isq sd
3 2
n
p
Lm Ls
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19
2.2.4 功率方程
20
2.3 双馈电机定子磁场定向数学模型
若让d、q坐标轴的旋转速度ω等于定子磁链的同步角速度ω1，且规定d 轴沿着定子总磁链矢量Ψs的方向，而q轴为逆时针垂直于矢量Ψs，这样dq 坐标系即成为按定子磁链定向的旋转坐标系。
6
1.3.2 双馈电机超同步运行状态
当双馈电机转子转速高于同步转速时（s<0），电机运行于超同 步状态，此时电机既可以是发电状态，也可以是电动状态
7
1.4 双馈电机系统的特点 所需变流器容量较小，主要由电机的转速范围决定 定子侧功率因数可控 作为电动系统运行时，可实现无级调速 作为发电系统运行时，可实现变速恒频发电
Tem
0.5np (irT
dLrs
d
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d
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13
2.2 双馈电机在两相旋转坐标（d、q坐标系）下的数学 模型
三相坐标下的数学模型虽然能直观的表示双馈发电机的基本特性， 却不能反映控制参数与这些方程的直接关系，并且存在很强的耦合。 采用坐标变换，将三相坐标方程转化为两相旋转坐标方程，是对电 机进行矢量控制的前提条件
*
34
3.2.3 定子磁链观测
双馈电机矢量控制系统中需要对定子磁链矢量的幅值和相角进 行直接或者间接观测，磁链观测的精确定位对矢量控制系统的 性能有重要的影响。
定子磁链观测主要方法有： （1）磁敏式检测法 （2）探测线圈法 （3）电流模型法 （4）电压模型法 前两种方法属于直接检测法，但需要在电机内部安装检测元件， 比较复杂，不利于广泛应用；后两种方法属于间接检测法，是 通过检测电机的电压、电流量，来计算定子磁链的角度和幅值， 这里介绍的是电压模型法。
双馈电机控制 及其控制
1
主要内容
一、双馈电机及其控制系统结构 二、双馈电机的数学模型 三、双馈电机控制方法
2
（一）双馈电机及其控制系统结构
1.1 什么是双馈电机
双馈电机是一个绕线转子感应电机，它的定子绕组直接连接到 三相电网上，转子绕组通过一个背靠背功率变换器与电网相连接， 由于定、转子均与电网相连，因此叫双馈电机。 双馈电机既可以做电动机运行，也可以做发电机运行。 做电动机运行时，称作双馈调速系统；做发电机运行时，称作 双馈发电系统。
25
（三）双馈电机系统的控制
3.1 总体控制思路
双馈电机控制系统，无论是调速系统还是发电系统，其控制都是 通过变流器来实现的。
由于采用了back-to-back拓扑形式的变流器，因此，转子侧变流器 和网侧变流器可以方便的采取各自的控制策略，而互不影响。
转子侧变流器主要用于控制电机的功率，对发电系统而言，就是定 子侧的电功率；对电动系统而言，则是电机的电磁转矩。
网侧变流器的主要作用是维持直流侧电压的稳定和调节电网的功率 因数
26
控制有功功率 （电磁转矩）
控制直流电压和 网侧功率因数
27
3.2 转子侧变流器的控制策略 3.2.1 双馈发电机转子侧变流器控制策略
双馈发电机转子侧变流器的作用是控制定子侧发出的有功和无功功 率，根据第二部分推导的基于定子磁链定向的电机方程，可以看出： 定子有功、无功功率与转子q轴、d轴电流存在线性关系，因此转子 侧变流器采用功率外环、电流内环的双闭环控制策略
35
电压模型法是从电动机的端电压中减去绕组的阻抗压降，而 将电机的反电动势进行积分运算，从而求得电机的磁通。
36
该模型构建的定子磁链观测器具有以下明显的优点： (1)由于双馈电机定子侧直接连在电网上，因而定子侧电压是 稳定的工频电网电压，电压谐波小，因此电压的检测、积分 都比较容易实现； (2)与普通感应电机调速相比，由于双馈电机通常在同步速附 近工作，不存在由于转速过低而使反电势过低，从而导致检 测反电势以及积分运算困难的问题； (3)该电压模型构建的定子磁链观测器，整体结构简单，工作 可靠、准确。
15
由定子磁链方程可得定、转子电流之间的关系，具体表达式如下
（1）
1
isd Ls
sd Lmird
isq
1 Ls
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将式上式代入的转子磁链方程，可得转子磁链表达式（2）
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Lm Ls
sd
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Lm2 Ls
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B
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b
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Lbb
Lbc
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c LcA LcB LcC Lca Lcb Lcc ic
每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的 互感磁链之和
21
，
当dq旋转坐标系按定子磁链定向时,则
1 sq 0 sd s
电磁转矩可简化为： 并可得：
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3 2
n
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1
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将式（1）代入定子电压方程，可写出定子磁链的状态方程 （3）
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将式（2）和式（3）代入转子电压方程，可得（4）
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Lr
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L2mrs L2s
Pr sPs
s n1 n n1
功率的正方向规定：（1）定子回路向电网输出电功率为正； （2）转子回路从电网吸收电功率为正；（3）转子从外部吸收 机械功率机械功率为正；（4）反之皆为负
5
1.3.1 双馈电机亚同步运行状态
当双馈电机转子转速低于同步转速时（即0<s<1），电机运行于 亚同步状态，此时电机既可以是发电状态，也可以是电动状态
1
r
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u u *' rq
+
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双馈发电机转子侧变流器控制框图如下图所示
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sl
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PI
－ +
侧的功率因数（无功功率），电动机转速的控制归根结底是对电磁 转矩的控制。双馈电机在定子磁链定向下，电磁转矩与转子q轴电 流有着线性关系，而定子无功功率与转子d轴电流有着一一对应的 关系。
Te
3 2
np
Lm Ls
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Qs
3 2
1
s
s
Lmird Ls
33
因此，可以通过控制转子q轴电流控制电机的电磁转矩，进而控制转速； 通过控制转子d轴电流控制电机定子侧的无功功率，从而实现双馈电动 机转速和定子无功功率的独立控制
1
r Lrird
1
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Lm Ls
Ps
3 2
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定子磁场向的重要意义：
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3 2
1
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1
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Lmird Ls
通过上面的功率方程可以看出，经过定子磁场定向，电机 定子有功功率和无功功率分别与转子q轴电流和转子d轴电 流有一一对应的关系，这为有功、无功功率的解耦控制奠 定了理论基础
37
3.3 网侧变流器控制策略
网侧变流器的目的是控制直流电压恒定和调节电网侧的功率 因数，当采用电网电压矢量定向控制时，电网的有功功率和 无功功率与网侧d、q轴电流有如下关系：
由上式可知，有功功率和无功功率是自然解耦的。一般条件下通 常认为电网电压是基本不变的，即U为常数。因此，通过分别控 制idc和iqc就可以分别控制整流器的无功功率和有功功率。
在正常情况下，定子电压的幅值、频率和相位均可看作是不变的， 定子磁链矢量也可认为是稳定的，可忽略定子励磁电流的动态过程， 若再忽略定子电阻，可得到定子磁链定向的简化模型
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自感
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互感
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Lab Lba L
Lcb
1 2
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LAa LaA LcC L1m cos
LAc LcA LbC L1m cos( 120 )
1.2 双馈电机系统的结构
双馈电机系统一般由双馈电机、BacktoBack功率变换器、变压器等构成
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1.3 双馈电机系统的功率平衡关系和运行状态
忽略定子电路和转子电路的损耗，只考虑定子回路功率（转差功率）Ps、 机械功率Pmec和转子回路功率Pr， 则有：
Pmec Ps Pr (1 s)Ps
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2.2.1 电压方程
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2.2.2 磁链方程
sd Lsisd Lmird sq Lsisq Lmirq rd Lmisd Lrird rq Lmisq Lrirq
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（二）双馈电机的数学模型
2.1 双馈电机三相静止坐标下的数学模型
定子三相绕组轴线A、B、C 在空间是固定的，以A轴为 参考坐标轴，转子绕组轴线 a、b、c随转子旋转，转子 a轴和定子A轴间的电角度θ 为空间角位移变量。定子绕 组采用发电机惯例，转子绕 组采用电动机惯例。
双馈电机（绕线感应电机）的物理模型
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为电机的总漏磁系数
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2.2.3 运动方程和电磁转矩方程
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接整流器
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瞬时功 率计算
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三相定子电压
三相定子电流
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3.2.2 双馈电动机转子侧变流器控制策略
双馈电动机转子侧变流器控制目的在于控制电机的转速和调节定子
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定子电磁时间常数
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功率外环的前向控制框图如下图所示
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构造变流器电流内环时，需要将电流指令转化为电压指令，然后 进行SVPWM调制。在定子磁链定下下，双馈电机电流与电压的关 系如下所示：
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2.1.1 电压方程
定子电压方程
uA
RsiA
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转子电压方程
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2.1.2 磁链方程
A LAA LAB LAC LAa LAb LAc iA
B
LBA
LBB
LBC
LBa
LBb
LAb LbA LaC L1m cos( 120 )
12
2.1.3 运动方程和转矩方程
Tl
Tem
Jg np
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Dg np
Kg np
Tl为原动机提供的拖动转矩；Jg为发电机的转动惯量；Dg与转 速成正比的阻转矩阻尼系数；Kg为扭转弹性转矩系数；ω为电 机转子的电角速度； np为电机的极对数
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上式表明，双馈电机转子d、q轴电流与电压之间存在交叉耦合关 系，因此需要进行d、q轴之间的解耦补偿控制。
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电流内环解耦前向控制框图如下图所示
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2.2.4 功率方程
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2.3 双馈电机定子磁场定向数学模型
若让d、q坐标轴的旋转速度ω等于定子磁链的同步角速度ω1，且规定d 轴沿着定子总磁链矢量Ψs的方向，而q轴为逆时针垂直于矢量Ψs，这样dq 坐标系即成为按定子磁链定向的旋转坐标系。
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1.3.2 双馈电机超同步运行状态
当双馈电机转子转速高于同步转速时（s<0），电机运行于超同 步状态，此时电机既可以是发电状态，也可以是电动状态
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1.4 双馈电机系统的特点 所需变流器容量较小，主要由电机的转速范围决定 定子侧功率因数可控 作为电动系统运行时，可实现无级调速 作为发电系统运行时，可实现变速恒频发电
Tem
0.5np (irT
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2.2 双馈电机在两相旋转坐标（d、q坐标系）下的数学 模型
三相坐标下的数学模型虽然能直观的表示双馈发电机的基本特性， 却不能反映控制参数与这些方程的直接关系，并且存在很强的耦合。 采用坐标变换，将三相坐标方程转化为两相旋转坐标方程，是对电 机进行矢量控制的前提条件
*
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3.2.3 定子磁链观测
双馈电机矢量控制系统中需要对定子磁链矢量的幅值和相角进 行直接或者间接观测，磁链观测的精确定位对矢量控制系统的 性能有重要的影响。
定子磁链观测主要方法有： （1）磁敏式检测法 （2）探测线圈法 （3）电流模型法 （4）电压模型法 前两种方法属于直接检测法，但需要在电机内部安装检测元件， 比较复杂，不利于广泛应用；后两种方法属于间接检测法，是 通过检测电机的电压、电流量，来计算定子磁链的角度和幅值， 这里介绍的是电压模型法。
双馈电机控制 及其控制
1
主要内容
一、双馈电机及其控制系统结构 二、双馈电机的数学模型 三、双馈电机控制方法
2
（一）双馈电机及其控制系统结构
1.1 什么是双馈电机
双馈电机是一个绕线转子感应电机，它的定子绕组直接连接到 三相电网上，转子绕组通过一个背靠背功率变换器与电网相连接， 由于定、转子均与电网相连，因此叫双馈电机。 双馈电机既可以做电动机运行，也可以做发电机运行。 做电动机运行时，称作双馈调速系统；做发电机运行时，称作 双馈发电系统。
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（三）双馈电机系统的控制
3.1 总体控制思路
双馈电机控制系统，无论是调速系统还是发电系统，其控制都是 通过变流器来实现的。
由于采用了back-to-back拓扑形式的变流器，因此，转子侧变流器 和网侧变流器可以方便的采取各自的控制策略，而互不影响。
转子侧变流器主要用于控制电机的功率，对发电系统而言，就是定 子侧的电功率；对电动系统而言，则是电机的电磁转矩。
网侧变流器的主要作用是维持直流侧电压的稳定和调节电网的功率 因数
26
控制有功功率 （电磁转矩）
控制直流电压和 网侧功率因数
27
3.2 转子侧变流器的控制策略 3.2.1 双馈发电机转子侧变流器控制策略
双馈发电机转子侧变流器的作用是控制定子侧发出的有功和无功功 率，根据第二部分推导的基于定子磁链定向的电机方程，可以看出： 定子有功、无功功率与转子q轴、d轴电流存在线性关系，因此转子 侧变流器采用功率外环、电流内环的双闭环控制策略
35
电压模型法是从电动机的端电压中减去绕组的阻抗压降，而 将电机的反电动势进行积分运算，从而求得电机的磁通。
36
该模型构建的定子磁链观测器具有以下明显的优点： (1)由于双馈电机定子侧直接连在电网上，因而定子侧电压是 稳定的工频电网电压，电压谐波小，因此电压的检测、积分 都比较容易实现； (2)与普通感应电机调速相比，由于双馈电机通常在同步速附 近工作，不存在由于转速过低而使反电势过低，从而导致检 测反电势以及积分运算困难的问题； (3)该电压模型构建的定子磁链观测器，整体结构简单，工作 可靠、准确。
15
由定子磁链方程可得定、转子电流之间的关系，具体表达式如下
（1）
1
isd Ls
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将式上式代入的转子磁链方程，可得转子磁链表达式（2）
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每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的 互感磁链之和
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，
当dq旋转坐标系按定子磁链定向时,则
1 sq 0 sd s
电磁转矩可简化为： 并可得：
Te
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将式（1）代入定子电压方程，可写出定子磁链的状态方程 （3）
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将式（2）和式（3）代入转子电压方程，可得（4）
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L2mrs L2s
Pr sPs
s n1 n n1
功率的正方向规定：（1）定子回路向电网输出电功率为正； （2）转子回路从电网吸收电功率为正；（3）转子从外部吸收 机械功率机械功率为正；（4）反之皆为负
5
1.3.1 双馈电机亚同步运行状态
当双馈电机转子转速低于同步转速时（即0<s<1），电机运行于 亚同步状态，此时电机既可以是发电状态，也可以是电动状态
1
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31
双馈发电机转子侧变流器控制框图如下图所示
－ +
－ +
Ps*
Ps Qs*
Qs
sl Lrird
sl
Lr irq
Lm s Ls
us
PI ir*d
PI
－ +
侧的功率因数（无功功率），电动机转速的控制归根结底是对电磁 转矩的控制。双馈电机在定子磁链定向下，电磁转矩与转子q轴电 流有着线性关系，而定子无功功率与转子d轴电流有着一一对应的 关系。
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3 2
np
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1
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s
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33
因此，可以通过控制转子q轴电流控制电机的电磁转矩，进而控制转速； 通过控制转子d轴电流控制电机定子侧的无功功率，从而实现双馈电动 机转速和定子无功功率的独立控制
1
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24
定子磁场向的重要意义：
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通过上面的功率方程可以看出，经过定子磁场定向，电机 定子有功功率和无功功率分别与转子q轴电流和转子d轴电 流有一一对应的关系，这为有功、无功功率的解耦控制奠 定了理论基础
37
3.3 网侧变流器控制策略
网侧变流器的目的是控制直流电压恒定和调节电网侧的功率 因数，当采用电网电压矢量定向控制时，电网的有功功率和 无功功率与网侧d、q轴电流有如下关系：
由上式可知，有功功率和无功功率是自然解耦的。一般条件下通 常认为电网电压是基本不变的，即U为常数。因此，通过分别控 制idc和iqc就可以分别控制整流器的无功功率和有功功率。
在正常情况下，定子电压的幅值、频率和相位均可看作是不变的， 定子磁链矢量也可认为是稳定的，可忽略定子励磁电流的动态过程， 若再忽略定子电阻，可得到定子磁链定向的简化模型
usd 0
usq 1 s
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11
自感
LAA LBB LCC L1m L1l
Laa Lbb Lcc L2m L2l
互感
1 LAB LBA LCB 2 L1m
Lab Lba L
Lcb
1 2
L2m
LAa LaA LcC L1m cos
LAc LcA LbC L1m cos( 120 )