双馈电机矢量控制系统的研究

双馈电机矢量控制系统的研究
交流调速双馈电机矢量控制仿真
1引言
近十年来，随着电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的发展，电气传动领域已出现交流电机调速取代直流电机调速的发展趋势。

对于一些高电压、大功率且调速范围不大的场合，采用绕线型异步电机双馈控制系统，其装置可靠性高、造价低廉。

此外，双馈电机矢量控制系统还具有快速动态响应，低谐波污染，高效及能调节电网功率因数等高性能控制特点。

因此，双馈电机控制系统具有非常广阔的应用前景。

本文给出了一种按定子磁链定向的双馈电机矢量控制系统，并通过仿真验证了该系统的正确性。

2矢量控制技术
由于电动机的控制主要是对转矩的控制，交流电动机又是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多[1]。

而以前的控制系统都是采用单变量控制系统的概念，没有考虑交流电机的非线性、多变量的本质，因而其动态性能不甚理想。

许多专家学者对此进行了潜心研究，终于提出了两项研究成果：德国西门子公司F.Blaschke等提出了“感应电机磁场定向的控制原理”和美国P.C.Custman和A.A.Clark申请专利的“感应电机定子电压的坐标变换控制原理”。

在以后的实践中经过不断的改进，形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速系统。

由于交流电动机三相定子电流经过三相/两相坐标变换，可以等效成两相静止坐标下的交流电流，在通过按定子磁场定向的旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系下直流电流。

由此可以将交流电动机等效成直流电动机，按照直流电动机的控制方法来控制经过变换的直流电流，在通过坐标的反变换，即可实现对交流电动机的控制。

3 定子磁链定向双馈电机的矢量控制的基本原理
3.1 双馈调速的基本原理
所谓调速，就是将电能分别馈入感应电动机的定子绕组和转子绕组。

通常将定子绕组接入工频电源，将转子绕组接入频率、幅值、相位和相序都可以调节的独立的交流电源。

双馈调速的基本思想是，在绕线式感应电机的转子回路串入附加电势，调节附加电势的大小、相位和相序，就可以调节感应电机的转矩、转速和定子侧的无功功率。

3.2 双馈感应电机的数学模型
双馈电机的数学模型建立在转子dq坐标系中比较方便[1]。

其基本方程如下：
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
上述各式中，usd和usq分别为定子侧输入电压综合矢量us在d轴和q轴的分量；urd和urq 分别为转子侧输入电压综合矢量ur在d轴和q轴分量；p为微分算子；np为电机极对数。

3.3 定子磁链定向矢量控制原理
为了实现有功功率和无功功率的解耦控制，采用双馈电机在同步旋转dq坐标系下的动态数学模型。

考虑到不论是电动状态还是发电状态，定子频率恒定在电网频率,在该频率下定子电阻压降远比电抗压降和电机反电势小，尤其对于兆瓦级大功率电机，定子电阻可以忽略不计。

此时，发电机的定子绕组总磁链与定子端电压矢量的相位正好相差90°。

因此采用定子磁链定向将使控制系统大为简化，按照通常矢量控制惯例，d轴与定子磁链的方向重合。

这样，定子磁链在d、q 轴上的分量分别为Ψsd、Ψsq。

参考坐标系如图1所示。

我们假定：(1)忽略定、转子电流高次谐波分量；(2)忽略电机铁心磁滞、涡流损耗及磁路饱和的影响；(3)电机定子并入无穷大电网；(4)转子量均折算到定子侧；(5)各物理量正方向按照电动机惯例选取。

图1 定子磁链定向矢量控制参考坐标
由于电网能量无穷大，可以认为稳态时定子磁链大小恒定为Ψs=Us/ωs, 其中ωs为所并电网的角频率。

双馈电机定子定压和磁链方程可以简化为
(6)
根据上式可以得到定、转子电流的关系
(7)
因此，电机的电磁转矩和定子吸收的无功功率可以分别用转子电流来表示：
(8)
从上式可以看出，对双馈电机有功功率和无功功率的解耦控制，就是要求实现对转子电流d、q轴分量isd和isq的解耦控制。

将上面定、转子电流的关系带入转子电压和磁链方程：
(9)
可得转子控制电压为：
(10)
其中, Δurd，Δurq是d、q轴转子电流的交叉耦合电压项，为q轴电流控制通道上的一个干扰项,因此必须采用前馈补偿以消除稳态跟随误差。

通过引入前馈补偿量Δurd，Δurq，对d、q轴转子电流的控制才真正实现了解耦，并且提高了电流控制环的动静态性能。

根据以上分析，可以构建双馈电机定子磁链定向双闭环矢量控制系统，系统框图如图2所示。

图2 双馈电机矢量控制系统框图
内环为转子电流控制环，由ird、irq两个控制通道组成，均采用带输出限幅的PI电流调节器，电流误差经调节后输出电压控制量，再叠加上Δurd，Δurq前馈电压补偿量，即可得到同步旋转坐标系中的转子电压控制量,再经坐标反变换得到双馈电机转子三相电压控制指令u*rα、u*rβ，送到转子侧SVPWM模块，产生实际所需的励磁电压及电流。

外环为转速控制环，转速值作为转速环的给定，和电机转速反馈值比较后其差值送入带输出限幅的PI调节器，输出转子有功电流的给定i*rq。

无功电流的给定i*rd可以根据电网对系统的无功要求计算得出，或者使i*rd对应于最小的电机铜耗，而风电系统的整体无功功率则由网侧变换器来统一协调控制。

另外，如果从减少IGBT损耗的角度考虑，则可将i*rd设定为0。

3.4 双馈电机的定子磁通观测
定子磁链矢量的大小恒定为Ψs =Us/ωs，且落后定子电压矢量π/2角度，定子三相电压测量值经3/2变换后，可以得到静止两相坐标系中的电压分量,再经K/P变换可以得到定子电压幅值和相角，该相角减去π/2即为定子磁链矢量的相角，该幅值除以电网角频率即为定子磁链的幅值。

4双馈电机矢量控制系统的仿真
4.1 仿真准备
电机参数如下：
视在功率：15kVA，额定电压：380V，额定频率：50Hz
定子电阻及漏感：0.435Ω，2.0mH；
转子电阻及漏感：0.816Ω，2.0mH；
激磁电感(互感)：69.31mH；
转动惯量：0.15kg.m2。

在MATLA B仿真环境中，搭建系统仿真模型[3]如图4所示。

仿真中采用双通道分别控制电动机定子转矩电流分量isq和磁场电流分量isd的方法，其中转矩电流分量是采用速度外环、电流内环的双闭环控制方式，磁场电流分量仅采用电流环控制。

图4 定子磁链定向控制系统仿真模型
4.2 仿真结果分析
采用上述的仿真模型，分别对双馈电机的各种运行工况进行仿真研究。

(1)亚同步运行时转速响应性能
给定初始转速为1100r/min，在0.8s时突变到1300r/min，在1.4s时下降到1000r/min；负载转矩给定为50N·m，其仿真波形如图5所示。

图5 亚同步运行时的转速响应
(2)超同步运行时转速响应性能
给定初始转速为1700r/min，在0.8s时突变到1800r/min，在1.4s时下降到1600r/min；负载转矩给定为50N·m，其仿真波形如图6所示。

图6 超同步运行时的转速响应
(3)同步运行时转速响应性能
给定转速为1500r/min，负载转矩给定为50N·m。

其仿真波形如图7所示。

图7 同步运行时的转速响应
（4）亚同步与超同步时的转速响应性能：
给定初始转速为1300r/min，在0.8s时突变到1700r/min，在1.4s时下降到1300r/min；负载转矩给定为50N·m，其仿真波形如图8所示。

图8 亚同步与超同步间转换时的转速响应
由上面的仿真波形可知，调速系统启动运行达到给定速度时的速度超调量小，双馈电机进行调速时，速度动态变化过程快，电磁转矩发生突变后又快速恢复，这表明系统能够较好的跟随速度的阶跃响应，避免了系统有较大的扰动，影响电流波形，从而减小了系统的谐波。

5结束语
本文介绍了双馈电机定子磁链定向矢量控制调速系统，该系统通过双通道来控制电机的转子电流，最终控制双馈电机转子侧的电压，从而达到调速的目的，使系统有良好的调速性能。

仿真结果证明该系统能进行大范围调速，系统的静、动态性能良好。

与其他电机矢量控制调速相比，系统结构简单，性能优越，应用价值广泛，在工业应用领域特别是风力发电中有很好的推广前景。

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