双馈电机控制

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
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控制有功功率 （电磁转矩）
控制直流电压和 网侧功率因数
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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
1 Lcb L2 m 2
LAc LcA LbC L1m cos( 120 )
LAb LbA LaC L1m cos( 120 )
12
2.1.3 运动方程和转矩方程
J g d Dg Kg Tl Tem n p dt n p np
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。
Ls Lr L Ls Lr
2 m
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
J g d Dg Kg Tl Tem n p dt n p np
3 Te n p sd isq sq isd 2 3 Lm np sq ird sd irq 2 Ls
1 isq sq Lmirq Ls
将式上式代入的转子磁链方程，可得转子磁链表达式（2）
rd rq
Lm Lm 2 sd Lr ird Ls Ls Lm Lm 2 sq Lr irq Ls Ls
16
Tms Ls rs
定子电磁时间常数
urd Lr u L r rq
dird L2 Lm rs Lm m rs 2 rr ird 1 r Lr irq 2Βιβλιοθήκη Baidu s usd dt Ls Ls Ls dirq L2 r Lm Lm m rs 2 rr irq 1 r Lr ird s usq dt Ls Ls Ls
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
sq 0
sd s
电磁转矩可简化为： 并可得：
3 Lm Te n p irq s 2 Ls
Lmird Tmsusd s T p 1 ms Lm irq usq T 1 ms s
22
rs Lm rs d s dt L s L ird usd s s 0 Lm rs i u 1 s rq sq L s
3 Lm Ps 2 1 L irq s s Q 3 s Lmird s 1 s 2 Ls
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功率外环的前向控制框图如下图所示
P
*
+
P
PI
i
* rq
Q* +
-
PI
i
* rd
Q
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：
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
urd Lr urq Lr dird rr ird 1 r Lr irq dt dirq L rr irq 1 r Lr ird 1 r s m dt 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。
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
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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。
9
2.1.1 电压方程
定子电压方程 转子电压方程
d A u A RsiA dt
d a ua Rr ia dt
d b ub Rr ib dt d c
dt
10
d B uB RsiB dt
d C uC RsiC dt
uc Rr ic
17
将式（2）和式（3）代入转子电压方程，可得（4）
urd Lr u L r rq dird L2 Lm rs r Lm Lm m rs 2 rr ird r Lr irq 2 sd sq usd dt Ls Ls Ls Ls dirq L2 Lm rs r Lm Lm m rs 2 rr irq r Lr ird 2 sq sd usq dt Ls Ls Ls Ls
3 Lm Ps 2 1 L irq s s Q 3 s Lmird s 1 s 2 Ls
24
定子磁场向的重要意义：
3 Lm Ps 2 1 L irq s s Q 3 s Lmird s 1 s 2 Ls
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电流内环解耦前向控制框图如下图所示
1 r s
i +
i rq
* rq
Lm Ls
PI
*' * u rq + u rq
+
1 r Lrird
+
-
i
* rd
PI
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。
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，
当dq旋转坐标系按定子磁链定向时,则
1
2.2.2 磁链方程
sd sq rd rq
Ls isd Lmird Ls isq Lmirq Lmisd Lr ird Lmisq Lr irq
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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 sd Lmird Ls
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
dLrs T dLsr Tem 0.5n p (i i1 is ir ) d d
T r
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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
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
2.1.2 磁链方程
A L AA L B BA C LCA a LaA b LbA c LcA L AB LBB LCB LaB LbB LcB L AC LBC LCC LaC LbC LcC L Aa LBa LCa Laa Lba Lca L Ab LBb LCb Lab Lbb Lcb L Ac i A i LBc B LCc iC Lac ia Lbc ib Lcc ic
将式（1）代入定子电压方程，可写出定子磁链的状态方程 （3）
rs Lm rs d sd dt L sd sq L ird usd s s d sq rs Lm rs i u sq sd rq sq Ls Ls dt
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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 1 s usq
urd Lr urq Lr
dird rr ird 1 r Lr irq dt dirq L rr irq 1 r Lr ird 1 r s m dt Ls
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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自感
LAA LBB LCC L1m L1l
Laa Lbb Lcc L2m L2l
1 L AB LBA LCB L1m 2
互感
Lab Lba
LAa LaA LcC L1m cos
Pr sPs
n1 n s 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
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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2.2.1 电压方程
usd usq u rd urq d sd sq rs isd dt d sq sd rs isq dt d rd r rq rr ird dt d rq r rd rr irq dt