基于功率前馈补偿控制的BDFG励磁变换器控制策略研究

郭 鹏，姜忠山，王 赛

（1. 海军航空工程学院控制工程系，山东烟台 264001；2. 91206部队，山东青岛 266000）

基于功率前馈补偿控制的BDFG励磁变换器控制策略研究

郭 鹏1，姜忠山1，王 赛2

（1. 海军航空工程学院控制工程系，山东烟台 264001；2. 91206部队，山东青岛 266000）

双PWM交直交型变换器适应于无刷双馈变速恒频电源系统，可以实现能量的双向流动。然而，随着发电机运行状态的改变，变换器功率流动方向会发生变化，这将会引起直流侧电压的波动，不利于整个系统的稳定运行。结合无刷双馈发电机的运行特点，在对网侧变换器传统电压电流双闭环控制的基础上，提出了基于无刷双馈电机机侧变换器功率补偿的控制策略，提高了直流侧电压的稳定性，并通过仿真进行验证。

无刷双馈发电机 双PWM变换器 直流侧电压 功率前馈补偿

0 引言

无刷双馈发电机采用交流电励磁，可以通过对励磁频率的调节来改变输出电压的频率，从而实现变速恒频发电，因为其本身为无刷结构，高速运行的情况下可靠性较高[1]。

将双PWM交直交变换器应用到无刷双馈发电机变速恒频发电系统中，有诸多优势：1）在无刷双馈发电机转子速度发生变化的情况下实现能量双向流动，可以较为灵活地实现变换器的四象限运行；2）功率因数可调，能够运行于高功率因数甚至单位功率因数；3）能够保证其电压的稳定；4）能够保证输入、输出电流的正弦特性，谐波含量少[3,4]。

1 双PWM变换器基本原理

如图1所示，双PWM变换器由结构完全对称的两个PWM变换器组成，通过直流母线连接而成，能够分别实现整流和逆变的功能，进而实现功率不同方向的流动。

将此变换器应用于无刷双馈变速恒频发电系统中时，当电机转子运行于亚同步速时，转差功率由励磁绕组流向转子绕组，此时网侧变换器进行整流工作，机侧变换器进行逆变工作；当电机转子运行于超同步速时，转差功率的能量流向是从电机转子绕组回馈到励磁绕组，此时网侧PWM变换器工作于逆变状态，而机侧PWM变换器工作于整流状态。

由于网侧、机侧PWM变换器结构对称，运行过程以及原理具有相似性，本文将重点对网侧PWM变换器的控制策略进行分析。

图1 双PWM电压型变换器的拓扑结构

2 网侧变换器控制策略

2.1 电流解耦环节

定义开关函数Sk

其中1代表各相上桥臂的导通，0代表各相下桥臂的导通。

可得网侧变换器的三相abc轴数学模型及网侧同步速dq轴数学模型分别为式(2)、(3)

通过分析，可看出看出d、q轴电流存在耦合项，需引入电流前馈补偿，对igd、igq进行解耦，消除耦合项，并对网侧变换器采用电网电压定向的矢量控制，假设us为电网电压，令ugd= us，可得

2.2 功率前馈补偿环节

将机侧变换器以及无刷双馈电机的定子侧励磁绕组等效为网侧变换器的负载，在网侧变换器输出的瞬时功率突然变化时，忽略IGBT的损耗，可认为网侧变换侧的输入功率Pg等于负载功率Pl与电容功率Pc之和。

式(6)中ugd为常数，由此可看出电容电压的变化与网侧变换器的igd以及网侧变换器输出的负载功率Pl有关。

当能量由机侧变换器向发电机定子侧励磁绕组输出并且电机运行状态突变时，由于网侧变换器电压环的调节速度较慢，因此网侧变换器输入的瞬时功率将无法及时跟踪机侧变换器输出瞬时功率的动态变化，此时只能由直流侧电容向机侧变换器输出能量，从而导致直流电容电压变化。

根据（6）式，可将Pl/ ugd作为id的补偿量，这样在网侧变换器负载的瞬时功率发生变化时，电流环能够迅速跟踪，平衡输入功率与输出功率，而不会影响到直流侧电压。

图2 基于功率前馈补偿的控制原理

图3未引入功率前馈补偿控制策略的波形

图4 引入功率前馈补偿控制策略的波形

3 仿真研究

将上文所述控制策略在matlab/simulink中进行仿真。在仿真中设置给定电网电压为220 V/50 Hz，给定直流侧电压udc=650 V，网侧电感L=2.2 mH，直流侧电容C=2200 μF，在0.2 s时突加网侧变换器的负载功率。对网侧PWM变换器分别采用引入功率前馈补偿和未加入功率前馈补偿的控制方法，将其仿真波形进行比较。

通过图3图4仿真波形可看到，当无功功率给定为0时，网侧变换器可以实现单位功率因数的运行，直流侧电压基本保持稳定，在0.2 s时突然改变负载有功功率时，未引入功率前馈补偿控制策略的直流侧电压波形有一些波动，而引入功率前馈补偿控制策略的直流侧电压波形一直保持稳定，证明了该方案是可行的。

4 结语

本文结合无刷双馈发电机的运行特性，对直流侧电压波动的原因进行分析，提出了基于机侧变换器功率前馈补偿控制策略。仿真结果证明，该方案除能实现输入功率因数的可调性、保持输入端的正弦化之外，还可以在无刷双馈发电机突然改变运行状态时能够使得直流侧电压持续保持稳定，提高了整个系统的动态特性。

[1] 邓先明, 姜建国. 无刷双馈电机的工作原理及电磁设计[J]. 中国电机工程学报, 2003, 23(11)∶ 126-132. [2] 高志刚, 冬雷, 廖晓钟. 一种新型四象限多电平变流器[J]. 电力自动化设备, 2013, 33(6)∶ 52-57.

[3] 周求宽, 廖勇, 姚骏. 双 PWM 变换器励磁的交流励磁发电机励磁系统设计.电力系统自动化, 2007, 31(6)∶ 77-81.

[4] 李莹. 双 PWM 变流器的建模与控制[D]. 长春∶东北电力大学, 2008.

[5] 刘其辉, 贺益康, 卞松江. 变速恒频风力发电机空载并网控制.中国电机工程学报, 2004, 24(3)∶ 6-11.

Control Strategy of the Converter Used in Brushless Doubly Fed Generator System with the Power of Feed-forward Compensation

Guo Peng1, Jiang Zhongshan1, Wang Sai2
(1. Department of Control Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, Shandong, China; 2. Unit 91206 of PLA, Qingdao 266000, Shandong, China)

Dual PWM AC-DC-AC converter is applied to a brushless doubly fed generator(BDFG) system torealize the two-way flow of energy. However, with the change of the operation status of theBDFG, the converter power flow direction is changed, which causes the fluctuation of DC side voltage, andis not conducive to the stable operation of the whole system. Combined with the operating characteristics ofBDFG, and based on the traditional voltage and current double closed loop control of grid side converter,the control strategy of BDFG stator winding transformer based on power compensation is proposedto improve the stability of the DC side voltage, and is verified by simulation.

brushless doubly fed generator; dual PWM converter; DC side voltage; power of feed-forwardcompensation

TM464

A

1003-4862（2015）08-0036-04

2015-04-10

郭鹏（1990-），男，硕士生。研究方向：电力电子与电力传动。