一种新的无刷双馈电机轴带系统矢量控制方案*

王晓梅, 孙 健, 常国梅, 徐国林, 乌云翔, 邵诗逸

(北京赛思亿电气科技有限公司,北京 100097)

一种新的无刷双馈电机轴带系统矢量控制方案*

王晓梅, 孙 健, 常国梅, 徐国林, 乌云翔, 邵诗逸

(北京赛思亿电气科技有限公司,北京 100097)

无刷双馈电机(BDFM)由于其无刷设计具备高可靠性，并且BDFM仅需要使用一个部分功率变频器，可降低系统总成本。这些特性非常适用于速度范围被严格限制的轴带发电。提出了一种基于功率绕组磁链同步坐标系的矢量控制方案，能够实现稳定的独网运行。详细介绍了控制的数学模型和相关推导，并进行了稳态和瞬态性能的试验验证。

无刷双馈电机； 矢量控制； 轴带系统； 独网

0 引 言

无刷双馈电机(Brushless Doubly Fed Motor,BDFM)有两个独立的定子绕组，两者之间在机械和电磁上完全独立。一般来说，一个绕组直接与电网相连，称为功率绕组(Power Winding,PW);另一个绕组与变频器[1]相连，称为控制绕组(Control Winding,CW)。虽然两个三相定子绕组是绕在相同的铁心上，但如果两个绕组采用特殊的极对数组合，可实现电磁上的完全去耦合。在各种极对数组合中，4/8和2/6是应用最广泛的[2-3]。BDFM采用类鼠笼结构或绕组式设计的转子实现两个定子绕组之间的间接耦合[3]。

由于BDFM的控制绕组仅吸收转差功率，故只需使用部分功率变频器即可[4]。变频器的功率与电机调速范围密切相关[5]，当转速范围较小时，可以大大降低变频器的功率及相应的成本。此外，BDFM没有滑环和碳刷，因此具有更高的可靠性，需要更少的维护。

在设计研究上，国内外对于BDFM的设计方法[3]、容量计算[1]、仿真方法[6]和电磁设计[7]等多方面进行了较为成熟的研究。目前的研究重点已经逐渐转移到BDFM的应用领域[8]。

在过去几年的应用中，BDFM被认为是一种解决风力发电的理想解决方案[9-10]。学术界已经对其控制方法[11-12]、不平衡运行[13]，以及在电网电压跌落时的低电压穿越[14-15]开展了广泛研究。近来，轴带发电被认为是BDFM的另一个潜在研究领域[16]。在轴带发电系统中，主推进柴油机驱动BDFM向船舶负载供电。采用轴带电机的优势在于可以降低燃料成本、减少发电机维护费用及润滑费用[17]。对于定桨矩系统，发电机的转速由主推进柴油机决定，所以要求轴带系统适应转速变化的同时能为负载提供一个输出恒定频率的电源[18]。

风力发电和轴带发电的相似之处在于两者都处于限定的转速范围之内。这样的工作环境非常适合BDFM配备部分功率变频器的系统[19]。但是，这两个应用之间仍然存在明显的区别：轴带发电系统能够实现独网运行，而风力发电系统却要连接一个大电网。在独网运行时，轴带发电系统需保证负载变化时输出电压仍然稳定。根据最新的报道，目前最大的容量应用于轴带发电的BDFM是700 kW[20]。

本文旨在提出一种基于独网条件下的PW定子磁链定向的矢量控制方案[11]。

1 BDFM的基本原理及建模

1.1 基本操作

图1所示为一个无刷双馈轴带发电系统，PW连接网侧逆变器端，CW连接在机侧逆变器端，BDFM的速度由两个定子绕组的频率决定，不受扭矩影响，可表示为

(1)

式中：ωr、ω1、ω2——转子、PW和CW的角频率；p1、p2——PW和CW的极对数。

图1 无刷双馈轴带发电系统

由于PW的角频率ω1是恒定的50 Hz,转子转速ωr是由主柴油机决定的，CW的频率必须满足式(1)以保证BDFM保持在同步运行模式下。

本文主要研究电机的控制策略，即机侧部分，网侧控制部分本文不做讨论。

1.2 矢量控制的数学表征

BDFM在同步运行模式下的矢量控制算式如式(2)～式(8)所示。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：u、i、R、L、Ψ——电压、电流、电阻、电感和磁链；

下标1、2、r——PW、CW及转子;

上标*——复共轭;

Te——转矩。

从式(2)～式(8)中可以很清楚地看到PW和CW间没有直接的磁耦，转子是连接两个定子绕组的介质。

2 控制方案

2.1 电压控制环

最终的控制目的是无论负载条件如何，均需稳定PW的输出电压，即控制目标为u1d和u1q。如果把式(2)直接投影到d轴和q轴上，可得

(9)

(10)

当u1足够大时，则可以忽略R1i1的下降。稳态Ψ1是常数，则dΨ1/dt≈0。因此，式(9)和式(10)可近似为

(11)

(12)

式(3)可在dq轴上分解为

(13)

(14)

综合考虑BDFM模型，可得到ψ1和i2的关系为

(15)

(16)

σ1——PW的漏抗系数[11]。

因此-i2q控制Ψ1d，-i2d控制Ψ1q。值得注意的是，线性增益K0跟速度有关，D0d和D0q非常大，可视为扰动，其影响将在后文中讨论。

总而言之，控制关系如式(7)所示，并在图2中给出了控制方案。

(17)

图2 电压控制环

2.2 电流控制环

同样，从式(11)和式(12)，i2和u2在两个轴可以建立关系：

(18)

(19)

K1，D1d和D1q可表示为

相对于K0，D0d，D0q和K1是恒定的。同时D1d和D1q相对较小，式(18)和式(19)建立了如下控制关系：

这个关系被称为电流控制环，如图3所示。

图3 电流控制环

2.3 矢量控制方案

综上所述，可以建立如下控制环：

(20)

(21)

该控制方案示意图如图4所示。控制方案中，PW的控制频率为50Hz，通过对频率的积分得到PW磁链角θ1。转子的位置信息θr由编码器提供。为了配合PW磁链，如果忽略电阻下降，u1d_ref设置为0，u1q_ref根据实际所需电压的大小来设置。

2.4 控制方案的讨论

式(20)和式(21)中给出的控制链包括D0d，D0q，D2d和D2q的扰动部分。这些扰动来自转子绕组与两个定子绕组间的耦合。

这四个扰动项中，理论分析表明，D2d和D2q小到可以忽略不计，但是D0d和D0q较大。虽然通过解耦方案可以用来补偿扰动，但解耦补偿将高度依赖于机器参数并且涉及复杂的计算，所以本

图4 控制方案

文没有采用这种方法，而是使用PI控制器来实现补偿。这可能导致动态响应能力相对较差。

此外，由于D2d和D2q相比D0d和D0q影响较小，可以看出电流环比电压环具有更好的动态特性，并且该特性将在试验中得到验证。

3 试验数据

3.1 试验平台的搭建

为了验证所提出的控制方案，建立了一个60kWBDFM的试验台，用于验证控制性能。其参数如表1所示。

表1 BDFM参数

BDFM原理样机连接了一个可调速的原动机，模拟变化的主轴。将BDFM样机连接到一个变频器，该变频器使用本方案所提出的矢量控制算法。变频器中的网侧和机侧是完全相同的硬件，通常称为背靠背结构。该系统网侧与传统的网侧相同，其控制目标是与电网同步，维持直流母线电压。在整个试验过程中，直流母线电压保持在730 V。机侧使用x86 Celeron 650 MHz CPU的控制器，满足0.4 ms的控制回路的刷新时间。

PW通过接触器连接到4个电阻箱，为BDFM提供负载。每个电阻箱可以提供15 kW、400 V的负载，4个电阻箱最大可提供60 kW的负载。因此，可以通过控制相应的接触器，实现15 kW的瞬态负载变化。

3.2 稳定状态下的控制性能

该控制要求轴带发电系统提供可接受的稳定电源，并通过PW电压和两个定子绕组中的电流进行评估。

图5 BDFM在650 r/min和60 kW时的稳态性能

图5给出了650 r/min和60 kW(满载)的试验结果。显然，PW和CW均能平稳运行,并且PW能向负载提供正弦电压。在设计转速范围和不同负载条件下进行测试。当转速下降到250 r/min并且无负载情况下，达到最差的总谐波失真(THD)为5.01%。因此，该矢量控制方案可以实现稳定的操作，并且没有严重的电压畸变。

3.3 负载变化时的动态性能

转速为600 r/min，负载功率为30 kW,当15 kW的电阻箱突然被加载到PW上时，电压波形如图6(a)所示，其中可以观察到约有10.7%的电压下降，几秒钟后PW电压便回到基准水平。这种现象是由于上述所提到的扰动所致。图6(b)提供的电流环波形中，当负荷突然增大，i2d可以立刻响应并跟踪。i2d的恢复时间为0.5 s。i2q也有相似的性能，这里没有给出。如图6(c)所示，直流母线电压也有一个短暂的电压突降。

图6 BDFM运行在600 r/min，负载从30 kW上升到45 kW时的动态性能

当BDFM在350 r/min，从30 kW卸载到15 kW时，数据结果如图7所示。

图7 BDFM运行在350 r/min，负载从30 kW下降到15 kW时的动态性能

相比于第一种情况，如图7(a)所示的PW电压，经历1.5 s的瞬态响应时间，电压上升了28.6%。图7(b)显示了电流环的控制性能响应时间小于1 s。在图7(c)，直流母线电压从730 V上升至800 V，甚至激活动态制动电路将额外的能量消耗在制动电阻上，以保护变流器的IGBT。在这两个测试中，不难发现电流环控制的动态响应效果优于电压环控制。这是因为电压环控制存在更大的扰动。

3.4 速度变化时的动态性能

在船舶操作过程中，轴速度可能会急剧变化。但在这种情况下，仍需保持轴带发电系统的正常运行。因此，本文对轴带电机系统的动态性能进行了试验研究。

图8(a)所示为感应电动机的速度在12 s内从450 r/min 调整到680 r/min。在此期间，负载保持在45 kW。PW的电压波形如图8(b)所示，最大时增加12.5%，但最后又回到参考值。i2q成功追踪到它的参考值。当负载恒定时，随着转速的增加，由于功率下降，总电流是下降的，如图8(c)所示。直流母线的电压波动为3.4%，如图8(d)所示。

图8 BDFM运行在45 kW，转速从450 r/min上升到680 r/min时的动态性能

4 结 语

本文提出了以独立轴带系统为目的的矢量控制器。该控制器基于功率绕组磁链，文中做了理论分析,并且通过稳态和动态试验验证了该控制方案。结果表明，这种控制结构能够达到预期的性能，但是由于扰动的存在，响应速度会有延迟，所以提高该控制器的动态响应能力是未来的研究方向。

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A New Vector Control Scheme for Brushless Doubly Fed Motor in Shaft Generation*

WANGXiaomei,SUNJian,CHANGGuomei,XUGuolin,WUYunxiang,SHAOShiyi

(Beijing CSE Electric Technology Co., Ltd., Beijing 100097, China)

Brushless doubly fed induction motor (BDFM) offered the merit of high reliability due to its brushless operation.Furthermore, when the BDFM was supplied with a fractionally-rated converter, the total system cost decreases.These characteristics were suitable in the application of shaft generation in which the speed range was strictly limited.A vector control scheme oriented on the power winding flux reference frame to achieve stable stand-alone operation was proposed.Detailed mathematical model was introduced before the control structure was explained.Experimental results on steady state and transient performance were carried out to verify the control scheme.

brushless doubly fed motor (BDFM); vector control; shaft generation; stand-alone

国家科技支撑计划课题资助项目(2014BAG04B02)

王晓梅(1988—)，女，研究方向为电气控制系统、电气传动、轴带发电。 孙 健(1989—)，男，助理工程师，研究方向为电气控制系统、电气传动、轴带发电。 常国梅(1982—)，女，硕士研究生，工程师，研究方向为电气控制系统、电气传动、轴带发电。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)03- 0011- 06

2016 -10 -21