无刷双馈发电机不依赖参数的矢量控制策略

段琦玮，刘 石，龙 腾

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206；2.剑桥大学工程系，剑桥 CB21TN)

0 引言

无刷双馈电机(brushless doubly fed machine，BDFM)具有两套独立、极对数不相同的定子绕组：功率绕组(power windings，PW)直接与电网连接，控制绕组(control windings，CW)接双向变流器，既可以作为变频调速电动机又可以作为风力发电机[1-4]。

Poza等首次提出了基于功率绕组磁链定向的矢量控制策略，但是需要采用电机的电阻参数来计算磁链位置角[5-10]。Kostyantyn等人简化了控制系统，但是需依赖电机参数进行准确计算。Farhad提出了电压定向的矢量控制策略，实现了无刷双馈发电机(brushless doubly-fed generator,BDFM)的转速控制，但缺少无功功率的控制同时存在交叉耦合。

本文通过对BDFM的统一矢量模型的研究，提出了一种不依赖电机参数的矢量控制策略。该控制策略首次提出了通过控制控制绕组的d轴和q轴电压分量来分别控制无刷双馈发电机的有功功率和无功功率。

1 统一矢量模型方程

BDFM功率绕组电压定向的统一矢量模型的电压、磁链、转矩方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

根据定子电压定向坐标系的原理可知：

(5)

(6)

由BDFM的磁链方程(2)得到的电流矢量表达式如下:

(7)

根据式(2)、式(6)和式(7)，得:

(8)

2 功率控制器设计

2.1 功率控制原理

BDFG的功率表达式如下式所示：

(9)

将式(5)代入式(9),得式(10)：

(10)

由式(10)可知，BDFG的有功功率和无功功率可由功率绕组的d轴和q轴电流分别来控制。

2.2 控制绕组电流矢量表达式

由式(5)、式(7)和式(8)可得：

(11)

由式(11)可得：

(12)

2.3 控制绕组电压矢量表达式

2.4 功率控制系统

由式(10)、式(12)可得：

(13)

图1 矢量功率控制系统图Fig.1 Power windings voltage directional vector control system

3 试验研究

3.1 转速变化试验

当有功功率给定值为-6 kW、无功功率给定值为0、给定转矩为120 N·m时，转速给定值在720 r/min(超同步运行)和480 r/min(亚同步运行)变化时的试验波形如图2所示。

图2 转速变化时的试验波形Fig.2 Experimental waves of the speed variation

3.2 功率变化试验

电机拖动转速为超同步速为650 r/min、给定转矩为150 N.m时，有功功率和无功功率阶跃变化时的试验波形如图3所示。有功功率参考值设定:1.5～1.8 s为-8 000 W，1.8～2.5 s为-2 000 W，2.5～4.5 s为-8 000 W。无功功率参考值设定:1.5～3 s为-2 000 var，3～4 s为500 var，4～4.5s为2 000 var。

如图3(b)和图3(d)所示，控制策略可以控制有功功率和无功功率快速跟随给定值的变化，同时可以控制功率绕组吸收或输出无功功率。由此可以看出，有功功率控制环和无功功率控制环之间的交叉耦合影响由于加入了补偿模块而减小，但并未完全消除。其原因是统一矢量模型没有考虑电机铁芯饱和，并且忽略了两定子之间实际会存在的直接耦合作用。为了使控制系统更加稳定，试验中的补偿系数取值较小。

图3 功率变化时的试验波形Fig.3 Experimental waves of the power variation

4 结束语

本文在无刷双馈发电机的统一矢量模型的基础上,提出了具有有功功率控制环和无功功率控制环的、不依赖电机参数的矢量控制系统，并给出了详细的理论推导。控制策略在无刷双馈发电试验平台上进行了试验研究。试验结果表明了所提出的功率控制策略在不需要电机参数的前提下,依然可以达到良好的控制效果和解耦效果。

参考文献:

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[9] 段琦玮，刘石，龙腾.统一矢量模型的无刷双馈电机的转速控制[J].自动化仪表,2017,38(6):1-5.

[10]ADEMI S，JOVANOVIC M G.Vector control methods for brushless doubly fed reluctance machines[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(1):96-104.