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MATLAB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。蒋正友更多请访问：中国自动化网()