基于模糊PI調(diào)節(jié)的BDFG獨立電源系統(tǒng)矢量控制的研究

姜忠山，王賽，史曉陽

（1. 海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東煙臺264001；2. 海軍西安局駐興平地區(qū)代表室，陜西興平713106）

基于模糊PI調(diào)節(jié)的BDFG獨立電源系統(tǒng)矢量控制的研究

姜忠山1，王賽1，史曉陽2

（1. 海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東煙臺264001；2. 海軍西安局駐興平地區(qū)代表室，陜西興平713106）

在雙同步速MT坐標系模型[1]的基礎(chǔ)上，通過引入功率繞組定子磁場定向控制的思想，給出了一種適合獨立電源系統(tǒng)的矢量控制策略，系統(tǒng)可以根據(jù)獨立運行所帶負載特性的變化調(diào)整勵磁電流，實現(xiàn)獨立電源系統(tǒng)的變速恒頻恒壓發(fā)電，并間接地實現(xiàn)對功率因數(shù)的調(diào)節(jié)；鑒于BDFG模型復(fù)雜，動態(tài)響應(yīng)特性和魯棒性差的特點，通過引入模糊PI調(diào)節(jié)器，改善了系統(tǒng)的特性；最后通過仿真驗證了該控制策略的正確性和有效性。

無刷雙饋電機 獨立電源系統(tǒng) 矢量控制 模糊PI

0 引言

先進設(shè)備不斷發(fā)展對類似航空、船舶等獨立電源系統(tǒng)的供電性能提出了更高的要求。無刷雙饋電機（Brushless Double-Fed Generator, BDFG）具有降低變頻器容量，無電刷和滑環(huán)，能夠運行于亞同步速、同步速、超同步速上實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電等諸多優(yōu)勢[2]。而目前針對BDFG控制策略的研究現(xiàn)多集中在風(fēng)力、水力發(fā)電等領(lǐng)域[3-4]，并網(wǎng)型BDFG電源系統(tǒng)的矢量控制多采用了通過功率解耦的最大功率跟蹤控制[5]或者直接轉(zhuǎn)矩控制[6-7]；而獨立電源系統(tǒng)與前者相比不同的是，其輸出無須與電網(wǎng)同步，只須保證其幅值和頻率的恒定，其有功無功的輸出由所帶負載決定。

本文提出了一種基于模糊PI控制的BDFG獨立電源系統(tǒng)矢量控制策略。矢量控制采用定子磁鏈定向的矢量控制，能夠根據(jù)負載特性的變化，對控制繞組定子側(cè)電壓進行解耦，并且可以間接實現(xiàn)對電源系統(tǒng)的功率因數(shù)進行調(diào)節(jié)；BDFG由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和強耦合性，獨立運行時轉(zhuǎn)速與負載突變時對系統(tǒng)沖擊較大，采用模糊PI控制提高

了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和魯棒性[8]。

1 基于定子磁鏈定向的矢量控制策略

采用發(fā)電機慣例，控制繞組側(cè)采用電動機慣例，則BDFG在雙同步速MT坐標系中數(shù)學(xué)模型為：

在式中，下標p、c、r分別表示功率繞組、控制繞組、轉(zhuǎn)子參數(shù)；下標m、t分別表示m軸分量和t軸分量；ωp-ppωr=ωc+pcωr=ωs，ωp、ωc分別為功率繞組和控制繞組的磁場轉(zhuǎn)速，ωr為轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速，pp、pc為功率繞組端和控制繞組端的極對數(shù)；p表示微分算子。

其電磁轉(zhuǎn)矩的表達式：

矢量控制是一種現(xiàn)代電機控制技術(shù)，它將對稱三相交流矢量變換成獨立的直流標量進行解耦控制，可以獲得與直流電機相近的控制效果，這使其成為BDFG這種高階和強耦合系統(tǒng)較為理想的控制方法。

獨立電源系統(tǒng)定子端無須與電網(wǎng)同步，輸出電壓只有頻率、幅值的要求，因此采取定子磁鏈定向的矢量控制策略。即

對于并網(wǎng)型BDFG來說，其功率繞組定子側(cè)電壓不可控且所帶負載無法分析；而當(dāng)BDFG獨立運行時，在功率繞組端，要保持其電壓恒定，且由于獨定子側(cè)所帶負載特性易于分析，可以計算得到定子側(cè)電流ipms*、ipts*。

從式(8)中我們可以看出，經(jīng)過上述的解耦計算，得到了控制繞組輸入電壓的給定值，從而實現(xiàn)了控制繞組側(cè)輸入電流的解耦控制并且可以根據(jù)系統(tǒng)所帶負載的情況間接地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率因數(shù)。前半部分作為解耦的控制端定子電壓的解耦控制部分，后半部分是控制端定子電壓的前饋補償項。其控制框圖如下（見圖1）。

2 模糊PI控制器的設(shè)計

BDFG由于其模型的復(fù)雜性和強耦合性等特點，其PI電流調(diào)節(jié)器中參數(shù)對整個電機的參數(shù)依賴性強。模糊PI控制器有參數(shù)自整定功能，能夠智能調(diào)節(jié)PI的參數(shù)，減小對電機參數(shù)的依賴，既有模糊控制器的魯棒性強、動態(tài)響應(yīng)好、上升時間快、超調(diào)量小的特點，又具有PI控制器的良好的動態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。

以電流誤差e和誤差變化ec為輸入，PI參數(shù)的調(diào)整值△kp、△ki為輸出。經(jīng)過多次仿真分析，定義{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}7個模糊子集，隸屬函數(shù)的選擇如圖2。

3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下進行BDFG獨立電源系統(tǒng)矢量控制的動態(tài)仿真。給出BDFG參數(shù)如下：lcs=0.158 H，lcm=0.147H，lr=0.298H，rcs=5.3Ω，rr=7.6Ω，lps=0.178H，lpm=0.169H，rps=3.46Ω，pp=3,pc=1。

給定輸出為220 V，50 Hz三相交流電，過程中的仿真參數(shù)如下：在0～1 s時刻，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在亞同步速600 r/min，接入負載阻抗為Zl=500Ω純阻性負載；在1 s時轉(zhuǎn)速增加至同步速750r/min；2 s時再次增加轉(zhuǎn)速至超同步速800 r/min；3 s時突加感性負載，負載阻抗為ZL=600∠33.75°Ω，轉(zhuǎn)速保持不變。

仿真結(jié)果如圖所示。

圖3分別為功率繞組與控制繞組雙同步速MT軸電流的PI調(diào)節(jié)情況，可以看出模糊PI調(diào)節(jié)可以加快系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)并且可以提高系統(tǒng)的魯棒性，另外可以看出通過對功率繞組電流的控制，可以據(jù)負載的變化間接調(diào)整系統(tǒng)輸出電能的功率因數(shù)。

圖4-6為用模糊PI調(diào)節(jié)器后輸出相電壓和電流波形以及輸入相電流波形。從圖4-5中可以看出，通過矢量控制策略，可以實現(xiàn)BDFG獨立運行的變速恒壓恒頻發(fā)電；從圖6中可以看出通過調(diào)節(jié)控制繞組輸入電流的大小可以控制功率繞組輸出電壓的大小，驗證了變速恒頻是通過調(diào)節(jié)控制繞組輸入電流的頻率來實現(xiàn)的，期間當(dāng)運行于同步速時，控制繞組輸入電流的頻率為0。

4 結(jié)論

本文研究了基于模糊PI調(diào)節(jié)的BDFG獨立電源系統(tǒng)的矢量控制策略。在BDFG雙同步速MT坐標系數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了BDFG獨立電源系統(tǒng)的矢量解耦控制策略，通過對控制繞組輸入電壓的解耦，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的變速恒壓恒頻發(fā)電，并且可以根據(jù)系統(tǒng)所帶負載間接調(diào)節(jié)功率因數(shù)；在BDFG獨立電源系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性和魯棒性差的情況下，采用模糊PI調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制加以改進；最后通過仿真研究，驗證了該控制策略的準確性和有效性。

[1] 卞松江，賀益康，潘再平.級聯(lián)式無刷雙饋電機的建模與仿真[J]. 中國電機工程學(xué)報，2001，21(12)：34-37.

[2] 焦衛(wèi)星，程小華. 無刷雙饋電機智能控制策略綜述[J]. 微電機，2011，44(6)：91-94.

[3] 王琦，陳小虎，紀延超等. 基于雙同步坐標的無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能追蹤控制[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(3)：82-87.

[4] 林成武，王鳳翔，姚興佳. 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制技術(shù)研究[J]. 中國電機工程學(xué)報，2003，23(11)：122-125.

[5] 黃守道. 無刷雙饋電機的控制方法研究[D].長沙：湖南大學(xué)博士論文，2005，(2)17-35.

[6] 金石. 變速恒頻無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究[D]. 沈陽工業(yè)大學(xué)博士論文，2011：75-88.

[7] 宋穎慧. 無刷雙饋電機的直接轉(zhuǎn)矩控制仿真[J]. 微特電機，2012，40(10)：45-47.

[8] 石辛民，郝整清. 模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

Research on Vector Control for Stand-alone BDFG System Based on Fuzzy-PI Regulator

Jiang Zhongshan1，Wang Sai1，Shi Xiaoyang2
（1. Department of Control Engineer, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, Shandong ,China；2. Xingping Military Representatives Office of The Naval Xi’an Bureau, Xingping 713106, Shanxi ,China）

Based on MT mode at double synchronous speed of the brushless double-fed generator(BDFG) in stand-alone power supply system, an effective vector control strategy which is based on power winding stator field orienting for this system is proposed. By adjusting the excitation current, this system can realize variable speed constant frequency(VSCF) and supply constant voltage and indirectly regulate the power factor. Considering the complex model, poor dynamic characteristic and robustness, and the control strategy obviously improves the performances of the system through the introduction of fuzzy-PI regulator, and the simulation results verify its correctness and effectiveness

BDFG; stand-alone power supply system; vector control; fuzzy-PI

TM310

A

1003-4862（2014）03-0069-04

2013-09-12

姜忠山(1963-)，男，博士研究生，副教授。研究方向：現(xiàn)代電力傳動技術(shù)。