基于前饋補(bǔ)償?shù)臒o(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)解耦控制研究

張鶴鳴，韋忠朝

（1.華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)實(shí)驗(yàn)室；2.中歐清潔與可再生能源學(xué)院，湖北 武漢 430074）

基于前饋補(bǔ)償?shù)臒o(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)解耦控制研究

張鶴鳴，韋忠朝

（1.華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)實(shí)驗(yàn)室；2.中歐清潔與可再生能源學(xué)院，湖北 武漢 430074）

無(wú)刷雙饋電機(jī)具有能夠?qū)崿F(xiàn)變速恒頻的操作，有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，以及其取消了電刷滑環(huán)結(jié)構(gòu)等諸多優(yōu)點(diǎn)，該類型電機(jī)在風(fēng)能和水電發(fā)電等場(chǎng)合具有極好的應(yīng)用前景。依據(jù)BDFM的數(shù)學(xué)模型，提出獨(dú)立發(fā)電條件下的控制策略，利用前饋補(bǔ)償解耦來(lái)提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。在simulink環(huán)境下搭建仿真模型驗(yàn)證控制策略可行性。

無(wú)刷雙饋電機(jī)；變速恒頻；前饋補(bǔ)償

無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)定子有兩套繞組，其中一套是功率繞組，用來(lái)發(fā)電；另外一套為定子控制繞組，用于交流勵(lì)磁。控制繞組接變頻器，通過(guò)交流器給電機(jī)勵(lì)磁，電機(jī)省去了電刷滑環(huán)結(jié)構(gòu)。在風(fēng)能和水能發(fā)電場(chǎng)合中，為了實(shí)現(xiàn)獲得最大能量，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)可以在較大的范圍內(nèi)隨著風(fēng)速或水速的變化而變化，由于這種變速恒頻控制可以通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)的，轉(zhuǎn)子回路流動(dòng)的功率是由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，所以交流變換器的容量可以是發(fā)電機(jī)容量的一部分，從而大大降低成本。無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)還可實(shí)現(xiàn)有功，無(wú)功的解耦控制。

經(jīng)深入分析，在功率繞組無(wú)功負(fù)載電流通道增加補(bǔ)償環(huán)節(jié)可有效提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。為此，本文提出功率繞組無(wú)功負(fù)載電流前饋補(bǔ)償?shù)膮f(xié)調(diào)控制策略，進(jìn)一步提高控制效果。

pprpLspMpr功率繞組的極對(duì)數(shù)，電阻，自感和功率繞組與轉(zhuǎn)子的互感；

pcrcLscMcr控制繞組的極對(duì)數(shù)，電阻，自感和控制繞組與轉(zhuǎn)子的互感；

UdpUqp功率繞組電壓的dq軸瞬時(shí)分量；

idpiqpidciqc功率繞組和控制繞組電流的dq軸瞬時(shí)分量；

p 微分算子。

1 無(wú)刷雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型

目前相關(guān)文獻(xiàn)中提出的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)模型除了自然坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系和雙同步坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型外，還有另外一種無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)模型，即基于功率繞組同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，以文獻(xiàn)[1]、[2]中的數(shù)學(xué)模型為例，將數(shù)學(xué)模型重寫(xiě)如下：

將ψsp定義在同步速坐標(biāo)系的d軸上，即矢量ψsp保持幅值不變，以同步速旋轉(zhuǎn)，并忽略功率繞組電阻rp，則有：

由式（2）和式（5）可以求出轉(zhuǎn)子磁鏈，將轉(zhuǎn)子磁鏈帶入經(jīng)dq變化的電壓方程中轉(zhuǎn)子電壓式中，由于轉(zhuǎn)子繞組電阻rr很小，可以忽略，可以等到：

上式所展示的關(guān)系即為功率繞組與控制繞組之間等效耦合關(guān)系。控制繞組d軸分量可以對(duì)功率繞組d軸分量進(jìn)行控制，控制繞組q軸分量可以對(duì)功率繞組q軸電流進(jìn)行控制。對(duì)于獨(dú)立運(yùn)行的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)，最主要是控制定子功率繞組電壓矢量的幅值和頻率的恒定。由上式可知功率繞組電壓幅值大小由控制繞組勵(lì)磁電流d軸分量決定。對(duì)控制繞組電流包含的擾動(dòng)項(xiàng)進(jìn)行前饋補(bǔ)償，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。經(jīng)上述推導(dǎo)，得出本文控制系統(tǒng)的控制框圖（圖1）。

圖1 無(wú)刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)控制框圖

2 控制系統(tǒng)仿真研究

為了驗(yàn)證理論分析和研究的可行性，本文設(shè)計(jì)了如圖1的控制系統(tǒng)。根據(jù)圖1所示的矢量控制系統(tǒng)，運(yùn)用Matlab/Simulink建立前饋補(bǔ)償?shù)氖噶靠刂品抡婺Ｐ停M(jìn)行仿真和比較。仿真參數(shù)設(shè)定為：定子側(cè)功率繞組極對(duì)數(shù)Pp=4，電阻rp=2.655?，自感Lsp=0.15576 H，與轉(zhuǎn)子互感Mpr=0.14543 H；控制繞組極對(duì)數(shù)Pc=2，電阻rc=2.638?，自感Lsc=0.1073 H，與轉(zhuǎn)子互感Mcr=0.1066 H；轉(zhuǎn)子側(cè)電阻rr=0.04?，自感Lr=0.2631 H。

圖2 功率繞組電壓

圖3 功率繞組電壓

圖4 功率繞組電流

圖5 功率繞組a相電壓電流

圖6 控制繞組電流

圖2～6所示為獨(dú)立運(yùn)行的無(wú)刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)突加阻性負(fù)載時(shí)的仿真波形。仿真條件為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸在次同步和超同步之間轉(zhuǎn)換，在0.4s時(shí)由同步速過(guò)渡到超同步，初始轉(zhuǎn)速為400r/min，最終轉(zhuǎn)速為600r/min，采用無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行勵(lì)磁控制策略；獨(dú)立運(yùn)行的發(fā)電系統(tǒng)初始所帶星型負(fù)載，每相電阻值為2.27?，在0.6s時(shí)突加負(fù)載，即64kW滿載。圖2為功率繞組三相電壓Upabc，圖3為功率繞組三相電壓比例放大，由兩圖可知無(wú)論空載還是滿載，在穩(wěn)態(tài)時(shí)功率繞組電壓均為311V，功率繞組電壓在突加滿載時(shí)，電壓有跌落，但是在矢量控制的作用下，電壓幅值很快恢復(fù)到311V，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.2s左右。圖4為功率繞組三相電流；圖5為功率繞組a相電壓Upa和a相電流ipa，由于帶阻性負(fù)載二者相位相同。圖6為控制繞組三相電流，由圖可知，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)從次同步向超同步運(yùn)行完成了過(guò)渡。

從上述獨(dú)立運(yùn)行的發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果可以看出，無(wú)論是功率繞組是否負(fù)載以及在轉(zhuǎn)速變換的過(guò)程中，功率繞組電壓始終保持幅值、頻率和相位的不變，從而驗(yàn)證了無(wú)刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)前饋解耦控制策略的有效性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問(wèn)題，結(jié)合當(dāng)前傳統(tǒng)無(wú)刷雙饋電機(jī)矢量控制原理提出了前饋補(bǔ)償?shù)氖噶靠刂撇呗裕瑥姆抡娼Y(jié)果可以看出控制系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)功率繞組電壓在復(fù)雜的運(yùn)行條件下保持穩(wěn)定，能夠滿足獨(dú)立運(yùn)行情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]S.Shao，T. Long. Dynamic Control of the Brushless Doubly Fed Induction Generator Under Unbalanced Operation. IEEE Transaction on Industrial Electronics，vol. 60，no. 6，pp.2465-2476，Jun. 2013.

[2]J. Poza，E. Oyarbide，I. Sarasola，andM.Rodriguez. Unified reference frame model of the brushless doubly fedmachine. Proc. Inst. Elect. Eng., Elect. Power Appl.，vol. 153，no. 5，pp.726-724，Sep. 2006.

[3]胡勝. 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)故障和不平衡條件下控制技術(shù)的研究：[博士學(xué)位論文].武漢：華中科技大學(xué)圖書(shū)館，2012 .

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1671-0711（2017）05（下）-0073-02