段琦瑋，劉 石，龍 騰

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206；2.劍橋大學工程系，劍橋 CB21TN)

0 引言

無刷雙饋電機(brushless doubly fed machine，BDFM)具有兩套獨立、極對數(shù)不相同的定子繞組：功率繞組(power windings，PW)直接與電網(wǎng)連接，控制繞組(control windings，CW)接雙向變流器，既可以作為變頻調(diào)速電動機又可以作為風力發(fā)電機[1-4]。

Poza等首次提出了基于功率繞組磁鏈定向的矢量控制策略，但是需要采用電機的電阻參數(shù)來計算磁鏈位置角[5-10]。Kostyantyn等人簡化了控制系統(tǒng)，但是需依賴電機參數(shù)進行準確計算。Farhad提出了電壓定向的矢量控制策略，實現(xiàn)了無刷雙饋發(fā)電機(brushless doubly-fed generator,BDFM)的轉速控制，但缺少無功功率的控制同時存在交叉耦合。

本文通過對BDFM的統(tǒng)一矢量模型的研究，提出了一種不依賴電機參數(shù)的矢量控制策略。該控制策略首次提出了通過控制控制繞組的d軸和q軸電壓分量來分別控制無刷雙饋發(fā)電機的有功功率和無功功率。

1 統(tǒng)一矢量模型方程

BDFM功率繞組電壓定向的統(tǒng)一矢量模型的電壓、磁鏈、轉矩方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

根據(jù)定子電壓定向坐標系的原理可知：

(5)

(6)

由BDFM的磁鏈方程(2)得到的電流矢量表達式如下:

(7)

根據(jù)式(2)、式(6)和式(7)，得:

(8)

2 功率控制器設計

2.1 功率控制原理

BDFG的功率表達式如下式所示：

(9)

將式(5)代入式(9),得式(10)：

(10)

由式(10)可知，BDFG的有功功率和無功功率可由功率繞組的d軸和q軸電流分別來控制。

2.2 控制繞組電流矢量表達式

由式(5)、式(7)和式(8)可得：

(11)

由式(11)可得：

(12)

2.3 控制繞組電壓矢量表達式

2.4 功率控制系統(tǒng)

由式(10)、式(12)可得：

(13)

圖1 矢量功率控制系統(tǒng)圖Fig.1 Power windings voltage directional vector control system

3 試驗研究

3.1 轉速變化試驗

當有功功率給定值為-6 kW、無功功率給定值為0、給定轉矩為120 N·m時，轉速給定值在720 r/min(超同步運行)和480 r/min(亞同步運行)變化時的試驗波形如圖2所示。

圖2 轉速變化時的試驗波形Fig.2 Experimental waves of the speed variation

3.2 功率變化試驗

電機拖動轉速為超同步速為650 r/min、給定轉矩為150 N.m時，有功功率和無功功率階躍變化時的試驗波形如圖3所示。有功功率參考值設定:1.5～1.8 s為-8 000 W，1.8～2.5 s為-2 000 W，2.5～4.5 s為-8 000 W。無功功率參考值設定:1.5～3 s為-2 000 var，3～4 s為500 var，4～4.5s為2 000 var。

如圖3(b)和圖3(d)所示，控制策略可以控制有功功率和無功功率快速跟隨給定值的變化，同時可以控制功率繞組吸收或輸出無功功率。由此可以看出，有功功率控制環(huán)和無功功率控制環(huán)之間的交叉耦合影響由于加入了補償模塊而減小，但并未完全消除。其原因是統(tǒng)一矢量模型沒有考慮電機鐵芯飽和，并且忽略了兩定子之間實際會存在的直接耦合作用。為了使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定，試驗中的補償系數(shù)取值較小。

圖3 功率變化時的試驗波形Fig.3 Experimental waves of the power variation

4 結束語

本文在無刷雙饋發(fā)電機的統(tǒng)一矢量模型的基礎上,提出了具有有功功率控制環(huán)和無功功率控制環(huán)的、不依賴電機參數(shù)的矢量控制系統(tǒng)，并給出了詳細的理論推導?？刂撇呗栽跓o刷雙饋發(fā)電試驗平臺上進行了試驗研究。試驗結果表明了所提出的功率控制策略在不需要電機參數(shù)的前提下,依然可以達到良好的控制效果和解耦效果。

參考文獻:

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[9] 段琦瑋，劉石，龍騰.統(tǒng)一矢量模型的無刷雙饋電機的轉速控制[J].自動化儀表,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.