基于模糊PI調節的BDFG獨立電源系統矢量控制的研究

姜忠山，王賽，史曉陽

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

基于模糊PI調節的BDFG獨立電源系統矢量控制的研究

姜忠山1，王賽1，史曉陽2

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

在雙同步速MT坐標系模型[1]的基礎上，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的矢量控制策略，系統可以根據獨立運行所帶負載特性的變化調整勵磁電流，實現獨立電源系統的變速恒頻恒壓發電，并間接地實現對功率因數的調節；鑒于BDFG模型復雜，動態響應特性和魯棒性差的特點，通過引入模糊PI調節器，改善了系統的特性；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 矢量控制 模糊PI

0 引言

先進設備不斷發展對類似航空、船舶等獨立電源系統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，能夠運行于亞同步速、同步速、超同步速上實現變速恒頻發電等諸多優勢[2]。而目前針對BDFG控制策略的研究現多集中在風力、水力發電等領域[3-4]，并網型BDFG電源系統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]或者直接轉矩控制[6-7]；而獨立電源系統與前者相比不同的是，其輸出無須與電網同步，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，能夠根據負載特性的變化，對控制繞組定子側電壓進行解耦，并且可以間接實現對電源系統的功率因數進行調節；BDFG由于結構復雜性和強耦合性，獨立運行時轉速與負載突變時對系統沖擊較大，采用模糊PI控制提高

了系統的動態響應和魯棒性[8]。

1 基于定子磁鏈定向的矢量控制策略

采用發電機慣例，控制繞組側采用電動機慣例，則BDFG在雙同步速MT坐標系中數學模型為：

在式中，下標p、c、r分別表示功率繞組、控制繞組、轉子參數；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速，ωr為轉子機械轉速，pp、pc為功率繞組端和控制繞組端的極對數；p表示微分算子。

其電磁轉矩的表達式：

矢量控制是一種現代電機控制技術，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較為理想的控制方法。

獨立電源系統定子端無須與電網同步，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

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

從式(8)中我們可以看出，經過上述的解耦計算，得到了控制繞組輸入電壓的給定值，從而實現了控制繞組側輸入電流的解耦控制并且可以根據系統所帶負載的情況間接地調節系統的功率因數。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控制器的設計

BDFG由于其模型的復雜性和強耦合性等特點，其PI電流調節器中參數對整個電機的參數依賴性強。模糊PI控制器有參數自整定功能，能夠智能調節PI的參數，減小對電機參數的依賴，既有模糊控制器的魯棒性強、動態響應好、上升時間快、超調量小的特點，又具有PI控制器的良好的動態跟蹤品質和穩態精度。

以電流誤差e和誤差變化ec為輸入，PI參數的調整值△kp、△ki為輸出。經過多次仿真分析，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，隸屬函數的選擇如圖2。

3 系統仿真及結果分析

在Matlab/Simulink環境下進行BDFG獨立電源系統矢量控制的動態仿真。給出BDFG參數如下：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，過程中的仿真參數如下：在0～1 s時刻，發動機轉速在亞同步速600 r/min，接入負載阻抗為Zl=500Ω純阻性負載；在1 s時轉速增加至同步速750r/min；2 s時再次增加轉速至超同步速800 r/min；3 s時突加感性負載，負載阻抗為ZL=600∠33.75°Ω，轉速保持不變。

仿真結果如圖所示。

圖3分別為功率繞組與控制繞組雙同步速MT軸電流的PI調節情況，可以看出模糊PI調節可以加快系統動態響應并且可以提高系統的魯棒性，另外可以看出通過對功率繞組電流的控制，可以據負載的變化間接調整系統輸出電能的功率因數。

圖4-6為用模糊PI調節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BDFG獨立運行的變速恒壓恒頻發電；從圖6中可以看出通過調節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節控制繞組輸入電流的頻率來實現的，期間當運行于同步速時，控制繞組輸入電流的頻率為0。

4 結論

本文研究了基于模糊PI調節的BDFG獨立電源系統的矢量控制策略。在BDFG雙同步速MT坐標系數學模型的基礎上，提出了BDFG獨立電源系統的矢量解耦控制策略，通過對控制繞組輸入電壓的解耦，可以實現系統的變速恒壓恒頻發電，并且可以根據系統所帶負載間接調節功率因數；在BDFG獨立電源系統動態響應特性和魯棒性差的情況下，采用模糊PI調節對系統控制加以改進；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.級聯式無刷雙饋電機的建模與仿真[J]. 中國電機工程學報，2001，21(12)：34-37.

[2] 焦衛星，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力發電系統的最大風能追蹤控制[J]. 電網技術，2007，31(3)：82-87.

[4] 林成武，王鳳翔，姚興佳. 變速恒頻雙饋風力發電機勵磁控制技術研究[J]. 中國電機工程學報，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：湖南大學博士論文，2005，(2)17-35.

[6] 金石. 變速恒頻無刷雙饋風力發電機的直接轉矩控制技術研究[D]. 沈陽工業大學博士論文，2011：75-88.

[7] 宋穎慧. 無刷雙饋電機的直接轉矩控制仿真[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：現代電力傳動技術。