船用軸帶無刷雙饋發電機標量控制研究

葛啟楨，黎 波，殷進軍

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船用軸帶無刷雙饋發電機標量控制研究

葛啟楨，黎 波，殷進軍

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

為了驗證在船用軸帶發電系統中使用標量控制進行無刷雙饋發電系統控制的可行性。首先利用閉環標量控制策略的對無刷雙饋電機的發電狀態進行仿真分析。然后對一臺64 kW無刷雙饋電機進行獨立發電試驗并根據實驗結果，在普通標量控制的基礎上應用一種基于自適應PI的控制策略，通過檢測無刷雙饋電機的實時工作狀態，選取合適的PI參數進行控制。實驗結果表明，電機可以在特定船舶軸速范圍內空載或帶載保持發電穩定。

無刷雙饋電機 標量控制 船用軸帶發電

0 引言

因為除去電刷環節，無刷雙饋電機不需要使用與電機容量相匹配的大功率變流器，其發電系統的使用及維護成本大幅降低。但是需要利用復雜的算法來控制無刷雙饋電機的運行。目前主要的控制方法有標量控制[2-3]，直接轉矩控制[2,4-5]，矢量解耦控制等。對于基于標量控制的無刷雙饋單機發電方式，文獻[1]驗證了其可行性和缺陷。

本文針對在船用軸帶發電環境下的無刷雙饋電機的標量控制策略進行實驗，在文獻[1]的基礎上提出一種基于自適應PI的標量控制策略。

1 無刷雙饋電機單機發電原理

1.1 BDFM單機發電運行原理

無刷雙饋電機工作在發電工況時，原動機拖動轉子以轉速n旋轉，在p極控制繞組中通入頻率為f的三相對稱交流勵磁電流，在轉子繞組中會產生相應感應電流。P極轉子磁場在定子P對極繞組中產生感應電勢，該感應電勢產生定子功率繞組電流也會在轉子中產生感應電流。由于控制繞組和功率繞組在轉子上產生的感應電流共享同一個轉子回路。所以二者產生的感應電流相等。于是可得到控制繞組電流頻率f和功率繞組電流頻率f的換算關系：

由公式(1)，對于變化的轉子速n，只需要根據控制策略調整控制繞組的頻率f即可使功率繞組的輸出電流頻率f保持恒定。

功率繞組電壓調節規律可以從無刷雙饋電機折算后等效電路圖分析得出。

當閉環控制系統檢測到功率繞組發電電壓低于設定值時，可以提高控制繞組給定電流，反之亦然。從圖1中可以看出，當控制繞組電流I變大時，控制繞組與轉子磁鏈產生感應電動勢增大，在其他情況不變時轉子回路電流I增大，由于激磁電流一般不超過10%，可以認為I和I不變，這樣功率繞組側電流I會跟著增大，提高功率繞組側輸出電壓[1]。

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1.2 BDFM單機發電數學模型

在本文的仿真及實驗過程中使用的控制繞組控制器均為電壓源型變頻器。假設無刷雙饋發電機的等效異步電機為理想電機，則在靜態坐標系下，無刷雙饋發電機的數學模型如式(2)所示[1]：

如果將無刷雙饋發電機模型由靜止坐標系變換到轉子速dq0坐標系，則數學模型變為式(3)[1]：

在仿真條件或者實驗條件下，可以分別假定某些量為已知，從而適當簡化該發電機模型。

2 無刷雙饋發電機單機發電控制策略

在獨立發電工況下，針對無刷雙饋電機的控制對象主要是功率繞組的輸出電壓和頻率，控制目的是保持這兩個輸出量的恒值穩定。

在發電工況下，電機由原動機拖動，于是發電系統轉子速可測。根據上面所述的無刷雙饋電機運行規律，通過改變控制繞組激勵的幅值以及頻率可實現對功率繞組發電電壓幅值、頻率的控制。下面分析單機發電運行標量控制策略。

2.1 BDFM單機發電運行標量控制

無刷雙饋發電機標量控制算法是基于上面所述的原理，當給定轉速恒定時，檢測到的功率繞組電流頻率或幅值增加或者降低，則相應降低或者增加給定的控制繞組電流頻率或幅值。于是可以采用如圖2所示的功率繞組電壓和電流雙閉環調節，電壓環在外電流環在內，保證了系統的快速性和穩定性。同時為了保證功率繞組輸出頻率恒定，加上頻率閉環。控制系統原理圖如圖2。

2.2 BDFM發電標量控制仿真分析

根據轉子速dq軸模型和電壓源模型，輸入量為功率繞組端發電給定頻率f和電壓矢量值U、轉速和負載阻抗大小。實驗仿真所采用的無刷雙饋電機的各參數如下：

功率：64 kW；電壓：380V；轉速：300~700 rpm；=4；=2；=0.03；r=0.075；r=0.11；r=0.931；=0.04205；=0.16188；=1.0775；=0.11745；=0.33585。

2.2.1 無刷雙饋發電機空載建壓過程

轉速為300 rpm時，采用雙閉環控制系統，獲得的仿真曲線如圖3~5所示。

2.2.2 突加負載擾動的仿真

轉速為300 rpm，負載為阻感性負載，功率因數為0.8。仿真時間10 s時由空載突加到半載，15 s時由半載突加滿載的仿真曲線如圖5~7。

圖3 空載建壓過程輸出電壓矢量值的仿真曲線

圖4 空載建壓過程輸出三相相電壓的仿真曲線

圖5 突加負載時輸出電壓矢量值的仿真曲線

圖6 突加負載時輸出三相相電壓的仿真曲線

圖7 突加負載時輸出三相電流的仿真曲線

2.2.3 轉速上升變化擾動的仿真

在仿真時間為6 s時，轉速由300 rpm變化到450 rpm，獲得的輸出電壓仿真曲線如圖8~10。

圖8 轉速變化擾動對輸出電壓的影響

圖9 轉速變化時輸出電壓三相相電壓的仿真曲線

圖10 轉速變化時控制側定子繞組電流的仿真曲線

根據標量控制仿真圖形分析，可以發現，在啟動過程中，系統輸出電壓波動不大，并且可以很快恢復，但是當負載突變或者轉速突然發生劇烈變化時，輸出電壓的幅值波動將超過20%的限定要求，如果處于船用軸帶發電狀態，則會對船舶電網造成很大影響。

3 無刷雙饋發電機單機發電實驗

無刷雙饋電機單機發電實驗使用的是由長航電機廠生產的64 kW無刷雙饋電機搭建的無刷雙饋電機實驗平臺。電機參數為：功率繞組極對數為4，控制繞組極對數為2，同步轉速＝500 r/min。由于是做獨立交流電源使用，這里未提供額外三相交流電源。無刷雙饋單機發電的自勵過程，由變頻器直流母線端給功率繞組側加壓到正常逆變需要的560 V左右的電壓，在任意轉速下建壓起動。

圖11空載時，轉速n=300，6 s時突變轉速至450轉

另外由于沒有采用能量回饋單元，所以整套實驗平臺沒有進行超同步實驗，但是因為超同步和次同步的發電狀態區別僅在于相位相反，所以僅進行從起動工況至次同步發電工況最后到同步速工況的實驗。

由于無刷雙饋電機的工作點會隨著轉速發生變化，導致在閉環系統中固定的PI參數無法滿足在不同轉速點的電機工況。于是采用一種自適應PI的方式，建立離線專家知識庫，根據不同的工況由控制程序選取合適的PI參數來進行控制。

實驗如下，圖中三個曲線CH A1 A2 A3由上至下分別是功率繞組電壓，功率繞組電流，控制繞組電流，下圖表示特定時間段的放大曲線：

可以發現空載時諧波含量大，如小圖所示，在轉速突變時功率繞組輸出基本無變化，僅諧波幅值變大。而加很小的輕載以后諧波有很大改善。

加載卸載實驗采用逐步加載至負載滿載，然后突卸至空載的方式進行無刷雙饋電機實驗平臺的驗證，實驗步驟如下：

按照以下步驟加載1.5 kW—4.5 kW—10.5 kW—25.5 kW—46.5 kW，然后突然切換至空載，當轉速分別為330轉、410轉、490轉時，測試波形如圖13。

圖13 轉速分別為330轉，410轉，490轉時的測試波形

觀察以上圖形，可以發現實驗結果符合無刷雙饋電機的原理。隨著轉速逐漸接近同步速500轉時，控制繞組電流基本為零，功率繞組電流隨著負載功率增加而增加。同時根據以上選取的幾個轉速節點分析可以發現，在次同步轉速點至接近同步轉速點附近，整個系統在加載卸載過程中的電壓都能基本穩定輸出，不會出現長時間過大的欠壓或者過壓。如果在功率繞組輸出端加入濾波環節，那么可以有效濾除諧波，使得輸出波形可以變得更平滑。

4 總結

實驗結果表明，通過采用一種基于自適應PI的標量控制方法時，無刷雙饋發電機的穩態性能指標能夠達到船用電的使用要求。驗證了使用標量控制策略來進行船用無刷雙饋電機控制的可行性。但是，在實驗過程中，如果發生突加60%以上負載或者存在300以上的轉速突變，則容易發生因過壓而引發的系統崩潰。在環境更為復雜的條件下，則需要考慮采用更為復雜的控制算法。

綜合分析可得知，在船用軸帶發電這種動態性能要求不高的場合，采用無刷雙饋發電機的標量控制是一種經濟且容易實現的方式。

[1] 吳濤．變速恒頻無刷雙饋發電系統獨立運行控制研究[D]．華中科技大學博士論文, 2009．

[2] 劉航航, 韓力．無刷雙饋電機控制策略發展綜述[J]．微特電機．2010(6)：69-73．

[3] Sarasola I, Poza J, Oyarbide E, et a1．Stability analysis of a brushless doubly fed machine under closed loop scalar current control[C]//IECON 2006-32nd Annual Conference on the IEEE Industrial Electronics. Paris, France: IEEE Industrial Electronics, 2006: 1527-1532．

[4] Brassfield W R, Spée R, Habetler T G. Direct torque control for brushless doubly fed machines[C]// Conference Record of the IEEE Industry Application Society Annual Meeting. Houston, TX, USA: IEEE, 1992, (1): 6l5—622.

[5] 楊俊華, 呂惠子, 吳捷, 楊金明. 基于波波夫超穩定性的無刷雙饋電機直接轉矩控制[J]．中國電機工程學報, 2009, 29(15)：107-113.

Marine Shaft Brushless Doubly-fed Generator Based on Scalar Control Theory

Ge Qizhen, Li Bo, Yin Jingjun

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064, China)

TM31

A

1003-4862（2015）02-0059-04

2014-10-08

葛啟楨（1990-），男，碩士研究生。研究方向：無刷雙饋電機控制策略。