基于前饋補償的無刷雙饋發電機解耦控制研究

張鶴鳴，韋忠朝

（1.華中科技大學強電磁工程與新技術實驗室；2.中歐清潔與可再生能源學院，湖北 武漢 430074）

基于前饋補償的無刷雙饋發電機解耦控制研究

張鶴鳴，韋忠朝

（1.華中科技大學強電磁工程與新技術實驗室；2.中歐清潔與可再生能源學院，湖北 武漢 430074）

無刷雙饋電機具有能夠實現變速恒頻的操作，有功功率和無功功率的解耦控制，以及其取消了電刷滑環結構等諸多優點，該類型電機在風能和水電發電等場合具有極好的應用前景。依據BDFM的數學模型，提出獨立發電條件下的控制策略，利用前饋補償解耦來提高了控制系統的動態響應特性。在simulink環境下搭建仿真模型驗證控制策略可行性。

無刷雙饋電機；變速恒頻；前饋補償

無刷雙饋發電機定子有兩套繞組，其中一套是功率繞組，用來發電；另外一套為定子控制繞組，用于交流勵磁?？刂评@組接變頻器，通過交流器給電機勵磁，電機省去了電刷滑環結構。在風能和水能發電場合中，為了實現獲得最大能量，無刷雙饋發電機可以在較大的范圍內隨著風速或水速的變化而變化，由于這種變速恒頻控制可以通過對轉子繞組進行控制實現的，轉子回路流動的功率是由發電機轉速運行范圍所決定的轉差功率，所以交流變換器的容量可以是發電機容量的一部分，從而大大降低成本。無刷雙饋發電機還可實現有功，無功的解耦控制。

經深入分析，在功率繞組無功負載電流通道增加補償環節可有效提高系統的動態響應特性。為此，本文提出功率繞組無功負載電流前饋補償的協調控制策略，進一步提高控制效果。

pprpLspMpr功率繞組的極對數，電阻，自感和功率繞組與轉子的互感；

pcrcLscMcr控制繞組的極對數，電阻，自感和控制繞組與轉子的互感；

UdpUqp功率繞組電壓的dq軸瞬時分量；

idpiqpidciqc功率繞組和控制繞組電流的dq軸瞬時分量；

p 微分算子。

1 無刷雙饋電機數學模型

目前相關文獻中提出的無刷雙饋發電機模型除了自然坐標系，轉子坐標系和雙同步坐標系數學模型外，還有另外一種無刷雙饋發電機模型，即基于功率繞組同步旋轉坐標系下的無刷雙饋發電機數學模型，以文獻[1]、[2]中的數學模型為例，將數學模型重寫如下：

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

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

上式所展示的關系即為功率繞組與控制繞組之間等效耦合關系?？刂评@組d軸分量可以對功率繞組d軸分量進行控制，控制繞組q軸分量可以對功率繞組q軸電流進行控制。對于獨立運行的無刷雙饋發電機，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磁電流d軸分量決定。對控制繞組電流包含的擾動項進行前饋補償，提高系統動態響應特性。經上述推導，得出本文控制系統的控制框圖（圖1）。

圖1 無刷雙饋發電系統控制框圖

2 控制系統仿真研究

為了驗證理論分析和研究的可行性，本文設計了如圖1的控制系統。根據圖1所示的矢量控制系統，運用Matlab/Simulink建立前饋補償的矢量控制仿真模型，進行仿真和比較。仿真參數設定為：定子側功率繞組極對數Pp=4，電阻rp=2.655?，自感Lsp=0.15576 H，與轉子互感Mpr=0.14543 H；控制繞組極對數Pc=2，電阻rc=2.638?，自感Lsc=0.1073 H，與轉子互感Mcr=0.1066 H；轉子側電阻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所示為獨立運行的無刷雙饋發電系統突加阻性負載時的仿真波形。仿真條件為轉子轉軸在次同步和超同步之間轉換，在0.4s時由同步速過渡到超同步，初始轉速為400r/min，最終轉速為600r/min，采用無刷雙饋發電機獨立運行勵磁控制策略；獨立運行的發電系統初始所帶星型負載，每相電阻值為2.27?，在0.6s時突加負載，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，由兩圖可知無論空載還是滿載，在穩態時功率繞組電壓均為311V，功率繞組電壓在突加滿載時，電壓有跌落，但是在矢量控制的作用下，電壓幅值很快恢復到311V，調節時間為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，由于帶阻性負載二者相位相同。圖6為控制繞組三相電流，由圖可知，無刷雙饋發電機從次同步向超同步運行完成了過渡。

從上述獨立運行的發電系統仿真結果可以看出，無論是功率繞組是否負載以及在轉速變換的過程中，功率繞組電壓始終保持幅值、頻率和相位的不變，從而驗證了無刷雙饋發電系統前饋解耦控制策略的有效性。

3 結語

本文針對無刷雙饋電機控制動態響應慢的問題，結合當前傳統無刷雙饋電機矢量控制原理提出了前饋補償的矢量控制策略，從仿真結果可以看出控制系統具有較好的動態特性，同時功率繞組電壓在復雜的運行條件下保持穩定，能夠滿足獨立運行情況。

參考文獻：

[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. 雙饋型風力發電機在電網故障和不平衡條件下控制技術的研究：[博士學位論文].武漢：華中科技大學圖書館，2012 .

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1671-0711（2017）05（下）-0073-02