CN102738812B - 间接转矩控制笼型转子无刷双馈电机无功功率控制方法 - Google Patents

Abstract

一种间接转矩控制笼型转子无刷双馈电机无功功率控制方法，包括笼型转子无刷双馈电机无功功率、转速和转矩的控制方法，尤其是无功功率与控制绕组磁链之间的解析关系以及在笼型转子无刷双馈电机间接转矩控制***基础上构建的无功控制结构。本发明解决了无刷双馈电机间接转矩控制中无功功率的控制问题。本控制***只需要两个定子绕组的电阻，所需电机参数少；无需旋转坐标变换；具有转矩内环，可以实现电流限幅；在αβ静止坐标系下实现了笼型转子无刷双馈电机无功功率、电磁转矩和磁链的控制，控制方法简单，效果明显。

Description

间接转矩控制笼型转子无刷双馈电机无功功率控制方法

技术领域

本发明与笼型转子无刷双馈电机的无功功率控制方法有关，更详细地说是一种基于间接转矩控制的笼型转子无刷双馈电机的无功功率控制方法。

背景技术

笼型转子无刷双馈电机是近年来广受瞩目的一种新型电机，其结构是定子上有两套相互独立的不同极数的三相对称绕组，即功率绕组和控制绕组，分别由电网和变频器供电，两套定子绕组共用一个铁心，这两套绕组没有直接的电磁耦合，而是通过转子绕组的调制作用间接地进行电磁功率的传递；转子采用特殊的笼型结构。该电机特别适合应用于大型交流调速传动***以及变速恒频风力发电领域，具有无刷、所需变频器容量小、功率因数可调、运行可靠及少维护的优点。随着笼型转子无刷双馈电机结构上许多问题的解决，人们的研究重点转移到了控制策略方面。现有文献中矢量控制、直接转矩控制等方法在无刷双馈电机控制中都已得到应用，其中矢量控制有两种***结构，都实现了无功的控制，但均需要进行旋转坐标变换，使***结构复杂；此外，其中的一种（见文献Shao shiyi, Abdi　Ehsan，Barati　Farhad，McMahon　Richard．Stator-Flux-Oriented vector control for brushless doubly fed induction generator[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009， 56(10)：4220-4228．）由于没有电流内环，因而缺少限流措施，动态性能也受到影响，另外一种（见文献J.Poza, E. Oyarbide, I. Sarasola, M. Rodriguez, “Vector control design and experimental evaluation for the brushless doubly fed machine,”IET Electric Power Applications, vol. 3, no. 4, pp.247-256, 2009.）虽然有电流内环，但是用到了太多的电机参数，使***的鲁棒性降低。

直接转矩控制在静止坐标系下就可以实现转矩的直接控制，避免了旋转变换，***结构简洁明了。但是由于在一个采样周期内只用一个电压空间矢量，致使低频运行时转矩脉动较大、控制绕组电流谐波也较大，而且也没有实现无功的控制。

笼型转子无刷双馈电机的间接转矩控制方法无需旋转坐标变换、***结构简单，并且具有转矩内环，实现了限流功能，且用到的电机参数仅仅为两个定子绕组的电阻，申请人已申请的公开号为 102195547A的“一种用于笼型转子无刷双馈电机的间接转矩控制方法”的专利实现了转速和转矩的控制，但是不能实现无功功率的控制。

发明内容

问题的提出：针对笼型转子无刷双馈电机间接转矩控制***中无功功率不可控的问题；本发明提供一种间接转矩控制笼型转子无刷双馈电机无功功率控制方法。

为了解决上述笼型转子无刷双馈电机间接转矩控制***存在的无功功率不可控的问题，本发明在笼型转子无刷双馈电机间接转矩控制***的基础上，构建了间接转矩控制笼型转子无刷双馈电机无功功率控制方法，包括转速和转矩的控制的方法；该方法是按下列步骤进行的：

首先建立无功功率和控制绕组磁链关系式（7）如下：

（7）

式（7）中：Q为无功功率，ω _c =2πf _c 为控制绕组频率；L _hp =N _r *M _spr /2，L _hc =N _r *M _scr /2，N _r 为笼型转子嵌套单元数， M _spr 为功率绕组与转子绕组每一个单元的互感幅值， M _scr 为控制绕组与转子绕组每一个单元互感幅值；L _p 、 L _c 和L _r 分别为功率绕组自感、控制绕组自感和转子绕组自感；为控制绕组磁链矢量；是功率绕组电压矢量；θ _up -θ _ψc 为功率绕组电压矢量与控制绕组磁链矢量的相角差；

其次是构建间接转矩控制笼型转子无刷双馈电机无功功率控制***，实现无功功率的控制方法。

在上述技术方案中，进一步的技术特征在于：

所述（7）式中的功率绕组电压矢量、电机参数L _hp 、L _hc 、L _p 、L _c 和L _r 是常数，通过控制绕组的磁链矢量控制无功功率Q 。

所述构建间接转矩控制笼型转子无刷双馈电机无功功率控制***是将无功功率的给定值Q ^* 与计算值Q经过无功PI调节器（19）输出控制绕组磁链幅值的给定值；再将控制绕组磁链幅值给定和计算值经磁链PI调节器（12）输出控制绕组磁链幅值增量k _s 。

所述无功功率控制方法按下列步骤进行：

（1）导出无功功率和控制绕组磁链的关系式如下：

（7）

式（7）中：Q为无功功率，ω _c =2πf _c 为控制绕组频率；L _hp =N _r *M _spr /2，L _hc =N _r *M _scr /2，N _r 为笼型转子嵌套单元数， M _spr 为功率绕组与转子绕组每一个单元的互感幅值， M _scr 为控制绕组与转子绕组每一个单元互感幅值；L _p 、 L _c 和L _r 分别为功率绕组自感、控制绕组自感和转子绕组自感；为控制绕组磁链矢量；是功率绕组电压矢量；θ _up -θ _ψc 为功率绕组电压矢量与控制绕组磁链矢量的相角差；

（2）根据上述步骤（1）中的式（7）， 功率绕组电压矢量、电机参数L _hp 、L _hc 、L _p 、L _c 和L _r 是常数，从式（7）中得到通过控制控制绕组的磁链矢量来控制无功功率Q；

（3）根据上述步骤（2）中的控制绕组的磁链矢量和无功功率Q之间的关系，利用无功功率给定值Q ^* 与计算值Q经过无功PI调节器（19）输出控制绕组磁链幅值的给定值；

（4）基于上述步骤（1）到（3）构建的间接转矩控制的笼型转子无刷双馈电机无功功率控制***，实现该控制方法的过程如下：

1）在三相静止坐标系下分别观测控制绕组、功率绕组电压、电流的A相和B相分量u _ac 、u _bc 、u _ap 、u _bp 、i _ac 、i _bc 、i _ap 和i _bp；对上述物理量通过3/2变换器（16）进行坐标变换，得到控制绕组和功率绕组各自αβ静止坐标系下的电压和电流u _αc 、u _βc 、u _αp 、u _βp 、i _αc 、i _βc 、i _αp 和i _βp ；

2）利用i _αp 、i _βp 、u _αp 、u _βp 通过无功功率计算（18）计算无功功率计算值Q；

3）利用u _αc 、u _βc 、u _αp 、u _βp 、i _αc 、i _βc 、i _αp 和i _βp 通过电磁转矩及功率绕组、控制绕组磁链计算（15）计算控制绕组磁链分量ψ _αc 、ψ _βc 和功率绕组磁链分量ψ _αp 、ψ _βp ，根据ψ _αc 和ψ _βc 计算控制绕组磁链幅值；

4）通过电磁转矩及功率绕组、控制绕组磁链计算（15）分别在控制绕组和功率绕组各自的静止坐标系下计算电磁转矩，二者之和是总电磁转矩；

5）通过控制绕组磁链静态角计算（9）得到静态角ΔXst，通过转矩PI调节器（8）得到磁链动态角ΔX_d，二者之和即下一个采样周期Tpwm内的控制绕组磁链变化角ΔX；

6）利用无功功率的给定值Q ^* 与计算值Q经过无功PI调节器（19）输出控制绕组磁链幅值的给定值；

7）利用控制绕组磁链幅值给定和计算值经磁链PI调节器（12）输出k _s ；利用控制绕组磁链ψ _αc 、ψ _βc 及k _s 和控制绕组磁链变化角ΔX通过控制绕组磁链增量Δψ _s 计算（13）算出控制绕组磁链增量Δψ _αc 、Δψ _βc ；

8）利用控制绕组磁链增量Δψ _αc 、Δψ _βc ，通过控制绕组电压u _αc 、u _βc 计算（14），计算出下一个周期T _pwm 内所需的电压矢量u _αc 、u _βc ；

9）SVPWM发生器（4）根据u _αc 和u _βc 生成调制信号，并通过逆变器（3）控制无刷双馈电机（17）的控制绕组。

一种间接转矩控制笼型转子无刷双馈电机无功功率控制方法，与现有技术相比，首次推导出笼型转子无刷双馈电机无功功率与控制绕组磁链之间的关系，构建了无功控制器，在笼型转子无刷双馈电机间接转矩控制***中实现了无功功率的控制。控制无功功率可以提高电机的功率因数，从而减小因无功流动而带来的电能损耗。此外无功功率可控对于无刷双馈电机的发电运行状态是必须具备的基本功能，无功的控制可以稳定电网电压、提高电网质量从而带来较大的经济效益。

本发明方法不仅可以对转速和转矩进行控制，而且实现了无功功率的控制；不仅可以应用于笼型转子无刷双馈电机的电动运行状态，而且可以应用于发电运行状态。

附图说明

图1 是本发明方法所基于的***结构示意图。

图2至图7是本发明为给定转速855r/min，给定无功功率Q ^*=0var的条件下调节负载的实验结果，电机空载运行状态下突加负载，然后又突减负载至空载。图 2、3、4、5、6、7分别为功率绕组无功功率、功率绕组功率因数、功率绕组电压电流、转速、转矩、控制绕组磁链波形。

图中：1：二极管整流器；2：滤波电容；3：逆变器；4：SVPWM发生器；5：比较器；6：速度PI调节器；7：比较器；8：转矩PI调节器；9：控制绕组磁链静态角计算；10：加法器；11：比较器；12：磁链PI调节器；13：控制绕组磁链增量Δψs计算；14：控制绕组电压uαc、uβc计算；15：电磁转矩及功率绕组、控制绕组磁链计算；16：3/2变换器；17：无刷双馈电机；18：无功功率计算；19：无功PI调节器；20：比较器。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明：

如图1，实施本发明所述的间接转矩控制笼型转子无刷双馈电机无功功率控制方法，其实现该方法的装置是由二极管整流器1，滤波电容2，逆变器3，SVPWM发生器4，比较器5，速度PI调节器6，比较器7，转矩PI调节器8，控制绕组磁链静态角计算9，加法器10，比较器11，磁链PI调节器12，控制绕组磁链增量Δψ _s 计算13，控制绕组电压u _αc 、u _βc 计算14，电磁转矩及功率绕组、控制绕组磁链计算15，3/2变换器16，无刷双馈电机17，无功功率计算18，无功PI调节器19，比较器20构成； SVPWM发生器4的六个输出端连接逆变器3的控制端，速度PI调节器6的输出T _e ^*与电磁转矩及功率绕组、控制绕组磁链计算15的输出T _e 经比较器7与转矩PI调节器8输入端相连，8的输出端连在加法器10的一个正向输入端，加法器10的另一个正向输入端是控制绕组磁链静态角计算9的输出，加法器10的输出端是控制绕组磁链增量Δψ _s 计算13的一个输入，13的另外3个输入分别是电磁转矩及功率、控制绕组磁链计算15的输出ψ _αc 、ψ _βc 和磁链PI调节器12的输出k _s ，12的输入是控制绕组磁链给定和由电磁转矩及功率绕组、控制绕组磁链计算15的输出经比较器11后的值，18的输入是i _αp 、i _βp 、u _αp 、u _βp ，18的输出无功Q是加法器20的一个输入，20的另一个输入是给定无功Q ^* ，20的输出是无功PI调节器19的输入，19的输出是控制绕组磁链给定，即12的输入。控制绕组磁链增量Δψ _s 计算13的输出与控制绕组电压u _αc 、u _βc 计算14的输入相连，14的输出与SVPWM发生器4的输入相连，3/2变换器16的信号输出端与电磁转矩及功率绕组、控制绕组磁链计算15的输入端相连，逆变器3与无刷双馈电机17的控制绕组相连，通过码盘检测的无刷双馈电机17的转速与速度给定ω ^* 经比较器5后与速度PI调节器6输入相连。

实施本发明一种间接转矩控制笼型转子无刷双馈电机无功功率控制方法，包括转速和转矩的控制方法；其所述控制方法是按下列步骤进行：

步骤一、推导无功功率和控制绕组磁链的关系，过程如下：

无功功率表达式如式（1）：

（1）

式（1）中是功率绕组电流矢量的共轭、为功率绕组电压矢量。

根据无刷双馈电机控制绕组静止坐标系的磁链方程，可以得到：

（2）

式（2）中L _hp =N _r *M _spr /2，L _hc =N _r *M _scr /2，N _r 为笼型转子嵌套单元数， M _spr 为功率绕组与转子绕组每一个单元的互感幅值， M _scr 为控制绕组与转子绕组每一个单元的互感幅值；L _p 、 L _c 和L _r 分别为功率绕组自感、控制绕组自感和转子绕组自感；为控制绕组的磁链矢量；、分别是转子电流、控制绕组电流矢量。

将（2）代入无刷双馈电机控制绕组静止模型的转子电压方程得：

（3）

式（3）中，p _p 是功率绕组极对数，ω _r 是转子角速度，R _r 是转子一相电阻。

由于(d/dt－jp _p ω _r )在动态和稳态中都很大，则：

（4）

整理后得到电流矢量在控制绕组静止坐标系上的表达式为：

（5）

式（1）中磁链矢量 在控制绕组静止坐标系中的表达式为：

（6）

将（5）、（6）代入（1）得：

（7）

式（7）中：θ _up -θ _ψc 为功率绕组电压与控制绕组磁链相角差。

步骤二、上述式（7）中， 功率绕组电压矢量、电机参数功率绕组和转子绕组互感L _hp 、控制绕组和转子绕组互感L _hc 、功率绕组自感L _p 、控制绕组自感L _c 和转子绕组自感L _r 是常数，从式（7）中可得通过控制控制绕组的磁链矢量来控制无功功率Q；

步骤三、根据上述（7）式中的和无功功率Q之间的关系，利用无功功率的给定值Q ^* 与计算值Q经过无功PI调节器19输出控制绕组磁链幅值的给定值；

步骤四、基于上述构建的间接转矩控制的笼型转子无刷双馈电机无功功率控制***，实现该控制方法过程如下：

1）在三相静止坐标系下观测控制绕组、功率绕组电压电流的A相和B相分量u _ac 、u _bc 、u _ap 、u _bp 、i _ac 、i _bc 、i _ap 、i _bp ，对上述物理量通过3/2变换器16进行三相/两相坐标变换，得到控制绕组和功率绕组各自αβ静止坐标系下的电压和电流u _ac 、u _bc 、u _ap 、u _bp 、i _αc 、i _βc 、i _αp 、i _βp。

2）利用i _αp 、i _βp 、u _αp 、u _βp 通过无功功率计算18计算无功功率反馈值Q，公式如（8）所示：

（8）

3）利用u _ac 、u _bc 、u _ap 、u _bp 、i _αc 、i _βc 、i _αp 、i _βp 用u-i模型通过电磁转矩及功率绕组、控制绕组磁链计算15计算控制绕组磁链分量ψ _αc 、ψ _βc 和功率绕组磁链分量ψ _αp 、ψ _βp ，根据ψ _αc 和ψ _βc 算出控制绕组磁链幅值。公式如（9）所示：

（9）

其中R _c 、R _p 分别为控制绕组和功率绕组一相电阻；ψ _αc 、ψ _βc 是控制绕组αβ静止坐标系下的磁链分量；是控制绕组αβ静止坐标系下的磁链幅值；ψ _αp 、ψ _βp 是功率绕组αβ静止坐标系下的磁链分量；

4）通过电磁转矩及功率绕组、控制绕组磁链计算15分别在控制绕组和功率绕组各自的静止坐标系下计算电磁转矩。公式如（10）所示：

（10）

其中p _p 、p _c 分别为功率绕组和控制绕组极对数。

5）控制绕组磁链变化角ΔX计算，首先通过控制绕组磁链静态角计算9计算静态角。由转子转速得到控制绕组频率f _c，即

（11）

公式（11）中n _r 为转子转速，f _p 为功率绕组频率,p _r =p _p +p _c 为转子绕组极对数，f _c 前面“+”号代表亚同步状态，“-”号代表超同步状态；静态角ΔX _st 由下式计算:

（12）

（12）式中ω _c =2πf _c 为控制绕组角频率。控制绕组磁链动态角ΔX _d 由T _e ^*-T _e 经过转矩PI调节器8获得，则控制绕组磁链变化角如式（13）所示：

（13）

6）利用无刷双馈电机无功功率给定值Q ^* 和计算值Q经无功PI调节器19输出磁链给定幅值。

7）利用控制绕组磁链给定幅值和计算值经磁链PI调节器12输出k _s 。控制绕组磁链ψ _αc 、ψ _βc 及k _s 和控制绕组磁链变化角ΔX通过控制绕组磁链增量Δψ _s 计算13算出控制绕组磁链增量Δψ _αc 、Δψ _βc ，公式如（14）所示：

（14）

8）利用控制绕组磁链增量Δψ _αc 、Δψ _βc 通过控制绕组电压u _αc 、u _βc 计算14，计算出下一个周期T _pwm 内所需的电压矢量u _αc 、u _βc ，公式如（15）所示：

（15）

9）SVPWM发生器4根据u _αc 和u _βc 生成调制信号，并通过逆变器3控制无刷双馈电机17的控制绕组。

采用本发明上述方案的实验结果如图2～图7所示。样机参数：功率绕组为6极，控制绕组为2极，功率绕组功率3KW，功率绕组接380V/50Hz工频电源，控制绕组功率1.5KW，功率绕组一相电阻R _p =3.2Ω，控制绕组一相电阻R _c =5.32Ω，转子一相电阻R _r =0.173mΩ，电感参数：功率绕组自感L _p =292mH，功率绕组和转子绕组互感L _hp =2.16mH，控制绕组自感 L _c =642mH，控制绕组和转子绕组互感L _hc =4mH，转子绕组自感 L _r =0.048mH，转动惯量J=0.064kg·m²。图2至图7为给定转速855r/min，给定无功功率Q ^*=0var的条件下调节负载的实验结果，电机空载运行状态下突加负载，然后又突减负载至空载。图 2、3、4、5、6、7分别为功率绕组无功功率、功率绕组功率因数、功率绕组电压电流、转速、转矩、控制绕组磁链波形。

从图2可知，在突加和突减负载的动态过程中，无功功率经过短暂的调节后回到给定；从图3可知功率绕组的功率因数保持在1附近，从图4可看出稳态时功率绕组电压和电流同相位。这3个图说明本方法可以实现无功的控制。从图5和图6可看出***在负载扰动情况下，转速和转矩环能正常工作，***运行平稳。，图7说明控制绕组磁链在负载增大时减小，说明本方法为了保持无功不变，根据负载情况自动调节控制绕组磁链。上述实验结果表明本发明提出的基于间接转矩控制的笼型转子无刷双馈电机无功功率控制方法的可行性。

Claims (1)

1.一种间接转矩控制笼型转子无刷双馈电机无功功率控制方法，包括转速和转矩的控制方法；其所述控制方法是按下列步骤进行：

（1）建立无功功率和控制绕组磁链关系式（7）如下：

（7）

式（7）中：Q为无功功率，ω _c =2πf _c 为控制绕组频率；L _hp =N _r *M _spr /2，L _hc =N _r *M _scr /2，N _r 为笼型转子嵌套单元数， M _spr 为功率绕组与转子绕组每一个单元的互感幅值， M _scr 为控制绕组与转子绕组每一个单元互感幅值；L _p 、 L _c 和L _r 分别为功率绕组自感、控制绕组自感和转子绕组自感；为控制绕组磁链矢量；是功率绕组电压矢量；θ _up -θ _ψc 为功率绕组电压矢量与控制绕组磁链矢量的相角差；

（2）根据上述步骤（1）中的式（7）， 设置功率绕组电压矢量、电机参数L _hp 、L _hc 、L _p 、L _c 和L _r 是常数，由式（7）中得到通过控制控制绕组的磁链矢量来控制无功功率Q；

（3）根据上述步骤（2）中的控制绕组的磁链矢量和无功功率Q之间的关系，利用无功功率给定值Q ^* 与计算值Q经过无功PI调节器（19）输出控制绕组磁链幅值的给定值；

（4）基于上述步骤（1）到（3）构建的间接转矩控制的笼型转子无刷双馈电机无功功率控制***，实现该控制方法的过程如下：

1）在三相静止坐标系下分别观测控制绕组、功率绕组电压、电流的A相和B相分量u _ac 、u _bc 、u _ap 、u _bp 、i _ac 、i _bc 、i _ap 和i _bp；对上述物理量通过3/2变换器（16）进行坐标变换，得到控制绕组和功率绕组各自αβ静止坐标系下的电压和电流u _αc 、u _βc 、u _αp 、u _βp 、i _αc 、i _βc 、i _αp 和i _βp ；

2）利用i _αp 、i _βp 、u _αp 、u _βp 通过无功功率计算（18）计算无功功率计算值Q；

3）利用u _αc 、u _βc 、u _αp 、u _βp 、i _αc 、i _βc 、i _αp 和i _βp 通过电磁转矩及功率绕组、控制绕组磁链计算（15）计算控制绕组磁链分量ψ _αc 、ψ _βc 和功率绕组磁链分量ψ _αp 、ψ _βp ，根据ψ _αc 和ψ _βc 计算控制绕组磁链幅值；

4）通过电磁转矩及功率绕组、控制绕组磁链计算（15）分别在控制绕组和功率绕组各自的静止坐标系下计算电磁转矩，二者之和是总电磁转矩；

5）通过控制绕组磁链静态角计算（9）得到静态角ΔXst，通过转矩PI调节器（8）得到磁链动态角ΔX_d，二者之和即下一个采样周期Tpwm内的控制绕组磁链变化角ΔX；

6）利用无功功率的给定值Q ^* 与计算值Q经过无功PI调节器（19）输出控制绕组磁链幅值的给定值；

7）利用控制绕组磁链幅值给定和计算值经磁链PI调节器（12）输出ks；利用控制绕组磁链ψαc、ψβc及ks和控制绕组磁链变化角ΔX通过控制绕组磁链增量Δψ _s 计算（13）算出控制绕组磁链增量Δψ _αc 、Δψ _βc ；

8）利用控制绕组磁链增量Δψ _αc 、Δψ _βc ，通过控制绕组电压u _αc 、u _βc 计算（14），计算出下一个周期T _pwm 内所需的电压矢量u _αc 、u _βc ；

9）SVPWM发生器（4）根据u _αc 和u _βc 生成调制信号，并通过逆变器（3）控制无刷双馈电机（17）的控制绕组；

所述构建间接转矩控制笼型转子无刷双馈电机无功功率控制***是将无功功率的给定值Q*与计算值Q经过无功PI调节器（19）输出控制绕组磁链幅值的给定值；再将控制绕组磁链幅值给定和计算值经磁链PI调节器（12）输出控制绕组磁链幅值增量ks。