双馈电机控制

1双馈电机控制及其控制2一、双馈电机及其控制系统结构二、双馈电机的数学模型三、双馈电机控制方法主要内容3（一）双馈电机及其控制系统结构1.1什么是双馈电机双馈电机是一个绕线转子感应电机，它的定子绕组直接连接到三相电网上，转子绕组通过一个背靠背功率变换器与电网相连接，由于定、转子均与电网相连，因此叫双馈电机。双馈电机既可以做电动机运行，也可以做发电机运行。做电动机运行时，称作双馈调速系统；做发电机运行时，称作双馈发电系统。41.2双馈电机系统的结构双馈电机系统一般由双馈电机、BacktoBack功率变换器、变压器等构成51.3双馈电机系统的功率平衡关系和运行状态忽略定子电路和转子电路的损耗，只考虑定子回路功率（转差功率）Ps、机械功率Pmec和转子回路功率Pr，则有：(1)mecsrsPPPsPrsPsP11nnsn功率的正方向规定：（1）定子回路向电网输出电功率为正；（2）转子回路从电网吸收电功率为正；（3）转子从外部吸收机械功率机械功率为正；（4）反之皆为负61.3.1双馈电机亚同步运行状态当双馈电机转子转速低于同步转速时（即0s1），电机运行于亚同步状态，此时电机既可以是发电状态，也可以是电动状态71.3.2双馈电机超同步运行状态当双馈电机转子转速高于同步转速时（s0），电机运行于超同步状态，此时电机既可以是发电状态，也可以是电动状态81.4双馈电机系统的特点所需变流器容量较小，主要由电机的转速范围决定定子侧功率因数可控作为电动系统运行时，可实现无级调速作为发电系统运行时，可实现变速恒频发电9（二）双馈电机的数学模型2.1双馈电机三相静止坐标下的数学模型双馈电机（绕线感应电机）的物理模型定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的，以A轴为参考坐标轴，转子绕组轴线a、b、c随转子旋转，转子a轴和定子A轴间的电角度θ为空间角位移变量。定子绕组采用发电机惯例，转子绕组采用电动机惯例。10dtdiRuAAsAdtdiRuBBsBdtdiRuCCsC2.1.1电压方程aaraduRidtbbrbduRidtccrcduRidt定子电压方程转子电压方程112.1.2磁链方程cbaCBAcccbcacCcBcAbcbbbabCbBbAacabaaaCaBaACcCbCaCCCBCABcBbBaBCBBBAAcAbAaACABAAcbaCBAiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和12自感互感lmCCBBAALLLLL1122aabbccmlLLLLLmCBBAABLLLL121212abbacbmLLLLcos1mcCaAAaLLLL)120cos(1mbCcAAcLLLL)120cos(1maCbAAbLLLL132.1.3运动方程和转矩方程pgpgpgemlnKnDdtdnJTTTl为原动机提供的拖动转矩；Jg为发电机的转动惯量；Dg与转速成正比的阻转矩阻尼系数；Kg为扭转弹性转矩系数；ω为电机转子的电角速度；np为电机的极对数)(5.01rsrTsrsTrpemiddLiiddLinT142.2双馈电机在两相旋转坐标（d、q坐标系）下的数学模型三相坐标下的数学模型虽然能直观的表示双馈发电机的基本特性，却不能反映控制参数与这些方程的直接关系，并且存在很强的耦合。采用坐标变换，将三相坐标方程转化为两相旋转坐标方程，是对电机进行矢量控制的前提条件152.2.1电压方程sdsdsqssdsqsqsdssqrdrdrrqrrdrqrqrrdrrqduridtduridtduridtduridt2.2.2磁链方程sdssdmrdsqssqmrqrdmsdrrdrqmsqrrqLiLiLiLiLiLiLiLi16由定子磁链方程可得定、转子电流之间的关系，具体表达式如下（1）11sdsdmrdssqsqmrqsiLiLiLiL将式上式代入的转子磁链方程，可得转子磁链表达式（2）22mmrdsdrrdssmmrqsqrrqssLLLiLLLLLiLL17将式（1）代入定子电压方程，可写出定子磁链的状态方程（3）sdsmssdsqrdsdsssqsmssqsdrqsqssdrLriudtLLdrLriudtLL18将式（2）和式（3）代入转子电压方程，可得（4）222222rdmsmsrmmrdrrrdrrrqsdsqsdssssrqmsmsrmmrqrrrqrrrdsqsdsqssssdiLrLrLLuLriLiudtLLLLdiLrLrLLuLriLiudtLLLL2srmsrLLLLL为电机的总漏磁系数192.2.3运动方程和电磁转矩方程3232epsdsqsqsdmpsqrdsdrqsTniiLniiLpgpgpgemlnKnDdtdnJTT202.2.4功率方程212.3双馈电机定子磁场定向数学模型若让d、q坐标轴的旋转速度ω等于定子磁链的同步角速度ω1，且规定d轴沿着定子总磁链矢量Ψs的方向，而q轴为逆时针垂直于矢量Ψs，这样dq坐标系即成为按定子磁链定向的旋转坐标系。221sds0sq，当dq旋转坐标系按定子磁链定向时,则电磁转矩可简化为：32meprqssLTniL10ssmssrdsdssmssrqsqsdrLriudtLLLriuL并可得：11mrdmssdsmsmrqsqmssLiTuTpLiuTsmssLTr定子电磁时间常数232122212rdmsmsmrdrrrdrrrqssdsssrqmsrmmrqrrrqrrrdssqsssdiLrLrLuLriLiudtLLLdiLrLLuLriLiudtLLL24在正常情况下，定子电压的幅值、频率和相位均可看作是不变的，定子磁链矢量也可认为是稳定的，可忽略定子励磁电流的动态过程，若再忽略定子电阻，可得到定子磁链定向的简化模型10sdsqsuu111rdrdrrrdrrrqrqmrqrrrqrrrdrssdiuLriLidtdiLuLriLidtL113232msrqsssmrdsssLPiLLiQL25定子磁场向的重要意义：113232msrqsssmrdsssLPiLLiQL通过上面的功率方程可以看出，经过定子磁场定向，电机定子有功功率和无功功率分别与转子q轴电流和转子d轴电流有一一对应的关系，这为有功、无功功率的解耦控制奠定了理论基础26（三）双馈电机系统的控制3.1总体控制思路双馈电机控制系统，无论是调速系统还是发电系统，其控制都是通过变流器来实现的。由于采用了back-to-back拓扑形式的变流器，因此，转子侧变流器和网侧变流器可以方便的采取各自的控制策略，而互不影响。转子侧变流器主要用于控制电机的功率，对发电系统而言，就是定子侧的电功率；对电动系统而言，则是电机的电磁转矩。网侧变流器的主要作用是维持直流侧电压的稳定和调节电网的功率因数27控制有功功率（电磁转矩）控制直流电压和网侧功率因数283.2转子侧变流器的控制策略3.2.1双馈发电机转子侧变流器控制策略双馈发电机转子侧变流器的作用是控制定子侧发出的有功和无功功率，根据第二部分推导的基于定子磁链定向的电机方程，可以看出：定子有功、无功功率与转子q轴、d轴电流存在线性关系，因此转子侧变流器采用功率外环、电流内环的双闭环控制策略113232msrqsssmrdsssLPiLLiQL29*P+-PPI*rqi*Q+-QPI*rdi功率外环的前向控制框图如下图所示30构造变流器电流内环时，需要将电流指令转化为电压指令，然后进行SVPWM调制。在定子磁链定下下，双馈电机电流与电压的关系如下所示：111rdrdrrrdrrrqrqmrqrrrqrrrdrssdiuLriLidtdiLuLriLidtL上式表明，双馈电机转子d、q轴电流与电压之间存在交叉耦合关系，因此需要进行d、q轴之间的解耦补偿控制。31电流内环解耦前向控制框图如下图所示*rdi+-rdiPI*'rdu1rrrqLi-*rdu*rqi+-rqiPI*'rqu1rrrdLi++1mrssLL*rqu32IM－+－+PI三相电压型逆变器2r/3s接整流器PI三相转子电流驱动FBSrqi*rqi*rdirdi*rdu*rqus3s/2rPIPI－+++++slrrdLimslrrqsssLLiuL－+*sP*sQsPsQPLL3s/2r+sl－sr∫－+srsr三相定子电流三相定子电压sdqusdqi瞬时功率计算双馈发电机转子侧变流器控制框图如下图所示333.2.2双馈电动机转子侧变流器控制策略双馈电动机转子侧变流器控制目的在于控制电机的转速和调节定子侧的功率因数（无功功率），电动机转速的控制归根结底是对电磁转矩的控制。双馈电机在定子磁链定向下，电磁转矩与转子q轴电流有着线性关系，而定子无功功率与转子d轴电流有着一一对应的关系。13232meprqsssmrdsssLTniLLiQL34因此，可以通过控制转子q轴电流控制电机的电磁转矩，进而控制转速；通过控制转子d轴电流控制电机定子侧的无功功率，从而实现双馈电动机转速和定子无功功率的独立控制*353.2.3定子磁链观测双馈电机矢量控制系统中需要对定子磁链矢量的幅值和相角进行直接或者间接观测，磁链观测的精确定位对矢量控制系统的性能有重要的影响。定子磁链观测主要方法有：（1）磁敏式检测法（2）探测线圈法（3）电流模型法（4）电压模型法前两种方法属于直接检测法，但需要在电机内部安装检测元件，比较复杂，不利于广泛应用；后两种方法属于间接检测法，是通过检测电机的电压、电流量，来计算定子磁链的角度和幅值，这里介绍的是电压模型法。36电压模型法是从电动机的端电压中减去绕组的阻抗压降，而将电机的反电动势进行积分运算，从而求得电机的磁通。37该模型构建的定子磁链观测器具有以下明显的优点：(1)由于双馈电机定子侧直接连在电网上，因而定子侧电压是稳定的工频电网电压，电压谐波小，因此电压的检测、积分都比较容易实现；(2)与普通感应电机调速相比，由于双馈电机通常在同步速附近工作，不存在由于转速过低而使反电势过低，从而导致检测反电势以及积分运算困难的问题；(3)该电压模型构建的定子磁链观测器，整体结构简单，工作可靠、准确。383.3网侧变流器控制策略网侧变流器的目的是控制直流电压恒定和调节电网侧的功率因数，当采用电网电压矢量定向控制时，电网的有功功率和无功功率与网侧d、q轴电流有如下关系：由上式可知，有功功率和无功功率是自然解耦的。一般条件下通常认为电网电压是基本不变的，即U为常数。因