CN101938244B - 无刷级联双馈电机的矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于无刷级联双馈电机的变频变压矢量控制方法，能够实时调整控制定子绕组的电压和电流，能够形成两个独立的控制环。第一个控制环可以控制电机的电磁转矩进行调速控制，或者系统总的有功功率实现功率控制；第二个环可以控制功率绕组端的无功功率，满足功率因数的控制要求。采用这个控制系统，无刷级联双馈电机可以成功应用在风力发电领域，也可以应用在电机拖动领域。

Description

无刷级联双馈电机的矢量控制方法

技术领域：

本发明涉及一种特殊电机的控制，特别是对无刷级联双馈电机的变频变压矢量控制方法，实现电机的稳定控制和可靠运行。

背景技术：

双馈感应电机被广泛应用在风力发电领域，并且曾经因为成本和体积上的优势，占据了超过50％的市场份额，然而近几年因为其维护和低电压穿越上的劣势，市场份额有所降低。

无刷级联双馈电机是双馈感应电机的一个改进版本，它保留了双馈感应电机的所有优点，并且除去了维护要求更高的电刷，采用无刷操作，大大降低了其维护成本。

无刷级联双馈电机的原理在20世纪初就被提出，采用两个感应电机级联的方法实现低速运转。90年代初，现代化无刷级联双馈电机的设计基本定型。此电机采用两组独立的定子绕组，采用不同的级对数来防止相互之间的耦合。转子采用特殊的类似鼠笼式设计，可以同时耦合两个定子绕组。电机的速度由两个定子绕组的驱动频率共同决定。

一般而言，一组定子绕组连接固定频率和电压的电网，称为功率绕组；另一组定子绕组连接变频变压的变流器，称为控制绕组。或者说，考虑到功率绕组是固定频率，转子速度最终由控制绕组的频率决定。

现有的技术已经解决了无刷级联双馈电机的设计和制造，但是针对无刷级联双馈电机的控制系统的设计一直没有得到解决，因此无刷级联双馈电机一直因为其控制稳定性上问题，没有被投入实际应用。本专利描述了一套全新的无刷双馈风力发电机控制系统，该控制系统基于矢量控制技术，不仅解决了无刷双馈电机的稳定性问题，而且也实现了典型风力发电机的全部重要功能。

发明内容：

本发明的目的是：提供一种针对无刷级联双馈电机的变频变压调速方法，能在速度或者功率的控制之间切换，并且同时控制功率绕组端的无功功率，从而达到电机的稳定控制。此控制方法适合应用于风力发电系统或者电机拖动系统。

为达到上述目的，本发明的构思是：

此发明采用基于功率绕组磁链坐标的矢量控制系统，所有的控制变量，包括两个定子绕组的电流、电压和磁链都变换到此坐标系上。采用解耦的双环控制策略。第一个控制环称作有功控制环，通过一个比例积分环节(PI)控制q方向的控制绕组电压，反馈可以控制系统的总有功功率(功率控制模式)或者电机的转速(速度控制模式)，两个模式可以视具体应用要求切换。另一个环控制功率绕组的无功功率，称作无功控制环，通过一个比例积分环节(PI)控制d方向的控制绕组电压。

根据上述的发明构思，本发明采用下述措施和技术方案：

本发明所有的运算基于对于功率绕组和控制绕组的三相电压和电流的采集，通过转子位置和功率绕组的磁链位置变换成为基于功率绕组磁链的向量。所有运算基于向量d和q的两轴分解，控制绕组的d电压控制无功环，控制绕组的的q电压控制无功环。最后对控制绕组的d和q的电压进行反变换得到三相电压的参考值，送入脉宽调制(PWM)控制器发出PWM信号来驱动变流器。

本发明采用一个磁链观察器来观测功率绕组的磁链，最终确定控制系统的坐标系。磁链观测器需要功率绕组的电压和电流信息，同时需要定子绕组的电阻值。这个磁链观测器的精确度决定了整个主回路的精确度。

本发明采用一个增量型光电编码器来采集转子的位置信息。通过位置信息可以计算出电机的转子轴速度，转子轴速度是速度控制模式下有功控制环的反馈信息。同时，为了将控制绕组的电压和电流变换到功率绕组磁链坐标系，需要通过光电编码器提供的转子位置和磁链观察器提供的磁链信息。

本发明采用了一个功率观测器，可以估计系统的总有功功率以及功率绕组的无功功率。总有功功率是功率控制模式下有功控制环的反馈输入信息，功率绕组的无功功率是无功控制环的反馈输入信息。

本发明采用了一个稳定监测系统，通过检测速度和控制绕组的电压频率来考察电机是否稳定运行，如果电机运行不稳定，整个控制系统关闭以保证系统的安全。

本发明的PWM控制器中加入死区时间，保证变流器的可靠运行。

本发明提出的矢量控制是一个全新的技术，实现对于无刷级联双馈电机的矢量控制，可以独立控制功率(或者速度)以及无功功率。采用本发明的无刷级联双馈电机相比传统双馈感应电机具有更高的可靠性和更低的维护成本。

附图说明

图1是本发明的无刷级联双馈电机的原理图

图2是坐标轴变换

图3是控制环

图4是磁链观察器

图5是功率观测器

图6是稳定监测系统

具体实施方式

本无刷级联双馈电机的矢量控制方法和原理简述如下：

本无刷级联双馈电机的矢量控制方法，包括一个q方向的有功控制环，用于控制电机系统的速度或者功率；一个d方向的无功控制环，用于控制电机系统功率定子绕组的无功功率；一个磁链观察器，用于观测电机功率定子绕组的磁链，用于坐标轴转换；一个功率观测器，用于观测电机的功率定子绕组无功功率和总系统功率，分别用于无功控制环和有功控制环；一个稳定判别器，用于判别电机系统是否稳定，或者说是否运行在规定的工作点上，如果发现系统不稳定，整个系统必须关闭以保证操作安全。

上述的无刷级联双馈电机的矢量控制方法，在q方向的有功控制环中，设定一个开关对速度控制和功率控制模式进行切换。在速度控制模式下，控制的输入为参考速度值和采样速度值的误差，控制器为比例积分(PI)控制器，控制器的输出为q方向的控制电压。在功率控制模式下，控制的输入为参考有功功率值和功率观测器输出的系统总功率值的误差，控制器为比例积分(PI)控制器，控制器的输出为q方向的控制绕组电压。

上述的无刷级联双馈电机的矢量控制方法，在d方向的无功控制环中，控制的输入为功率绕组的参考无功功率值和功率观测器输出的功率绕组无功功率的误差，控制器为比例积分(PI)控制器，控制器的输出为d方向的控制绕组电压。

上述的无刷级联双馈电机的矢量控制方法，磁链观测器对功率绕组的三相电压和三相电流进行采集，并且转换到功率绕组的静止坐标轴计算功率绕组的磁链，获得磁链的幅度和角度作为磁链观测器的输出。磁链的角度就是整个控制器的参考坐标轴的角度。

上述的无刷级联双馈电机的矢量控制方法，功率观测器分别采集功率绕组和控制绕组的三相电压和三相电流，并且转换到同步速度旋转的功率绕组磁链坐标系上，进行有功功率和无功功率的计算。两个绕组的总的有功功率是系统总有功功率，计算结果作为权力要求2中有功控制环在功率控制模式下的反馈输入。功率绕组的无功功率输出作为权力要求3中无功控制环的反馈输入。

上述的无刷级联双馈电机的矢量控制方法，稳定判别器通过采集的速度和功率绕组频率计算控制绕组电压的频率，和采集的控制绕组频率进行比较。如果两者符合，说明系统正处于稳定运行区域；如果两者不符合，说明系统不稳定，整个系统必须关闭保证系统的安全。

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

图1为无刷级联双馈电机的原理图。无刷级联双馈电机有两组定子绕组，分别是功率绕组和控制绕组。功率绕组直接连接50Hz固定频率的电网，而控制绕组通过双向变流器连接电网。通过调节控制绕组的频率可以控制电机的转速。如果能够限定电机的工作范围，大部分的能量通过功率绕组流入或者流出电机，而小部分的能量流过变流器流入或者流出电机，因此可以减小变流器的容量，一般为电机容量的1/3左右，同时可以大大降低变流器的损耗。相对于传统的双馈感应电机，无刷级联双馈电机不需要通过碳刷连接转子线圈，因此提高了可靠性。

图2为坐标变换示意图。其中αβ_s1、αβ_s2和αβ_r分别为功率绕组的静态坐标系、控制绕组的静态坐标系和转子绕组的动态坐标系。dq为同步功率绕组磁链坐标系。可以清楚地看到，从功率绕组的静止坐标系转换到同步功率绕组的磁链坐标系，转换角度为θ₁；从控制绕组的静止坐标系转换到同步功率绕组磁链坐标系，转换角度为θ₁-(p₁+p₂)θ_r。其中θ₁为功率绕组磁链角度，θ_r为转子位置，p₁和p₂分别为功率绕组和控制绕组的级对数。

图3为系统的控制框图。1为无刷级联双馈电机。17为三相功率绕组，直接连接到50Hz，220V的电网18，功率绕组的电压和电流分别用v_1a，v_1b，v_1c和i_1a，i_1b，i_1c表示；16为三相控制绕组，连接到变流器14，控制绕组的电压和电流分别用v_2a，v_2b，v_2c和i_2a，i_2b，i_2c表示。变流器14采用双向IGBT全桥结构，分为电网侧变流器和电机侧变流器。电网侧变流器直接连接到电网18，电机侧变流器连接到控制绕组16。电机侧变流器接受PWM信号3的驱动。由于此发明主要关注电机侧变流器的控制，因此下面描述的变流器14直接指代电机侧变流器。

磁链观测器5计算出功率绕组磁链角度θ₁，参见附图4。

8为3→2转换，即将功率绕组和控制绕组的三相电压和电流分别转换到同步旋转轴上，转换的矩阵为：

$\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-2\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{\θ}-4\mathrm{\π}/3)\\ -\sin \mathrm{\θ}& -\sin (\mathrm{\θ}-2\mathrm{\π}/3)& -\sin (\mathrm{\θ}-4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]$

对于功率绕组的三相电压和电流，θ取θ₁代入，对于控制绕组的三相电压和电流θ取θ₁-(p₁+p₂)θ_r代入。

功率观测器6计算出系统的有功功率和功率绕组的无功功率，参见附图5。

稳态下系统的总功率由下面的方程表示：

$P=\frac{3}{2}\frac{(p_1+p_2)L_{s1r}{L}_{s2r}{\mathrm{\ω}}_r\left|{\mathrm{\ψ}}_1\right|v_{2q}}{L_{s1}{L}_r{\mathrm{\σ}}_1{R}_{s2}}+D_1$

其中p₁和p₂是两个定子绕组的级对数，L_s1r，L_s2r，L_r和L_sl分别是功率绕组和转子的互感、控制绕组和转子的互感、转子的自感以及功率绕组的自感。R_s2是定子绕组的电阻，ω_r是电机的转速，|ψ₁|是功率绕组的磁链，σ₁是电机功率绕组常数，定义为

D₁为低频干扰分量，由耦合所带来的内部干扰和外部干扰产生。根据此方程，很显然系统的总功率可以通过控制v_2q来实现。11是一个PI控制器，输入为总的有功功率的参考值和观测值的误差，输出为v_2q，即控制绕组在参考坐标系q轴上的电压。PI控制器11构成了功率控制环。

转速和v_2q的关系由下面两个方程来表示：

$T_e=\frac{3}{2}\frac{(p_1+p_2)L_{s1r}{L}_{s2r}\left|{\mathrm{\ψ}}_1\right|v_{2q}}{L_{s1}{L}_r{\mathrm{\σ}}_1{R}_{s2}}+D_2$

$T_e=J\frac{d{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{B\ω}}_r+T_l$

其中T_e为电机电磁转矩，D₂为低频干扰分量，由耦合所带来的内部干扰和外部干扰产生，J为转动惯量，B为摩擦系数，T_l为负载转矩。因此通过控制v_2q可以控制电机的速度。12是一个PI控制器，输入为参考转速和测量转速的误差，输出为v_2q，即控制绕组在参考坐标系q轴上的电压。PI控制器12构成了转速控制环。

P1控制器11和PI控制器12共同构成了有功控制环9，通过开关15进行切换，有功控制环因此可以控制在转速控制模式或者功率控制模式。

稳态下功率绕组的无功功率由此方程来表示：

$Q_1=\frac{3}{2}\frac{L_{s1r}{L}_{s2r}{\mathrm{\ω}}_1\left|{\mathrm{\ψ}}_1\right|v_{2d}}{L_{s1}{L}_r{\mathrm{\σ}}_1{R}_{s2}}+D_3$

其中ω₁是同步角速度，即2π×50rad/s。D₃为低频干扰分量，由耦合所带来的内部干扰和外部干扰产生。所以功率绕组的无功功率可以通过控制v_2d来实现。13是一个P1控制器，输入为功率绕组无功功率的参考值和测量值的误差，输出为v_2d，即控制绕组在参考坐标系d轴上的电压。PI控制器13构成了无功控制环10。

有功控制环9和无功控制环10共同决定了v_2d和v_2q。

7为标准2→3转换模块，将功率绕组磁链坐标系的v_2d和v_2q转换到控制绕组静止坐标系，产生电机侧变流器14三相参考电压

和

转换矩阵为

$\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \cos (\mathrm{\θ}-2\mathrm{\π}/3)& -\sin (\mathrm{\θ}-2\mathrm{\π}/3)\\ \cos (\mathrm{\θ}-4\mathrm{\π}/3)& -\sin (\mathrm{\θ}-4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]$

其中θ取θ₁-(p₁+p₂)θ_r代入。

14为一个PWM发生器，比较输入参考电压和锯齿波在波电压，最后产生固定开关频率的PWM的输出信号3驱动电机侧变流器14。

图4为磁链观测器原理图。功率绕组的磁链观测需要功率绕组的三相电压v_la，v_1b，v_1c和三相电流i_1a，i_1b，i_1c作为输入。

静态向量变换19实现三相分量到功率绕组静态坐标系下αβ_s1轴分量的变换。转换矩阵为：

$\frac{3}{2}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$

三相电压和电流分别被转换为v_1a，v_1β和i_1a，i_1β。利用磁链公式：

ψ_1a＝∫(v_1a-R_s1i_1a)dθ

ψ_1β＝∫(v_lβ-R_s1i_1β)dθ

可以得到功率绕组磁链在静态αβ_s1轴下的分量。具体实现时，为了克服低频漂移的影响，积分环节由一阶环节20替代，其中s为积分器，T为一个常数。通过角度计算器21以及幅度计算器22可以得到功率绕组磁链在静态αβ轴的角度θ₁以及幅度|ψ₁|。

图5为功率观测器。有功功率和无功功率的计算采用基于2轴理论的算法。坐标系既可以采用同步旋转坐标系，也可以采用静止坐标系。本发明采用基于功率绕组磁链的同步旋转坐标系进行计算，同步旋转坐标系下两个定子绕组的电压和电流值通过图3的2→3转换模块8完成。

根据功率守恒，系统的总功率等与两个定子绕组端的输入和输出功率的总和，计算公式为：

$P=\frac{3}{2}(v_{1d}{i}_{1d}+v_{1q}{i}_{1q})+\frac{3}{2}(v_{2d}{i}_{2d}+v_{2q}{i}_{2q})$

其中前半部分为功率绕组的功率，后半部分为控制绕组的功率。如果P的符号为正，表示电机系统在吸收能量，无刷级联双馈电机工作在电动机状态；如果P的符号为负，表示电机系统在产生能量，无刷级联双馈电机工作在发电机状态。

由于功率绕组直接连接电网，因此功率绕组端的无功功率会影响整个系统的功率因数。功率绕组端的无功功率表达式为：

$Q_1=\frac{3}{2}(v_{1q}{i}_{1d}-v_{1d}{i}_{1q})$

如果Q₁的符号为负，则功率绕组释放无功功率；如果Q₁的符号为正，则功率绕组吸收无功功率。

图6为稳定观测器，用以观测电机系统是否稳定，是否仍然处于同步运行状态。稳定观测器的基本思想在于比较控制绕组的电压频率是否满足同步运行的定义。19为标准2→3变换模块，和图4的7完全一致，因此转换矩阵这里不予重复。将其中的一相电压v_2a取出，此时v_2a应该是正弦波20。对v_2a进行过零检测，可以得到一组脉冲21，脉冲位置对应于v_2a过零点，脉冲宽度和v_2a的频率成正比。将此脉冲电压积分，并且在过零点对积分器置零，可以得到锯齿波22，此时锯齿波的宽度和高度正比于v_2a的频率。对锯齿波进行波峰检测，可以得到类似直流的波形23，此直流的幅值和v_2a的频率成正比。根据同步运行操作公式24，电机的转速由两个定子绕组的驱动频率决定，即：

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}{p_1+p_2}$

或者说控制绕组的频率可以通过测量功率绕组和电机转速来获得，即25：

$f_2=\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{2\mathrm{\π}}=(p_1+p_2){\mathrm{\ω}}_r-{\mathrm{\ω}}_1$

将25和直流的波形23的幅值比较，既可判断电机是否处于稳定运行状态。这个比较26需要考虑测量误差，因此需要设定一定的误差忍受带宽。最后的输出通过一个低通滤波器27。

Claims (5)

1.一种无刷级联双馈电机的矢量控制方法，其特征在于包括：

一个q方向的有功控制环(9)，用于控制电机系统的速度或者功率；

一个d方向的无功控制环(10)，用于控制电机系统功率定子绕组的无功功率；

一个磁链观察器(5)，用于观测电机功率定子绕组(17)的磁链，用于坐标轴转换；

一个功率观测器(6)，用于观测电机的功率定子绕组(17)无功功率和总系统功率，分别用于无功控制环(10)和有功控制环(9)；

一个稳定判别器(26)，用于判别电机系统是否稳定，或者说是否运行在规定的工作点上，如果发现系统不稳定，整个系统必须关闭以保证操作安全；

功率观测器(6)分别采集功率绕组(17)和控制绕组(16)的三相电压和三相电流，并且转换到同步速度旋转的功率绕组(17)磁链坐标系上，进行有功功率和无功功率的计算，两个绕组的总的有功功率是系统总有功功率，计算结果作为有功控制环(9)在功率控制模式下的反馈输入，功率绕组(17)的无功功率输出作为无功控制环(10)的反馈输入。

2.按照权利要求1所述的无刷级联双馈电机的矢量控制方法，其特征在于在q方向的有功控制环(9)中，设定一个开关(15)对速度控制和功率控制模式进行切换；在速度控制模式下，控制的输入为参考速度值和采样速度值的误差，控制器为比例积分(PI)控制器(12)，控制器的输出为q方向的控制电压；在功率控制模式下，控制的输入为参考有功功率值和功率观测器输出的系统总功率值的误差，控制器为比例积分(PI)控制器(11)，控制器的输出为q方向的控制绕组(16)电压。

3.按照权利要求1所述的无刷级联双馈电机的矢量控制方法，其特征在于在d方向的无功控制环(10)中，控制的输入为功率绕组(17)的参考无功功率值和功率观测器(6)输出的功率绕组(17)无功功率的误差，控制器为比例积分(PI)控制器(13)，控制器的输出为d方向的控制绕组(16)电压。

4.按照权利要求1所述的无刷级联双馈电机的矢量控制方法，其特征在于磁链观测器(5)对功率绕组(17)的三相电压和三相电流进行采集，并且转换到功率绕组(17)的静止坐标轴计算功率绕组(17)的磁链，获得磁链的幅度和角度作为磁链观测器(5)的输出，磁链的角度就是整个控制器的参考坐标轴的角度。

5.按照权利要求1所述的无刷级联双馈电机的矢量控制方法，其特征在于稳定判别器(26)通过采集的速度和功率绕组(17)频率计算控制绕组(16)电压的频率，和采集的控制绕组(16)频率进行比较，如果两者符合，说明系统正处于稳定运行区域；如果两者不符合，说明系统不稳定，整个系统必须关闭保证系统的安全。

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