CN104506106B - 一种双馈电机励磁控制及零速启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双馈电机励磁控制及零速启动方法，该方法通过将转子轴控制电压经2r/2s变换，得到两相静止坐标系下的控制所需的转子电压，将此电压作为参考电压提供给SVPWM模块，采用电压空间矢量PWM（SVPWM）调制算法生成触发脉冲驱动逆变器为转子励磁，间接使定子绕组从电网吸收无功进行定子励磁，从而实现对双馈电机的励磁控制及零速带载启动控制。本发明解决了双馈电机零速启动采用转子励磁调节，双馈电机转子绕组端电压过高，导致直流母线电压值选取较大而需高电压功率器件所带来的成本投入过大问题，并且克服了采用传统PI调节器作为零速控制器时，转速及输出转矩抖动不稳定问题。

Description

一种双馈电机励磁控制及零速启动方法

技术领域

本发明涉及一种双馈电机的控制及启动方法，尤其涉及一种双馈电机励磁控制及零速启动方法，属于双馈电机拖动控制技术领域。

背景技术

随着电力电子技术及自动控制理论的发展，采用大功率变流器和双馈电机组成的双馈控制系统受到了广泛的关注，特别适用于交流电机拖动及调速系统、变速恒频双馈风力发电系统等领域，具备了功率因数可调、效率较高能优点。双馈调速系统中，双馈电机定子绕组与三相工频电网相连，转子绕组经变流器与电源相连，通过控制转子绕组电压及电流的幅值、相位、频率来实现双馈电机的控制。由于双馈电机通过转子侧变流器来实现上述控制，故转子侧变流器处理的功率为转差功率。而在双馈电机零速启动时，双馈电机的转差角速度等于定子角频率，对应的转差功率为双馈电机全功率，此时转子绕组端电压最高，需要变流器采用较高的直流母线电压和较高电压等级的功率开关器件，增加了设备成本投入。

与此同时，在零速条件下，双馈控制系统用于拖动提升位势性负载时，需要双馈电机在短时内提供与负载相反的电磁转矩。传统的控制方法是给定电机转速为零，采集电机转速的反馈信号，两者的偏差经PI调节器输出控制所需的转矩电流信号。为了保证较好的零速启动性能，需要增大直流母线电压值来保持转速及电磁转矩量较小的抖动值，从而导致需要采用较高电压等级的功率开关器件，进一步扩大了变流器容量，增加了成本投入。

另外，采用传统PI调节器作为零速控制器，在双馈电机的运行转速接近零速乃至零速时、输出电磁转矩不连续的情况下，PI调节器中的比例调节环P已不起作用，此时，仅仅是PI调节器中的积分调节环I在发挥作用，不能满足在全局条件下零速启动的稳定要求。因此有必要对上述问题加以改进解决。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种双馈电机励磁控制及零速启动方法，该方法运行成本低、全局条件下零速启动稳定、易于实现。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种双馈电机励磁控制及零速启动方法，包括以下步骤：

(1)采集三相定子绕组电压及电流信号，确定定子磁链幅值及定子磁链角；

(2)通过定子磁链及互感参数，计算单转子励磁条件下转子电流励磁分量的给定量：

(3)定义转子励磁电流的给定值为定子励磁电流分量的给定量与转子励磁电流分量的给定量之和，计算稳态条件下转子电流d轴分量，在保证控制系统稳定情况下，求出转子励磁电流的给定上限值；

(4)采集速度反馈信号，对双馈电机进行初始转矩电流观测，计算初始转矩电流给定值；

(5)基于PI调节器实现转子电流闭环控制，采用前馈补偿策略，使得转子电流内环实现解耦控制，同时，将转子端电压和转子电流的关系转变为简单的一阶惯性环节关系；

(6)将转子d、q轴控制电压经2r/2s变换，得到两相静止αβ坐标系下的控制所需的转子电压，将此电压作为参考电压提供给SVPWM模块，采用电压空间矢量PWM(SVPWM)调制算法生成触发脉冲驱动逆变器为转子励磁，间接使定子绕组从电网吸收无功进行定子励磁，从而实现对双馈电机的励磁控制及零速带载启动控制。

进一步，步骤(1)为消除采用纯积分器带来的积分初值及直流分量的影响，采用三个一阶低通滤波器级联构建定子磁链观测器，其对应传递函数为：

进一步，步骤(3)计算稳态条件下转子电流d轴分量，引入了双馈电机定子电压矢量u_s与dq坐标系d轴的夹角θ_u，其计算公式为：

式中：R_s为双馈电机定子电阻；ψ_s为定子磁链幅值；L_m为dq坐标系下绕组等效互感；L_s为定子绕组等效。

进一步，步骤(5)具体过程如下：

a)确定转子端电压和转子电流的对应关系：

b)采用PI调节器作为内环电流环的控制器，其输出作为转子电流动态项的控制，其控制方程式如下：

c)将电机转子端电压和转子电流的关系转变为简单的一阶惯性环节关系如式所示：

d)采用前馈补偿策略，使得双馈电机转子电流内环实现了解耦控制。

进一步，该方法适用于变流器功率器件电压等级及直流母线电压小于控制双馈电机启动产生的转子电压的场合。

与现有技术相比，本发明存在以下有益效果：本发明解决了双馈电机零速启动采用转子励磁调节，双馈电机转子绕组端电压过高，导致直流母线电压值选取较大而需高电压功率器件所带来的成本投入过大问题，并且克服了采用传统PI调节器作为零速控制器时，转速及输出转矩抖动不稳定问题。

附图说明

图1本发明双馈电机励磁控制及零速启动方法系统原理图；

图2零速带载控制仿真波形；

图3双馈电机励磁控制零速启动实验波形。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明双馈电机励磁控制及零速启动方法系统原理图，其实现该方法的装置是由直流电源1、直流母线支撑电容2、逆变器3、SVPWM脉冲触发4、定子磁链观测器5、零速控制器6、转矩电流PI调节器7、励磁电流给定计算8、励磁电流PI调节器9、转子前馈补偿10、触发电压Park反变换器11、速度传感器12、转子电流3s/2r变换器13、定子电压3s/2s变换器14、定子电流3s/2s变换器15构成。

由速度传感器12采集速度反馈信号ω_r至零速控制器6，零速控制器6输出转子电流的转矩电流信号给定值转子电流3s/2r变换器13输出转子电流转矩信号反馈值i_rq，给定值与反馈值的偏差经转矩电流PI调节器7输出转子电压信号d轴分量u_rq；定子磁链观测器5采集定子绕组电压、电流信号计算得到定子磁链幅值ψ_s及定子磁链定向角θ_s，分别提供给转子前馈补偿10、及用于转子电流3s/2r变换器13所需变换角；励磁电流给定计算8输出转子励磁电流给定信号转子电流3s/2r变换器13输出转子励磁电流信号反馈值i_rd，给定值与反馈值的偏差经励磁电流PI调节器9输出转子电压信号q轴分量u_rd；两相旋转坐标系中转子电压信号u_rd、u_rq结合解耦项计算环节输出交叉耦合项实现前馈解耦，输出转子电压控制给定信号经触发电压Park反变换器11输出控制SVPWM脉冲触发4所需的参考电压信号u_rα、u_rβ，SVPWM脉冲触发4输出触发驱动逆变器为转子励磁，同时从定子绕组从电网吸收无功进行定子励磁，进而实现对双馈电机的励磁控制及零速带载启动控制。

实施本发明的一种双馈电机励磁控制及零速启动方法，具体是按下列步骤实现的：

(1)采集三相定子绕组电压及电流信号，确定定子磁链幅值及定子磁链角；

双馈电机采用定子磁链定向矢量控制时，基于定子绕组的电压模型可得磁链模型表达式如(1)所示：

在两相静止坐标系中，进一步可得定子磁链幅值及定子磁链定向角，其基本计算公式为：

式中：u_sα,u_sβ分别是定子电压在α,β轴的分量；i_sα,i_sβ分别是定子电流在α,β轴的分量；ψ_sα,ψ_sβ分别是定子磁链在α,β轴的分量；R_s为双馈电机定子电阻；ψ_s为定子磁链幅值；θ_s为定子磁链角。

为消除采用纯积分器带来的积分初值及直流分量的影响，采用三个一阶低通滤波器级联构建定子磁链观测器，其对应传递函数为：

为此，可得两相静止坐标系中的定子磁链及定子磁链角为：

(2)通过定子磁链及互感参数，计算单转子励磁条件下转子电流励磁分量的给定量；在两相同步旋转d,q坐标系中，双馈电机定子磁链的电流模型为:

式中：ψ_sd,ψ_sq分别是定、转子磁链在d,q轴的分量；L_m为dq坐标系下绕组等效互感；L_s为定子绕组等效自感。

定子磁链定向时，ψ_sd＝ψ_s，由双馈电机定子磁链及互感参数计算单转子励磁条件下，转子励磁电流分量的给定量；

i_{rd_ref}＝|ψ_s|/L_m (6)

(3)定义转子励磁电流的给定值为定子励磁电流分量的给定量与转子励磁电流分量的给定量之和，计算稳态条件下转子电流d轴分量，在保证控制系统稳定情况下，求出转子励磁电流的给定上限值；

考虑定子绕组提供励磁电流用于建立磁场，定义定子励磁电流分量的给定量为i_{sd_ref}，转子励磁电流的给定为定子励磁电流分量的给定量与转子励磁电流分量的给定量之和；计算稳态条件下转子电流d轴分量，在保证控制系统稳定情况下，求出转子励磁电流的给定上限值。

引入双馈电机定子电压矢量u_s与dq坐标系d轴的夹角θ_u，为保证系统的稳定性，转子励磁电流的给定要考虑其上限值，避免逼近限制使控制系统濒临失稳区。稳态条件下转子电流d轴分量表达式：

如若保证控制系统稳定，则需故可得转子励磁电流的给定上限值：

(4)采集速度反馈信号，对双馈电机进行初始转矩电流观测，计算初始转矩电流给定值；

由双馈电机在两相旋转坐标系中的电磁转矩模型可得：

式中：n_p为双馈电机极对数。

则双馈电机转子电流的转矩电流分量i_rq为：

在定子磁链恒定的情况下，通过调节双馈电机转矩电流分量i_rq，可以独立控制其电磁转矩，而电磁转矩分量可由转速信号双馈电机机械方程式得到。为此，采集速度反馈信号n，对双馈电机进行初始转矩电流观测，定义初始转矩电流i_rq，设定初始转矩增益系数为η，转速反馈增益系数为k，结合式(11)，则初始转矩电流给定值具体可由下述表达式实现：

(5)基于PI调节器实现转子电流闭环控制，采用前馈补偿策略，使得转子电流内环实现解耦控制，同时，将转子端电压和转子电流的关系转变为简单的一阶惯性环节关系。

双馈电机调速是通过控制双馈电机转子端电压矢量达到电磁转矩和功率控制的目的，为此，需要得到转子端电压和转子电流的对应关系：

式中：ω_s为d,q坐标轴相对于转子的角速度；u_rd,u_rq分别是转子电压在d,q轴的分量；i_rd,i_rq分别是转子电流在d,q轴的分量；L_m为d,q坐标系下绕组等效互感；L_s,L_r分别为定子、转子绕组等效自感。

闭环具有消除环内扰动的能力，采用PI调节器作为内环电流环的控制器，其输出作为转子电流动态项的控制，其控制方程式如下：

将式(14)带入式(13)，可得电机转子端电压和转子电流的关系转变为简单的一阶惯性环节关系如式(15)所示，可见采用前馈补偿策略，使得双馈电机转子电流内环实现了解耦控制，电流环具有良好的控制特性。

式中：R_r为双馈电机转子电阻。

(6)将转子d、q轴控制电压经2r/2s变换，得到两相静止αβ坐标系下的控制所需的转子电压，将此电压作为参考电压提供给SVPWM模块，采用电压空间矢量PWM(SVPWM)调制算法生成触发脉冲驱动逆变器为转子励磁，间接使定子绕组从电网吸收无功进行定子励磁，从而实现对双馈电机的励磁控制及零速带载启动控制。

采用本发明上述方法的仿真及实验结果如图2-3所示。仿真及实验参数为：双馈电机额定功率为15kW，定子额定电压380V，转子电压218V，定子额定电流为33.5A，转子额定电流为46.5A，直流母线电压为600V。如仿真图2所示，双馈电机在零速带载(T_L＝-50N.m)时，双馈电机转速可以经过瞬间抖动后稳定在零速，双馈电机电磁转矩响应迅速，稳态时Tem＝-50N.m，体现了控制较好的零速控制性能。双馈电机零速启动时刻，给定转子励磁电流为-0.2pu，在转速上升后，给定转子励磁电流为0.2pu，如图3所示，转子励磁电流在给定为负时，即定转子电流励磁同时工作条件下，转矩电流仍能迅速响应，转子端电压波形可知，在定转子电流励磁同时工作的条件下的转子端电压比单独转子励磁电流给定条件下要小，并且采用本发明的励磁控制方法，直流母线电压平稳，验证了本发明方法的可行性。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双馈电机励磁控制及零速启动方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)采集三相定子绕组电压及电流信号，确定定子磁链幅值及定子磁链角；

(2)通过定子磁链及互感参数，计算单转子励磁条件下转子电流励磁分量的给定量：

(3)定义转子励磁电流的给定值为定子励磁电流分量的给定量与转子励磁电流分量的给定量之和，计算稳态条件下转子电流d轴分量，在保证控制系统稳定情况下，求出转子励磁电流的给定上限值；

(4)采集速度反馈信号，对双馈电机进行初始转矩电流观测，计算初始转矩电流给定值；

(5)基于PI调节器实现转子电流闭环控制，采用前馈补偿策略，使得转子电流内环实现解耦控制，同时，将转子端电压和转子电流的关系转变为简单的一阶惯性环节关系；

(6)将转子d、q轴控制电压经2r/2s变换，得到两相静止αβ坐标系下的控制所需的转子电压，将此电压作为参考电压提供给SVPWM模块，采用电压空间矢量PWM(SVPWM)调制算法生成触发脉冲驱动逆变器为转子励磁，间接使定子绕组从电网吸收无功进行定子励磁，从而实现对双馈电机的励磁控制及零速带载启动控制；

所述步骤(5)具体过程如下：a)确定转子端电压和转子电流的对应关系：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{rd}=R_r{i}_{rd}+\left(L_r-\frac{L_m^2}{L_s}\right){\mathrm{pi}}_{rd}-{\mathrm{\ω}}_s\left(L_r-\frac{L_m^2}{L_s}\right)i_{rq}\\ u_{rq}=R_r{i}_{rq}+\left(L_r-\frac{L_m^2}{L_s}\right){\mathrm{pi}}_{rq}+{\mathrm{\ω}}_s\left(L_r-\frac{L_m^2}{L_s}\right)i_{rd}+{\mathrm{\ω}}_s\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_{sd}\end{array}\right.$

式中：ω_s为d,q坐标轴相对于转子的角速度；u_rd,u_rq分别是转子电压在d,q轴的分量；i_rd,i_rq分别是转子电流在d,q轴的分量；L_m为d,q坐标系下绕组等效互感；L_s,L_r分别为定子、转子绕组等效自感；ψ_sd为定子磁链幅值在d轴的分量；Rr为双馈电机转子电阻；

b)采用PI调节器作为内环电流环的控制器，其输出作为转子电流动态项的控制，其控制方程式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{rd}=(k_p+\frac{k_i}{s})(i_{rd}^{*}-i_{rd})-{\mathrm{\ω}}_s(L_r-\frac{L_m^2}{L_s})i_{rq}\\ u_{rq}=(k_p+\frac{k_i}{s})\left(i_{rq}^{*}-i_{rq}\right)+{\mathrm{\ω}}_s(L_r-\frac{L_m^2}{L_s})i_{rd}+{\mathrm{\ω}}_s\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_{sd}\end{array}\right.$

式中：ψ_sd为定子磁链幅值在d轴的分量；

c)将电机转子端电压和转子电流的关系转变为简单的一阶惯性环节关系如式所示：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{pi}}_{rd}\\ {\mathrm{pi}}_{rq}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{L_s}{L_s{L}_r-L_m^2}\[R_r+\left(k_p+\frac{k_i}{s}\right)\]& 0\\ 0& -\frac{L_s}{L_s{L}_r-L_m^2}\[R_r+\left(k_p+\frac{k_i}{s}\right)\]\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{rd}\\ i_{rq}\end{array}\right]\\ +\left(k_p+\frac{k_i}{s}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{rd}^{*}\\ i_{rq}^{*}\end{array}\right]\end{array}$

式中：Rr为双馈电机转子电阻；为转子励磁电流给定信号；为转矩电流信号给定值；

d)采用前馈补偿策略，使得双馈电机转子电流内环实现解耦控制。

2.根据权利要求1所述的双馈电机励磁控制及零速启动方法，其特征在于：步骤(1)为消除采用纯积分器带来的积分初值及直流分量的影响，采用三个一阶低通滤波器级联构建定子磁链观测器，其对应传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{2\·\sqrt[3]{{\mathrm{\ω}}_c^2}}{s+\sqrt{3}{\mathrm{\ω}}_c}\·\frac{2\·\sqrt[3]{{\mathrm{\ω}}_c^2}}{s+\sqrt{3}{\mathrm{\ω}}_c}\·\frac{2\·\sqrt[3]{{\mathrm{\ω}}_c^2}}{s+\sqrt{3}{\mathrm{\ω}}_c}.$

3.根据权利要求1所述的双馈电机励磁控制及零速启动方法，其特征在于：步骤(3)计算稳态条件下转子电流d轴分量，引入了双馈电机定子电压矢量u_s与dq坐标系d轴的夹角θ_u，其计算公式为：

$i_{rd}=\frac{L_s}{R_s{L}_m}(\frac{R_s}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_s-u_s{\mathrm{cos\θ}}_u)$

式中：R_s为双馈电机定子电阻；ψ_s为定子磁链幅值；L_m为dq坐标系下绕组等效互感；L_s为定子绕组等效自感。

4.根据权利要求1所述的双馈电机励磁控制及零速启动方法，其特征在于：该方法适用于变流器功率器件电压等级及直流母线电压小于控制双馈电机启动产生的转子电压的场合。