CN104980075B - 一种双馈电机的控制系统及控制方法 - Google Patents
一种双馈电机的控制系统及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种双馈电机的控制系统及方法，用以提高定子功率控制环路的稳定性。该控制系统包括：功率计算单元，用于根据同步坐标系下双馈电机的定子电压和定子电流，确定双馈电机的定子瞬时输出功率；非线性反馈项计算单元，用于根据同步坐标系下双馈电机的定子电压、定子电流、转子机械角频率和电机参数，确定非线性反馈项；功率调节器，用于根据同步坐标系下双馈电机的定子给定功率和功率计算单元确定的定子瞬时输出功率，确定定子功率调节信号；转子电压计算单元，用于根据同步坐标系下双馈电机的电机控制信号，确定双馈电机的转子电压；该电机控制信号，包括非线性反馈项计算单元确定的非线性反馈项和功率调节器确定的定子功率调节信号。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种双馈电机的控制系统及控制方法。
背景技术
目前，双馈电机的应用非常广泛，尤其是在风力发电领域。在需要对双馈电机的定子有功功率或定子无功功率进行控制的应用场景中，对双馈电机控制的方法之一是使用多标量控制方式，直接对双馈电机定子功率进行控制。
双馈电机的多标量控制方法采用定子坐标系，选择电机定子有功功率、电机定子无功功率、电机转速和电机定子磁链的平方作为状态变量，获得双馈电机的状态方程，再利用非线性反馈项使双馈电机的状态方程线性化，将双馈电机的状态方程变换为电机定子有功功率和电机定子无功功率的直接方程，可以直接对电机定子有功功率和电机定子无功功率进行闭环控制。以定子有功功率为例，现有双馈电机的控制系统中定子功率控制环路如图1所示，其中：
为定子给定有功功率；
Ps(s)为定子输出有功功率；
W1(s)为非线性反馈项；
Cp(s)为有功功率调节器；
Gp(s)为双馈电机对定子有功功率的传递函数。
表征了非线性反馈项W1(s)对定子输出有功功率Ps(s)的影响Pw(s)的闭环传递函数Hw1(s)为：
可见，图1所示的定子有功功率控制环路忽略了非线性反馈项对定子输出有功功率的影响。在定子坐标系下，所有中间变量均为交流量，在非线性反馈项的频率超过控制环路拓扑抽象下受控对象本身截止频率时，功率控制环路就有可能会产生震荡。图1所示的定子功率控制环路完全依靠受控对象本身的特性对可能的震荡进行抑制，因此功率控制环路的稳定性较差。
发明内容
本发明实施例提供一种在同步坐标系下的双馈电机的控制系统及控制方法，可以提高定子功率控制环路的稳定性。
本发明实施例提供一种双馈电机的控制系统，包括：
功率计算单元，用于根据同步坐标系下双馈电机的定子电压和定子电流，确定双馈电机的定子瞬时输出功率；
非线性反馈项计算单元，用于根据同步坐标系下双馈电机的定子电压、定子电流、转子机械角频率和电机参数，确定非线性反馈项；
功率调节器，用于根据同步坐标系下双馈电机的定子给定功率和所述功率计算单元确定的定子瞬时输出功率，确定定子功率调节信号；
转子电压计算单元，用于根据同步坐标系下双馈电机的电机控制信号，确定双馈电机的转子电压；所述电机控制信号，包括所述非线性反馈项计算单元确定的非线性反馈项和所述功率调节器确定的定子功率调节信号。
本发明实施例还提供一种双馈电机的控制方法，包括：
根据同步坐标系下双馈电机的定子电压和定子电流，确定双馈电机的定子瞬时输出功率；以及根据同步坐标系下双馈电机的定子电压、定子电流、转子机械角频率和电机参数，确定非线性反馈项；
根据同步坐标系下双馈电机的定子给定功率和所述定子瞬时输出功率，确定定子功率调节信号；
根据同步坐标系下双馈电机的电机控制信号，确定双馈电机的转子电压；所述电机控制信号，包括所述非线性反馈项和所述定子功率调节信号。
本发明实施例提供的方案中，采用同步坐标系，可以将控制系统中的大部分中间变量变为直流量，因此能够减小非线性反馈项对定子输出功率的影响，提高功率控制环路的稳定性。
附图说明
图1为现有技术中的双馈电机的控制系统中定子有功功率控制环路的示意图；
图2为本发明实施例提供的双馈电机的控制系统的示意图；
图3为本发明实施例提供的双馈电机的控制系统中定子有功功率控制环路的示意图之一；
图4为本发明实施例提供的双馈电机的控制系统中定子有功功率控制环路的示意图之二；
图5为本发明实施例提供的双馈电机的控制系统中定子无功功率控制环路的示意图；
图6为本发明实施例提供的双馈电机的控制系统的详细示意图；
图7为本发明实施例提供的双馈电机的控制方法的流程图。
具体实施方式
为了给出提高定子功率控制环路的稳定性的实现方案，本发明实施例提供了一种双馈电机的控制系统及控制方法，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明实施例提供了一种双馈电机的控制系统，如图2所示，可以包括：
功率计算单元201，用于根据同步坐标系下双馈电机的定子电压和定子电流，确定双馈电机的定子瞬时输出功率；
非线性反馈项计算单元202，用于根据同步坐标系下双馈电机的定子电压、定子电流、转子机械角频率和电机参数，确定非线性反馈项；
功率调节器203，用于根据同步坐标系下双馈电机的定子给定功率和功率计算单元201确定的定子瞬时输出功率，确定定子功率调节信号；
转子电压计算单元204，用于根据同步坐标系下双馈电机的电机控制信号，确定双馈电机的转子电压；该电机控制信号，包括非线性反馈项计算单元202确定的非线性反馈项和功率调节器203确定的定子功率调节信号。
即本发明实施例提供的控制系统是在同步坐标系下对双馈电机进行控制。
采用同步坐标系，相比于现有技术中的双馈电机的控制系统采用定子坐标系的方案，可以将控制系统中的大部分中间变量变为直流量，因此能够减小非线性反馈项对定子输出功率的影响，提高功率控制环路的稳定性。
在同步坐标系下，双馈电机方程为：
其中，为定子电压矢量；
为转子电压矢量；
为定子电流矢量；
为转子电流矢量；
为定子磁链矢量；
为转子磁链矢量；
ω为电网电压角频率；
ωr为转子机械角频率；
Rs为定子等效电阻；
Rr为转子等效电阻。
选取转子电流矢量和定子磁链矢量作为状态变量。
其中，Ls为定子等效电感；
Lr为转子等效电感；
Lm为激磁电感。
根据上述公式(1)，(2)，(3)和(4)，将双馈电机方程转化为标准空间状态方程：
由上述公式(5)和(6)，得到标量表达式：
其中：
其中，λdr为同步坐标系下，转子磁链的d轴分量；
λqr为同步坐标系下，转子磁链的q轴分量；
λds为同步坐标系下，定子磁链的d轴分量；
λqs为同步坐标系下，定子磁链的q轴分量；
udr为同步坐标系下，转子电压的d轴分量；
uqr为同步坐标系下，转子电压的q轴分量；
uds为同步坐标系下，定子电压的d轴分量；
uqs为同步坐标系下，定子电压的q轴分量；
ids为同步坐标系下，定子电流的d轴分量；
iqs为同步坐标系下，定子电流的q轴分量；
idr为同步坐标系下，转子电流的d轴分量；
iqr为同步坐标系下，转子电流的q轴分量。
在同步坐标系下，定子瞬时输出有功功率和瞬时输出无功功率为：
上述公式(16)和(17)用定子磁链和转子电流可以表示为：
选择定子瞬时输出功率作为状态变量，这样就可以将以定子磁链矢量和转子电流矢量为状态变量的双馈电机方程转化到以定子有功功率和定子无功功率为状态变量的双馈电机方程。定子有功功率和定子无功功率为标量，从而可以对双馈电机进行多标量控制。
对上述公式(18)求导，得：
对上述公式(19)求导，得：
其中：
us＝uds 2+uqs 2。
获得上述公式(20)和(21)的原则是尽量采用定子电压、定子磁链作为参变量，这样非线性反馈项在电网电压稳定时大部分反馈量也为稳定值。
令：
则上述公式(20)和(21)可以表示为：
令：
则可得：
需要输出到电机转子的转子电压可以根据功率调节器输出和非线性反馈项求得。
有功系统中令：
令：
s1′＝Kpps+s1； (31)
则以s1'作为输入：
受控对象传递函数Gp'(s)为：
设有功功率调节器的传递函数为Cp(s)，则闭环系统控制框图如图3所示，系统闭环传递函数Hp'(s)为：
令：
v1＝s1+w1； (37)
v2＝s2+w2； (38)
此时有功系统的系统方程为：
取单边拉普拉斯变换，整理得：
可见，定子输出有功功率Ps(s)由两部分决定，一部分由V1(s)决定，一部分由W1(s)决定。双馈电机对定子有功功率的传递函数Gp(s)为：
由此，可以构建图4所示的定子有功功率的控制环路。非线性反馈项W1(s)对定子输出有功功率Ps(s)的影响Pw1(s)为：
Pw1(s)=(W1(s)-Pw1(s)Cp(s)-KpPw1(s))Gp(s)； (42)
闭环传递函数Hw1(s)为：
因此，可以由反馈环节KP来设定闭环传递函数的极点，使定子有功功率控制环路稳定。
同理，可以构建图5所示的定子无功功率的控制环路，其中：
为定子给定无功功率；
Qs(s)为定子输出无功功率；
W2(s)为非线性反馈项；
Cq(s)为无功功率调节器；
Gq(s)为双馈电机对定子无功功率的传递函数；
Kq为无功功率状态反馈环节。
闭环传递函数Hw2(s)为：
即较佳的，在上述图2所示的双馈电机的控制系统的基础上，还可以包括：
状态反馈环节，用于确定双馈电机的转子电压之前，根据功率计算单元确定的定子瞬时输出功率，确定状态反馈信号；此时，该电机控制信号，具体包括非线性反馈项计算单元确定的非线性反馈项、功率调节器确定的定子功率调节信号和状态反馈环节确定的状态反馈信号。
进一步的，在本发明实施例中，该状态反馈环节具体可以为线性反馈环节。在本发明的其它实施例中，该状态反馈环节也可以不为线性反馈环节。该状态反馈环节的具体形式可以根据实际应用场景进行确定。
通过增加状态反馈环节，可以对非线性反馈项进行镇定，能够进一步提高功率控制环路的稳定性。
在本发明一具体实施例中，功率计算单元201，具体可以基于上述公式(16)和(17)确定同步坐标系下双馈电机的定子瞬时输出功率。
非线性反馈项计算单元202，具体可以采用现有技术的各种方法确定非线性反馈项，较佳的，可以采用本发明实施例提出的基于上述公式(35)和(36)确定非线性反馈项，相比于现有技术的非线性反馈项确定方法更为简单。
上述公式(35)和(36)中的电机定子磁链具体可以基于下述公式计算得到：
λds＝Lsids+Lmidr；
λqs＝Lsiqs+Lmiqr。
在大功率的双馈电机中，电机定子等效电阻一般较小，此时可以忽略电机定子电阻，基于下述公式估算电机定子磁链：
忽略电机定子电阻估算电机定子磁链的方法在大功率双馈电机上使用时可以满足精度需求，并且避免了在电机工作过程中电机参数变化带来的磁链计算不准确的问题。
功率调节器203，具体可以为PI调节器，PI参数值可以按照经典的自控系统设计方法，根据系统需求进行设定。
转子电压计算单元204，具体可以基于上述公式(28)和(29)确定双馈电机的转子电压。
实际实施时，可以构建双馈电机的控制系统如图6所示，根据通常的PLL锁相环方法，获取电网电压的相位和角频率ω，即定子电压的相位和角频率；由电机码盘和通常的电机位置测量方法，获取电机转子的相位和角频率ωr。选择同步坐标系，获取电机定子电压定子电流进行等幅dq变换，获得电机定子电压、定子电流在同步坐标系下的标量值；并获取电机转子电流进行等幅dq变换，获得电机转子电流在同步坐标系下的标量值。
转子电压计算单元计算得到的转子电压经过逆dq变换，输出到逆变电路。这时可以采用SVPWM方法对电压进行调制，输出到电机转子。
图中，有功功率状态反馈环节可以根据上述公式（43）进行设定，无功功率状态反馈环节可以根据上述公式（45）进行设定，使闭环传递函数截止频率在设定频率点上。
可见，采用本发明实施例提供的双馈电机控制系统，坐标系选取为同步坐标系，在同步坐标系下对双馈电机进行多标量控制；并且增加状态反馈环节，保证了功率控制环路的稳定性；相比于现有技术，非线性反馈项的计算方法也较为简单。
相应的，本发明实施例还提供了一种双馈电机的控制方法，如图7所示，包括：
步骤701、根据同步坐标系下双馈电机的定子电压和定子电流，确定双馈电机的定子瞬时输出功率；以及根据同步坐标系下双馈电机的定子电压、定子电流、转子机械角频率和电机参数，确定非线性反馈项；
步骤702、根据同步坐标系下双馈电机的定子给定功率和该定子瞬时输出功率，确定定子功率调节信号；
步骤703、根据同步坐标系下双馈电机的电机控制信号，确定双馈电机的转子电压；该电机控制信号，包括该非线性反馈项和该定子功率调节信号。
较佳的，确定双馈电机的转子电压之前，还包括：
根据该定子瞬时输出功率，确定状态反馈信号；
该电机控制信号，具体包括该非线性反馈项、该定子功率调节信号和该状态反馈信号。
进一步的，具体采用下述公式确定非线性反馈项：
us＝uds 2+uqs 2；
其中，w1为定子有功功率对应的非线性反馈项；
w2为定子无功功率对应的非线性反馈项；
ps为定子瞬时输出有功功率；
qs为定子瞬时输出无功功率；
uds为同步坐标系下，定子电压的d轴分量；
uqs为同步坐标系下，定子电压的q轴分量；
λds为同步坐标系下，定子磁链的d轴分量；
λqs为同步坐标系下，定子磁链的q轴分量；
ω为电网电压角频率；
ωr为转子机械角频率；
Rr为转子等效电阻；
Ls为定子等效电感；
Lr为转子等效电感；
Lm为激磁电感。
进一步的，具体采用下述公式计算定子磁链：
进一步的，具体采用下述公式确定双馈电机的转子电压：
us＝uds 2+uqs 2；
其中，udr为同步坐标系下，转子电压的d轴分量；
uqr为同步坐标系下，转子电压的q轴分量；
uds为同步坐标系下，定子电压的d轴分量；
uqs为同步坐标系下，定子电压的q轴分量；
v1为定子有功功率对应的电机控制信号；
v2为定子无功功率对应的电机控制信号；
Ls为定子等效电感；
Lr为转子等效电感；
Lm为激磁电感。
综上所述，采用本发明提供的方案，能够提高双馈电机定子功率控制环路的稳定性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种双馈电机的控制系统，其特征在于，包括：
功率计算单元，用于根据同步坐标系下双馈电机的定子电压和定子电流，确定双馈电机的定子瞬时输出功率；
非线性反馈项计算单元，用于根据同步坐标系下双馈电机的定子电压、定子电流、转子机械角频率和电机参数，确定非线性反馈项；
功率调节器，用于根据同步坐标系下双馈电机的定子给定功率和所述功率计算单元确定的定子瞬时输出功率，确定定子功率调节信号；
转子电压计算单元，用于根据同步坐标系下双馈电机的电机控制信号，确定双馈电机的转子电压；
状态反馈环节，用于确定双馈电机的转子电压之前，根据所述功率计算单元确定的定子瞬时输出功率，确定状态反馈信号；
所述电机控制信号，具体包括所述非线性反馈项计算单元确定的非线性反馈项、所述功率调节器确定的定子功率调节信号和所述状态反馈环节确定的状态反馈信号。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述状态反馈环节具体为线性反馈环节。
3.如权利要求1-2任一所述的系统，其特征在于，所述非线性反馈项计算单元，具体采用下述公式确定非线性反馈项：
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us＝uds 2+uqs 2；
其中，w1为定子有功功率对应的非线性反馈项；
w2为定子无功功率对应的非线性反馈项；
ps为定子瞬时输出有功功率；
qs为定子瞬时输出无功功率；
uds为同步坐标系下，定子电压的d轴分量；
uqs为同步坐标系下，定子电压的q轴分量；
λds为同步坐标系下，定子磁链的d轴分量；
λqs为同步坐标系下，定子磁链的q轴分量；
ω为电网电压角频率；
ωr为转子机械角频率；
Rr为转子等效电阻；
Ls为定子等效电感；
Lr为转子等效电感；
Lm为激磁电感。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述非线性反馈项计算单元，具体采用下述公式计算定子磁链：
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5.如权利要求1-2任一所述的系统，其特征在于，所述转子电压计算单元，具体采用下述公式确定双馈电机的转子电压：
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us＝uds 2+uqs 2；
其中，udr为同步坐标系下，转子电压的d轴分量；
uqr为同步坐标系下，转子电压的q轴分量；
uds为同步坐标系下，定子电压的d轴分量；
uqs为同步坐标系下，定子电压的q轴分量；
v1为定子有功功率对应的电机控制信号；
v2为定子无功功率对应的电机控制信号；
Ls为定子等效电感；
Lr为转子等效电感；
Lm为激磁电感。
6.一种双馈电机的控制方法，其特征在于，包括：
根据同步坐标系下双馈电机的定子电压和定子电流，确定双馈电机的定子瞬时输出功率；以及根据同步坐标系下双馈电机的定子电压、定子电流、转子机械角频率和电机参数，确定非线性反馈项；
根据同步坐标系下双馈电机的定子给定功率和所述定子瞬时输出功率，确定定子功率调节信号；
根据同步坐标系下双馈电机的电机控制信号，确定双馈电机的转子电压；
其中，在确定双馈电机的转子电压之前，还包括：
根据所述定子瞬时输出功率，确定状态反馈信号；
所述电机控制信号，具体包括所述非线性反馈项、所述定子功率调节信号和所述状态反馈信号。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，具体采用下述公式确定非线性反馈项：
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us＝uds 2+uqs 2；
其中，w1为定子有功功率对应的非线性反馈项；
w2为定子无功功率对应的非线性反馈项；
ps为定子瞬时输出有功功率；
qs为定子瞬时输出无功功率；
uds为同步坐标系下，定子电压的d轴分量；
uqs为同步坐标系下，定子电压的q轴分量；
λds为同步坐标系下，定子磁链的d轴分量；
λqs为同步坐标系下，定子磁链的q轴分量；
ω为电网电压角频率；
ωr为转子机械角频率；
Rr为转子等效电阻；
Ls为定子等效电感；
Lr为转子等效电感；
Lm为激磁电感。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，具体采用下述公式计算定子磁链：
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9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，具体采用下述公式确定双馈电机的转子电压：
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us＝uds 2+uqs 2；
其中，udr为同步坐标系下，转子电压的d轴分量；
uqr为同步坐标系下，转子电压的q轴分量；
uds为同步坐标系下，定子电压的d轴分量；
uqs为同步坐标系下，定子电压的q轴分量；
v1为定子有功功率对应的电机控制信号；
v2为定子无功功率对应的电机控制信号；
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| CN102386832B (zh) * | 2011-11-21 | 2014-06-25 | 南车株洲电力机车研究所有限公司 | 基于等价补偿自抗扰的发电机转子电流控制方法及系统 |
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- 2014-04-11 CN CN201410146299.1A patent/CN104980075B/zh active Active
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