CN106329577A - 无刷双馈电机的并网控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无刷双馈电机的并网控制系统，所述无刷双馈电机包括功率绕组和控制绕组，并网控制系统包括幅值控制模块、相位控制模块、PWM调制器、逆变器以及控制模块。上述无刷双馈电机的并网控制系统可以确保无刷双馈电机并网前后的输出电压幅值和相位始终能够跟踪电网侧电压幅值和相位，成功抑制了并网切换前后功率绕组中的电流冲击，实现切换过程的平滑过渡。

Description

无刷双馈电机的并网控制系统

技术领域

本发明涉及无刷双馈电机技术领域，特别是涉及一种无刷双馈电机的并网控制系统。

背景技术

传统的无刷双馈电机并网过程中，其功率绕组的输出电压的复制和相位不能快速准确跟踪电网侧电压，从而使得并网前后的切换过程中，无刷双馈电机的功率绕组中存在电流冲击。

发明内容

基于此，有必要提供一种并网切换过程中不会产生电流冲击的无刷双馈电机的并网控制系统。

一种无刷双馈电机的并网控制系统，所述无刷双馈电机包括功率绕组和控制绕组，并网控制系统包括幅值控制模块、相位控制模块、PWM调制器、逆变器以及控制模块；所述幅值控制模块用于根据电网侧电压矢量模值和功率绕组侧电压矢量模值生成无功指令电流，并根据所述无功指令电流和所述控制绕组侧的无功反馈电流生成无功指令电压；所述相位控制模块用于根据电网侧电压相位、功率绕组侧电压相位计算出初始位置补偿值，并在所述无刷双馈电机并网后保持所述初始位置补偿值的输出；所述相位控制模块还用于根据所述初始位置补偿值、所述电网侧电压相位和所述无刷双馈电机的转子频率生成相位控制指令；所述PWM调制器分别与所述幅值控制模块、所述相位控制模块连接，用于根据所述无功指令电压和所述相位控制指令生成开关指令；逆变器，与所述PWM调制器连接，用于在所述开关指令的控制下工作以实现对所述无刷双馈电机的功率绕组侧电压的幅值和相位的控制；以及控制模块，用于在所述功率绕组侧电压与所述电网侧电压的幅值和相位均保持在预设误差范围内时，控制所述无刷双馈电机与电网连接。

在其中一个实施例中，所述幅值控制电路包括：功率绕组侧电压矢量模值获取单元，用于获取功率绕组侧电压矢量模值；电网侧电压矢量模值获取单元，用于获取电网侧电压矢量模值；电压外环控制器，分别与所述功率绕组侧电压矢量模值获取单元、所述电网侧电压矢量模值获取单元连接，用于将所述电网侧电压矢量模值和所述功率绕组侧电压矢量模值进行比较调节并输出无功指令电流；控制绕组侧电流检测单元，用于检测所述控制绕组侧三相电流并经过坐标转换后输出无功反馈电流；以及电流内环控制器，分别与所述电压外环控制器、所述控制绕组侧电流检测单元连接，用于将所述无功指令电流和所述无功反馈电流进行比较调节，并输出无功指令电压。

在其中一个实施例中，所述电压外环控制器包括顺次连接的第一减法器和第一PI调节器；所述第一减法器用于将所述电网侧电压矢量模值和所述功率绕组侧电压矢量模值进行比较并输出模值比较结果给所述第一PI调节器；所述第一PI调节器用于对所述模值比较结果进行调节并输出所述无功指令电流。

在其中一个实施例中，还包括功率调节模块；所述功率调节模块与所述电流内环控制器连接；所述功率调节模块用于功率给定值与电网侧功率进行比较调节后生成功率调节指令电流；所述控制模块用于在所述无刷双馈电机并网预设时长后控制所述功率调节模块将所述功率调节指令电流输出给所述电流内环控制器；所述电流内环控制器还用于根据所述功率调节指令电流和功率绕组侧的有功反馈电流生成有功指令电压；所述PWM调制器用于根据所述无功指令电压、所述有功指令电压和所述相位控制指令生成开关指令。

在其中一个实施例中，所述功率调节模块包括功率计算单元、比较单元、第二PI调节器和功率控制切换单元；所述功率计算单元用于计算所述电网侧功率并输出给所述比较单元；所述比较单元用于将所述功率给定值与所述电网侧功率比较并输出功率比较结果；所述第二PI调节器则用于对所述输出功率比较结果进行调节，并输出功率调节指令电流；所述功率控制切换单元的第一触点为置零端；所述功率控制切换单元第二触点与所述第二PI调节器连接；所述功率控制切换单元的输出端与所述电流内环控制器的输入端连接；所述控制模块用于控制所述功率控制切换单元在所述无刷双馈电机并网前接通所述第一触点，并在所述无刷双馈电机并网预设时长后断开所述第一触点且接通所述第二触点。

在其中一个实施例中，所述电流内环控制器包括d轴电流内环控制器和q轴电流内环控制器；所述控制绕组侧电流检测单元还用于输出有功反馈电流；所述q轴电流内环控制器用于根据所述功率调节模块的输出信号、所述无功指令电流和所述无功反馈电流进行比较调节，并输出无功指令电压；所述d轴电流内环控制器用于将所述功率调节模块的输出信号和所述有功反馈电流进行比较调节，并输出有功指令电压；所述PWM调制器用于根据所述有功指令电压和所述无功指令电压生成开关指令。

在其中一个实施例中，所述控制绕组侧电流检测单元包括三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换单元；所述三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换单元用于将控制绕组侧三相电流转换为d轴电流和q轴电流后输出；所述d轴电流为有功反馈电流；所述q轴电流为无功反馈电流；所述q轴电流内环控制器包括顺次连接的第二q轴加法器、第二q轴减法器和第三q轴PI调节器；所述第二q轴加法器的第一输入端与所述功率切换模块的输出端连接；所述第二q轴加法器的第二输入端与所述第一PI调节器的输出端连接；所述第二q轴减法器的第一输入端与所述第二q轴加法器的输出端连接；所述第二q轴减法器的第二输入端与所述三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换单元的q轴电流输出端连接；所述第二q轴减法器的输出端与所述第三q轴PI调节器的输入端连接；所述第三q轴PI调节器的输出端与所述PWM调制器连接；所述d轴电流内环控制器包括顺次连接的第二d轴减法器和第三d轴PI调节器；所述第二d轴减法器的第一输入端与所述功率切换模块的输出端连接；所述第二d轴减法器的第二输入端与所述三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换单元的d轴电流输出端连接；所述第二d轴减法器的输出端通过所述第三d轴PI调节器与所述PWM调制器连接。

在其中一个实施例中，所述相位控制模块包括：电网侧电压相位检测单元，用于检测电网侧电压相位；功率绕组侧电压相位检测单元，用于检测所述功率绕组侧电压相位；相位补偿控制器，分别与所述电网侧电压相位检测单元、所述功率绕组侧电压相位检测单元连接，用于在所述无刷双馈电机并网前将所述电网侧电压相位与所述功率绕组侧电压相位进行比较调节并输出初始位置补偿值；所述相位补偿器还用于在所述无刷双馈电机并网后保持输出所述初始位置补偿值；转子频率检测单元，用于检测转子频率；相位环控制器，分别与所述相位补偿控制器、所述转子频率检测单元和所述电网侧电压相位检测单元连接，用于根据所述转子频率、所述初始位置补偿值和所述电网侧电压相位生成所述相位控制指令。

在其中一个实施例中，所述相位补偿器包括并网切换模块、第三减法器和第四PI调节器；所述并网切换模块的第一触点与所述电网侧电压检测单元连接；所述并网切换模块的第二触点与所述功率绕组侧电压相位检测单元连接；所述并网切换模块的输出端与所述第三减法器的第二输入端连接；所述控制模块用于控制所述并网切换模块在所述无刷双馈电机并网前接通第二触点，并在并网时断开所述第二触点且接通所述第一触点；第三减法器的第一输入端与所述电网侧电压检测单元连接；所述第三减法器的输出端与所述第四PI调节器的输入端连接；所述第四PI调节器的输出端与所述相位环控制器连接。

在其中一个实施例中，所述相位环控制器包括第四减法器、第五减法器和积分器；所述第四减法器的第一输入端与所述第四PI调节器连接；所述第四减法器的第二输入端与所述第五减法器的输出端连接；所述第四减法器的输出端与所述PWM调制器连接；所述第五减法器的第一输入端与所述电网侧电压相位检测单元连接；所述第五减法器的第二输入端与所述积分器的输出端连接；所述积分器的输入端与转子频率检测单元连接。

上述无刷双馈电机的并网控制系统，幅值控制模块可以根据功率绕组侧电压矢量模值、电网侧电压矢量模值以及控制绕组测的无功反馈电流得到无功指令电压以对无刷双馈电机的功率绕组的输出电压模值进行调节。相位控制模块则可以根据电网侧电压相位、功率绕组侧电压相位计算出初始位置补偿值，并在无刷双馈电机并网后保持该初始位置补偿值的输出。相位控制模块还用于根据初始位置补偿值、电网侧电压相位和无刷双馈电机的转子频率生成相位控制指令。因此，PWM调制器可以根据产生的无功指令电压和相位控制指令对逆变器进行控制，以实现对无刷双馈电机的功率绕组的输出电压的幅值和相位的控制。控制模块在功率绕组侧电压的幅值和相位与电网侧电压的幅值和相位均保持在预设误差范围内时，控制无刷双馈电机与电网连接。并且，并网后，相位控制模块生成的初始位置补偿值不变，从而使得并网后功率绕组侧电压相位不会发生突变。同时，由于并网时无刷双馈电机并未输出功率，从而使得无功指令电流也不会发生突变，进而确保并网前后无刷双馈电机的输出电压幅值和相位始终能够跟踪电网侧电压幅值和相位，成功抑制了并网切换前后功率绕组中的电流冲击，实现切换过程的平滑过渡。

附图说明

图1为一实施例中的无刷双馈电机的并网控制系统的结构框图；

图2为一实施例中的幅值控制模块的结构示意图；

图3为一实施例中的相位控制模块的结构示意图；

图4为一具体实施例中的无刷双馈电机的并网控制系统的结构框图；

图5为采用本实施例中的并网控制系统后的无刷双馈电机在并网前后的电压电流实验波形；

图6为并网切换后，无刷双馈电机稳定输出8kW有功功率、6kVar无功功率时的电压电流实验波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为该实施例中的无刷双馈电机的并网控制系统的结构框图。该无刷双馈电机的并网控制系统用于对无刷双馈电机10进行并网控制。无刷双馈电机10通过断路器20与电网30连接。该无刷双馈电机10包括功率绕组和控制绕组。参见图1，该并网控制系统包括幅值控制模块110、相位控制模块120、PWM调制器130、逆变器140以及控制模块(图中未示)。控制模块用于对整个并网控制系统的工作过程进行控制。

幅值控制模块110用于根据电网侧电压矢量模值、功率绕组侧电压矢量模值生成无功指令电流，并根据该无功指令电流和控制绕组侧无功反馈电流生成无功指令电压。该无功指令电压用于对无刷双馈电机的功率绕组的输出电压模值进行控制。图2为一实施例中的幅值控制模块110的结构示意图。该幅值控制模块110包括功率绕组侧电压矢量模值获取单元210、电网侧电压矢量模值获取单元220、电压外环控制器230、控制绕组侧电流检测单元240以及电流内环控制器250。功率绕组侧电压矢量模值获取单元210用于获取功率绕组侧电压矢量模值。电网侧电压矢量模值获取单元220则用于获取电网侧电压矢量模值。电压外环控制器230分别与电网侧电压矢量模值获取单元220、功率绕组侧电压矢量模值获取单元210连接。电压外环控制器230用于对电网侧电压矢量模值和功率绕组侧电压矢量模值进行做差比较调节后生成无功指令电流。控制绕组侧电流检测单元240则用于对控制绕组侧的三相电流进行检测并经过坐标转换后输出无功反馈电流给电流内环控制器250。电流内环控制器250分别与控制绕组侧电流检测单元240和电压外环控制器230连接。电流内环控制器250用于将无功指令电流和无功反馈电流进行做差比较调节后输出无功指令电压。

在本实施例中，上述无刷双馈电机的并网控制系统还包括功率调节模块150。功率调节模块150与电流内环控制器250连接。功率调节模块150用于将功率给定值与电网侧功率进行比较调节后生成功率调节指令电流。控制模块用于在无刷双馈电机并网预设时长后控制功率调节模块150将功率调节指令电流输出给电流内环控制器250。此时，控制绕组侧电流检测单元240还用于输出有功反馈电流。电流内环控制器250则用于对该功率调节指令电流和有功反馈电流计算得到有功指令电压，并根据功率调节指令电流、无功指令电流和无功反馈电流计算得无功指令电压后将该无功指令电压和有功指令电压输出给PWM调制器130，以对并网后的无刷双馈电机的功率绕组输出电压以及功率进行控制，使得其能够迅速跟踪电网侧电压。

相位控制模块120用于根据电网侧电压相位、功率绕组侧电压相位计算出初始位置补偿值，并在无刷双馈电机并网后保持该初始位置补偿值的输出。相位控制模块120还用于根据该初始位置补偿值、电网侧电压相位和无刷双馈电机的转子频率生成相位控制指令。该相位控制指令用于对无刷双馈电机的功率绕组的输出电压相位进行控制。具体地，相位控制模块120的结构如图3所示。参见图3，该相位控制模块120包括电网侧电压相位检测单元310、功率绕组侧电压相位检测单元320、相位补偿控制器330、转子频率检测单元340以及相位环控制器350。其中，电网侧电压相位检测单元310用于对电网侧电压相位进行检测。功率绕组侧电压相位检测单元320用于检测功率绕组侧电压相位。相位补偿控制器330分别与电网侧电压相位检测单元310和功率绕组侧电压相位检测单元320连接。相位补偿控制器330用于在并网前将电网侧电压相位和功率绕组侧电压相位进行做差比较调节，并生成初始位置补偿值。相位补偿控制器330还用于在无刷双馈电机并网后保持该初始位置补偿值的输出，以继续对相位控制指令进行校正补偿。转子频率检测单元340用于检测无刷双馈电机的转子频率。相位环控制器350分别与电网侧电压相位检测单元310、相位补偿控制器330和转子频率检测单元340连接。相位环控制器350用于根据转子频率、该初始位置补偿值以及电网侧电压相位生成相位控制指令。

PWM调制器130分别与幅值控制模块110和相位控制模块120连接。PWM调制器采用空间矢量控制方法，将无功指令电压、有功指令电压和相位控制指令合成开关指令。该开关指令用于对逆变器140中的电力半导体器件的导通占空比进行调节，从而使得逆变器140实现对无刷双馈电机的功率绕组的输出电压相位和幅值进行控制，完成对无刷双馈电机的驱动。

控制模块用于在功率绕组侧电压的幅值和相位均与电网侧电压的幅值和相位保持在预设误差范围内时，控制无刷双馈电机与电网连接。

上述无刷双馈电机的并网控制系统，幅值控制模块110可以根据功率绕组侧电压矢量模值、电网侧电压矢量模值以及控制绕组测的无功反馈电流得到无功指令电压以对无刷双馈电机的功率绕组的输出电压模值进行调节。相位控制模块120则可以根据电网侧电压相位、功率绕组侧电压相位计算出初始位置补偿值，并在无刷双馈电机并网后保持该初始位置补偿值的输出。相位控制模块120还用于根据初始位置补偿值、电网侧电压相位和无刷双馈电机的转子频率生成相位控制指令。因此，PWM调制器130可以根据产生的无功指令电压和相位控制指令对逆变器140进行控制，以实现对无刷双馈电机的功率绕组的输出电压的幅值和相位的控制。控制模块在功率绕组侧电压的幅值和相位与电网侧电压的幅值和相位均保持在预设误差范围内时，控制无刷双馈电机与电网连接。并且，并网后，相位控制模块120生成的初始位置补偿值不变，从而使得并网后功率绕组侧电压相位不会发生突变。同时，由于并网时无刷双馈电机并未输出功率，从而使得无功指令电流也不会发生突变，进而确保并网前后无刷双馈电机的输出电压幅值和相位始终能够跟踪电网侧电压幅值和相位，成功抑制了并网切换前后功率绕组中的电流冲击，实现切换过程的平滑过渡。

图4为一具体实施例中的无刷双馈电机的并网控制系统的结构框图。在本实施例中，功率绕组侧电压矢量模值获取单元包括三相静止坐标系到两相静止坐标系变换单元(3s/2s变换单元)402和模值计算单元404。其中，3s/2s变换单元402用于将功率绕组侧的三相电压u_pa、u_pb、u_pc经过abc/αβ变换后得到u_pα、u_pβ并输出至模值计算单元404。模值计算单元404对u_pα、u_pβ的平方和进行开方得到电压矢量u_p的模值|u_p|。电网侧电压矢量模值获取单元同样包括3s/2s变换单元406和模值计算单元408。电网侧电压矢量模值获取单元的工作原理与功率绕组侧电压矢量模值获取单元相同，不再重复介绍。电网侧电压矢量模值获取单元可以得到电压矢量u_g的模值|u_g|。由于|u_g|是恒定值，可用PI控制器实现u_p对u_g的无静差跟踪。

电压外环控制器包括顺次连接的第一减法器410和第一PI调节器412。第一减法器410的第一输入端与模值计算单元404的输出端连接，第二输入端则与模值计算单元408连接。第一减法器410用于对电网侧电压矢量模值|u_g|和功率绕组侧电压矢量模值|u_p|进行比较并输出模值比较结果给第一PI调节器412。第一PI调节器412用于对模值比较结果进行比例积分调节后生成无功指令电流。

功率调节模块则包括功率计算单元414、比较单元416、第二PI调节器418以及功率控制切换单元420。其中，功率计算单元414用于对电网侧功率也即电机注入电网的瞬时功率进行计算。比较单元416用于将电网侧功率和功率给定值进行比较并输出功率比较结果给第二PI调节器418。第二PI调节器418用于对功率比较结果进行积分比例调节后生成功率调制指令电流。功率控制切换单元420的第一触点为置零端，第二触点与第二PI调节器418的输出端连接。功率控制切换单元420的输出端与电流内环控制器连接。无刷双馈电机并网后注入电网的功率包括瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q，因此功率调节模块包括无功调节支路和有功调节支路。具体地，功率计算单元414可以根据电网侧电压u_gabc和电流i_gabc计算出电机注入电网的瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q。比较单元416将计算得到的瞬时有功功率P与有功功率给定值P^*进行比较，并将瞬时无功功率Q与无功功率给定值Q^*进行比较后输出相应的比较结果。有功功率给定值P^*和无功功率给定值Q^*可以由上位机通过通讯端口进行设置。第二PI调节器418分别对两个功率输出结果进行比例积分调节后生成相应的功率调节指令电流功率控制切换单元420则分别对两路功率调节指令电流的输出进行控制。

控制绕组侧电流检测单元包括三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换单元(abc/dq变换单元)422。abc/dq变换单元422用于将无刷双馈电机的控制绕组侧三相电流i_cabc进行坐标转换生成d轴电流i_cd(即有功反馈电流)和q轴电流i_cq(即无功反馈电流)后分别输出给电流内环控制器。

电流内环控制器包括d轴电流内环控制器和q轴电流内环控制器。其中，q轴电流内环控制器用于根据功率调节模块的输出信号无功指令电流和无功反馈电流i_cq进行比较调节后输出无功指令电压d轴电流内环控制器则用于根据功率调节模块的输出信号和有功反馈电流i_cd进行比较调节后输出有功指令电压具体地，d轴电流内环控制器包括顺次连接的第二d轴减法器424和第三d轴PI调节器426。第二d轴减法器424的第一输入端与功率控制切换单元420的输出端连接。第二d轴减法器424的第二输入端与abc/dq变换单元422的d轴电流输出端连接。第二d轴减法器424的输出端与第三d轴PI调节器426的输入端连接。第三d轴PI调节器426的输出端与PWM调制器500连接。第二d轴减法器424用于将功率控制切换单元420的输出信号与d轴电流i_cd进行比较后输出比较结果。该比较结果经过第三d轴PI调节器426的调节后生成有功指令电压给PWM调制器500。q轴电流内环控制器包括第二q轴加法器428、第二q轴减法器430和第三q轴PI调节器432。第二q轴加法器428的第一输入端与功率控制切换单元420的输出端连接，第二输入端则与第一PI调节器412的输出端连接。第二q轴减法器430的第一输入端与第二q轴加法器428的输出端连接。第二q轴减法器430的第二输入端与abc/dq变换单元422的q轴电流输入端连接。第二q轴减法器430的输出端与第三q轴PI调节器432连接。第二q轴加法器428用于将功率控制切换单元420的输出信号和无功指令电流i_cq进行求和得到无功指令电流后输出给第二q轴减法器430。第二q轴减法器430用于将该无功指令电流和q轴电流i_cq进行比较后输出给第三q轴PI调节器432进行调节后生成无功指令电压给PWM调制器500。

在本实施例中，电网侧电压相位检测单元为锁相环(PLL)602。锁相环602可以直接计算出电网侧电压相位θ_g。功率绕组侧电压相位检测单元为锁相环604，以获得功率绕组侧电压相位θ_p。相位补偿控制器包括第三减法器606、并网切换模块608和第四PI调节器610。其中，第三减法器606的第一输入端与锁相环602的输出端连接。第三减法器606的第二输入端则与并网切换模块608的输出端连接。并网切换模块608的第一触点与锁相环602连接，第二触点则与锁相环604连接。并网切换模块608由控制模块进行控制。具体地，在并网前，控制模块控制并网切换模块608接通第二触点，断开第一触点，并在并网时断开第二触点且接通第一触点。因此，第三减法器606在并网前可以将电网侧电压相位θ_g和功率绕组侧电压相位θ_p进行比较后输出相位比较结果给第四PI调节器610，从而通过第四PI调节器610的调节后稳定生成初始位置补偿值[-(p_p+p_c)θ_r0]。第三减法器608在并网时，由于两个输入端均是电网侧电压相位θ_g，也即其输入比较差为0，其输出同样为零。此时，第四PI调节器610保持该初始位置补偿值[-(p_p+p_c)θ_r0]不变，以对相位控制过程进行校正补偿。

转子频率检测单元包括速度传感器612。速度传感器612用于检测无刷双馈电机的转子频率ω_r。

相位环控制器包括第四减法器614、第五减法器616和积分器618。第四减法器614的第一输入端与第四PI调节器610的输出端连接。第四减法器614的第二输入端与第五减法器616的输出端连接。第四减法器614的输出端与PWM调制器500连接。第五减法器616的第一输入端与锁相环602的输出端连接。第五减法器616的第二输入端与积分器618的输出端连接。积分器618的输入端与速度传感器612的输出端连接。积分器618用于对转子频率ω_r进行积分后输出积分结果。第五减法器616则用于将该积分结果与电网侧电压相位θ_g进行比较后输出相比比较结果给第四减法器614。第四减法器614将相位比较结果与初始位置补偿值[-(p_p+p_c)θ_r0]进行比较后生成相位控制指令θ_c并输出给PWM调制器500。

PWM调制器500采用SVM调制方式。PWM调制器500用于根据接收到的相位控制指令θ_c、无功指令电压和有功指令电压生成相应的开关指令S_A、S_B、S_C输出给逆变器700。开关指令S_A、S_B、S_C用于对逆变器700中的电力半导体器件的导通占空比进行控制，从而对无刷双馈电机的输出电压相位和幅值进行控制。

上述无刷双馈电机的并网控制系统的工作过程具体如下：

1、并网前

在并网之前，无刷双馈电机与电网侧的断路器20断开。此时，无刷双馈电机的功率绕组与电网不相连。并网控制系统的控制目标是保持功率绕组电压和电网侧电压在相位和幅值上相等。在本实施例中，无刷双馈电机的数学模型包括电压方程和转矩方程。转矩方程如下：

$T_e=\frac{3}{2}{M}_p{p}_p(i_{pq}{i}_{rd}-i_{pd}{i}_{rq})+\frac{3}{2}{M}_c{p}_c(i_{cd}{i}_{rq}-i_{cq}{i}_{rd}).$

其电压方程如下：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{u}_{pd}\\ u_{pq}\\ u_{cd}\\ u_{cq}\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{R}_p& -{\mathrm{\ω}}_p{L}_{sp}& 0& 0& 0& -{\mathrm{\ω}}_p{M}_p\\ {\mathrm{\ω}}_p{L}_{sp}& R_p& 0& 0& {\mathrm{\ω}}_p{M}_p& 0\\ 0& 0& R_c& -{\mathrm{\δ}}_c{L}_{sc}& 0& -{\mathrm{\δ}}_c{M}_c\\ 0& 0& {\mathrm{\δ}}_c{L}_{sc}& R_c& {\mathrm{\δ}}_c{M}_c& 0\\ 0& -{\mathrm{\δ}}_r{M}_p& 0& -{\mathrm{\δ}}_r{M}_c& R_c& -{\mathrm{\δ}}_r{L}_{sr}\\ {\mathrm{\δ}}_r{M}_p& 0& {\mathrm{\δ}}_r{M}_c& 0& {\mathrm{\δ}}_r{L}_{sr}& R_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{pd}\\ i_{pq}\\ i_{cd}\\ i_{cd}\\ i_{rd}\\ i_{rq}\end{array}\right]\\ +\left[\begin{array}{cccccc}{L}_{sp}& 0& 0& 0& M_p& 0\\ 0& L_{sp}& 0& 0& 0& M_p\\ 0& 0& L_{sc}& 0& M_c& 0\\ 0& 0& 0& L_{sc}& 0& M_c\\ M_p& 0& M_c& 0& L_{sr}& 0\\ 0& M_p& 0& M_c& 0& L_{sr}\end{array}\right]\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{i}_{pd}\\ i_{pq}\\ i_{cd}\\ i_{cq}\\ i_{rd}\\ i_{rq}\end{array}\right]\end{array}$

其中，R_p、R_c和R_r分别为电机功率绕组、控制绕组和转子绕组的电阻；L_sp、L_sc和L_sr分别功率绕组、控制绕组和转子绕组的电感；M_p和M_c分别为功率绕组和控制绕组与转子绕组的互感；ω_p为功率绕组同步电气角频率；p_p和p_c为电机功率绕组和控制绕组的极对数；i_pd、i_pq、i_cd、i_cq、i_rd、i_rq分别为功率绕组、控制绕组和转子绕组电流的dq轴分量；u_pd、u_pq、u_cd、u_cq分别为功率绕组和控制绕组电压的dq轴分量；T_e为电机电磁转矩。δr和δc的表达式如下：

δ_r＝ω_p-p_pω_r δ_c＝ω_p-(p_p+p_c)ω_r。

在本实施例中，并网控制系统采用功率绕组电压定向的矢量控制策略，故有公式(1)所示的关系成立：

u_pd＝|U_s| u_pq＝0---------(1)

其中，U_s表示无刷双馈电机的定子电压。

根据无刷双馈电机的数学模型，忽略动态过程和电阻的影响，可以得到i_cd和i_cq的关系如公式(2)：

$i_{\mathrm{cd}}=0i_{cq}=\frac{L_{sr}\left|U_s\right|}{{\mathrm{\ω}}_p{M}_p{M}_c}------\left(2\right)$

因此，为满足并网时的电压幅值条件，采用比例积分(PI)控制器对u_p大小进行控制。具体地，控制模块控制并网切换模块608接通第二触点断开第一触点，并控制功率控制切换单元420接通第一触点并断开第二触点。此时，第一PI调节器412的输入端为电网侧电压的模值|u_g|和功率绕组侧电压的模值|u_p|。在绝大多数情况下，电网侧电压矢量模值|u_g|是一常数，且该矢量以固定的角速度ω_g旋转，采用基于空间矢量的电压闭环控制方法，能使功率绕组侧电压快速准确地跟踪电网侧电压，并可用PI控制器实现u_p对u_g的无静差跟踪。由于功率控制切换单元420的接通第一触点，因此其输入端为置零端，故功率控制模块的输出均为零。此时，第一PI调节器412的输出作为无功指令电流且d轴电流内环控制器中的无功指令电流为零。

在无刷双馈电机中有公式(3)所示的转速关系成立：

∫ω_pdt+∫ω_cdt＝∫(p_p+p_c)ω_rdt-----(3)

对公式(3)进行积分可以得到公式(4)：

${\mathrm{\θ}}_c=(p_p+p_c){\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_{r}dt+(p_p+p_c){\mathrm{\θ}}_{r0}-{\mathrm{\θ}}_g---\left(4\right)$

式中θ_r0是转子初始位置角。为了满足并网的相位条件，将功率绕组电压相位θ_p作为被控量，将控制绕组电压相位θ_c作为控制量，该值由逆变器700控制生成。θ_c指令按公式(4)计算得到，式中θg由锁相环602计算得出。控制绕组侧电压相位θ_c计算采用采用基于dq同步旋转坐标系的锁相环方法，该方法计算简单且时间延迟小。具体地，并网前，比较模块408将电网侧电压相位θ_g和功率绕组侧电压相位θ_p进行比较并将差值输入值第四PI调节器610进行调节，待第四PI调节器610稳定后，其输出值大小即为无刷双馈电机的转子初始位置补偿值[-(p_p+p_c)θ_r0]。因此，通过相位环控制器中的积分器618即可计算出相位控制指令θ_c。这种方法可准确实现转子初始位置角的自动补偿。

2、并网开始至预设时长内

控制模块在无刷双馈电机的功率绕组侧电压的相位和幅值均与电网保持在一定误差范围内以后，控制断路器20闭合，无刷双馈电机与电网连接。此时，控制模块控制并网切换模块608断开第二触点并接通第一触点，并保持功率切换控制单元420的状态不变。此时，第三减法器606的两个输入端相同，从而使得第四PI调节器610的输入端置零，其输出保持该初始位置补偿值不变，以继续对相位控制指令θ_c进行校正补偿。通过对并网切换模块608进行切换，可以确保相位补偿控制器在并网时输出恒定的补偿值对相位控制指令θ_c进行补偿，因此，并网过程中，相位控制指令θ_c不会发生突变。并且，由于并网时，功率绕组并未输出功率，且功率控制模块也未起作用，故电机并网前后，有功指令电压和无功指令电压均不会发生突变，进而使得切换过程不会出现电流冲击，可实现平滑过渡。

3、并网预设时长后

控制模块在无刷双馈电机的并网运行预设时长后，控制功率切换控制单元420断开第一触点并接通第二触点。无刷双馈电机转入功率控制模式。功率计算单元414可以通过测量电网侧电压u_gabc和电网侧电流i_gabc来计算功率绕组实际注入到电网的瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q。在电网侧电压定向下，瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q可以由公式(5)表示：

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{3}{2}\left|U_s\right|i_{pd}\\ Q=-\frac{3}{2}\left|U_s\right|i_{pq}\end{array}\right.---\left(5\right)$

在忽略动态过程和交叉耦合项后，i_pd和i_pq又分别与i_cd和i_cq相关，故通过控制i_cd和i_cq便可对P和Q进行控制。

图5为采用该并网控制系统后的无刷双馈电机在并网前后的电压电流实验波形。其中，1表示控制绕组电流，2表示功率绕组电压，3表示功率绕组电流，4表示电网侧电压。从图5中明显可以看出，并网切换前后不存在电流电压突变，能够实现电机的平滑过渡，且功率绕组电压跟踪电网侧电压的变化而变化，二者基本保持一致(2和4基本重合)。图6为并网切换后，无刷双馈电机稳定输出8kW有功功率、6kVar无功功率时的电压电流实验波形。其中，1表示控制绕组电流，2表示功率绕组电压，3表示功率绕组电流，4表示电网侧电压。从图6中也可以看出，并网后的无刷双馈电机功率绕组侧电压的幅值和相位都能快速准确的跟踪电网侧电压，二者基本保持一致(2和4基本重合)，能够有效抑制功率绕组内的电流冲击。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无刷双馈电机的并网控制系统，所述无刷双馈电机包括功率绕组和控制绕组，其特征在于，并网控制系统包括幅值控制模块、相位控制模块、PWM调制器、逆变器以及控制模块；

所述幅值控制模块用于根据电网侧电压矢量模值和功率绕组侧电压矢量模值生成无功指令电流，并根据所述无功指令电流和所述控制绕组侧的无功反馈电流生成无功指令电压；

所述相位控制模块用于根据电网侧电压相位、功率绕组侧电压相位计算出初始位置补偿值，并在所述无刷双馈电机并网后保持所述初始位置补偿值的输出；所述相位控制模块还用于根据所述初始位置补偿值、所述电网侧电压相位和所述无刷双馈电机的转子频率生成相位控制指令；

所述PWM调制器分别与所述幅值控制模块、所述相位控制模块连接，用于根据所述无功指令电压和所述相位控制指令生成开关指令；

逆变器，与所述PWM调制器连接，用于在所述开关指令的控制下工作以实现对所述无刷双馈电机的功率绕组侧电压的幅值和相位的控制；以及

控制模块，用于在所述功率绕组侧电压与所述电网侧电压的幅值和相位均保持在预设误差范围内时，控制所述无刷双馈电机与电网连接。

2.根据权利要求1所述的无刷双馈电机的并网控制系统，其特征在于，所述幅值控制电路包括：

功率绕组侧电压矢量模值获取单元，用于获取功率绕组侧电压矢量模值；

电网侧电压矢量模值获取单元，用于获取电网侧电压矢量模值；

电压外环控制器，分别与所述功率绕组侧电压矢量模值获取单元、所述电网侧电压矢量模值获取单元连接，用于将所述电网侧电压矢量模值和所述功率绕组侧电压矢量模值进行比较调节并输出无功指令电流；

控制绕组侧电流检测单元，用于检测所述控制绕组侧三相电流并经过坐标转换后输出无功反馈电流；以及

电流内环控制器，分别与所述电压外环控制器、所述控制绕组侧电流检测单元连接，用于将所述无功指令电流和所述无功反馈电流进行比较调节，并输出无功指令电压。

3.根据权利要求2所述的无刷双馈电机的并网控制系统，其特征在于，所述电压外环控制器包括顺次连接的第一减法器和第一PI调节器；所述第一减法器用于将所述电网侧电压矢量模值和所述功率绕组侧电压矢量模值进行比较并输出模值比较结果给所述第一PI调节器；所述第一PI调节器用于对所述模值比较结果进行调节并输出所述无功指令电流。

4.根据权利要求3所述的无刷双馈电机的并网控制系统，其特征在于，还包括功率调节模块；所述功率调节模块与所述电流内环控制器连接；所述功率调节模块用于功率给定值与电网侧功率进行比较调节后生成功率调节指令电流；所述控制模块用于在所述无刷双馈电机并网预设时长后控制所述功率调节模块将所述功率调节指令电流输出给所述电流内环控制器；所述电流内环控制器还用于根据所述功率调节指令电流和功率绕组侧的有功反馈电流生成有功指令电压；所述PWM调制器用于根据所述无功指令电压、所述有功指令电压和所述相位控制指令生成开关指令。

5.根据权利要求4所述的无刷双馈电机的并网控制系统，其特征在于，所述功率调节模块包括功率计算单元、比较单元、第二PI调节器和功率控制切换单元；所述功率计算单元用于计算所述电网侧功率并输出给所述比较单元；所述比较单元用于将所述功率给定值与所述电网侧功率比较并输出功率比较结果；所述第二PI调节器则用于对所述输出功率比较结果进行调节，并输出功率调节指令电流；所述功率控制切换单元的第一触点为置零端；所述功率控制切换单元第二触点与所述第二PI调节器连接；所述功率控制切换单元的输出端与所述电流内环控制器的输入端连接；所述控制模块用于控制所述功率控制切换单元在所述无刷双馈电机并网前接通所述第一触点，并在所述无刷双馈电机并网预设时长后断开所述第一触点且接通所述第二触点。

6.根据权利要求4所述的无刷双馈电机的并网控制系统，其特征在于，所述电流内环控制器包括d轴电流内环控制器和q轴电流内环控制器；所述控制绕组侧电流检测单元还用于输出有功反馈电流；所述q轴电流内环控制器用于根据所述功率调节模块的输出信号、所述无功指令电流和所述无功反馈电流进行比较调节，并输出无功指令电压；所述d轴电流内环控制器用于将所述功率调节模块的输出信号和所述有功反馈电流进行比较调节，并输出有功指令电压；所述PWM调制器用于根据所述有功指令电压和所述无功指令电压生成开关指令。

7.根据权利要求6所述的无刷双馈电机的并网控制系统，其特征在于，所述控制绕组侧电流检测单元包括三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换单元；所述三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换单元用于将控制绕组侧三相电流转换为d轴电流和q轴电流后输出；所述d轴电流为有功反馈电流；所述q轴电流为无功反馈电流；

所述q轴电流内环控制器包括顺次连接的第二q轴加法器、第二q轴减法器和第三q轴PI调节器；所述第二q轴加法器的第一输入端与所述功率切换模块的输出端连接；所述第二q轴加法器的第二输入端与所述第一PI调节器的输出端连接；所述第二q轴减法器的第一输入端与所述第二q轴加法器的输出端连接；所述第二q轴减法器的第二输入端与所述三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换单元的q轴电流输出端连接；所述第二q轴减法器的输出端与所述第三q轴PI调节器的输入端连接；所述第三q轴PI调节器的输出端与所述PWM调制器连接；

所述d轴电流内环控制器包括顺次连接的第二d轴减法器和第三d轴PI调节器；所述第二d轴减法器的第一输入端与所述功率切换模块的输出端连接；所述第二d轴减法器的第二输入端与所述三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换单元的d轴电流输出端连接；所述第二d轴减法器的输出端通过所述第三d轴PI调节器与所述PWM调制器连接。

8.根据权利要求1所述的无刷双馈电机的并网控制系统，其特征在于，所述相位控制模块包括：

电网侧电压相位检测单元，用于检测电网侧电压相位；

功率绕组侧电压相位检测单元，用于检测所述功率绕组侧电压相位；

相位补偿控制器，分别与所述电网侧电压相位检测单元、所述功率绕组侧电压相位检测单元连接，用于在所述无刷双馈电机并网前将所述电网侧电压相位与所述功率绕组侧电压相位进行比较调节并输出初始位置补偿值；所述相位补偿器还用于在所述无刷双馈电机并网后保持输出所述初始位置补偿值；

转子频率检测单元，用于检测转子频率；

相位环控制器，分别与所述相位补偿控制器、所述转子频率检测单元和所述电网侧电压相位检测单元连接，用于根据所述转子频率、所述初始位置补偿值和所述电网侧电压相位生成所述相位控制指令。

9.根据权利要求8所述的无刷双馈电机的并网控制系统，其特征在于，所述相位补偿器包括并网切换模块、第三减法器和第四PI调节器；所述并网切换模块的第一触点与所述电网侧电压检测单元连接；所述并网切换模块的第二触点与所述功率绕组侧电压相位检测单元连接；所述并网切换模块的输出端与所述第三减法器的第二输入端连接；所述控制模块用于控制所述并网切换模块在所述无刷双馈电机并网前接通第二触点，并在并网时断开所述第二触点且接通所述第一触点；第三减法器的第一输入端与所述电网侧电压检测单元连接；所述第三减法器的输出端与所述第四PI调节器的输入端连接；所述第四PI调节器的输出端与所述相位环控制器连接。

10.根据权利要求8所述的无刷双馈电机的并网控制系统，其特征在于，所述相位环控制器包括第四减法器、第五减法器和积分器；所述第四减法器的第一输入端与所述第四PI调节器连接；所述第四减法器的第二输入端与所述第五减法器的输出端连接；所述第四减法器的输出端与所述PWM调制器连接；所述第五减法器的第一输入端与所述电网侧电压相位检测单元连接；所述第五减法器的第二输入端与所述积分器的输出端连接；所述积分器的输入端与转子频率检测单元连接。