CN107231106A

CN107231106A - 一种减小转矩波动的双馈感应电机系统直接转矩控制器

Info

Publication number: CN107231106A
Application number: CN201710412255.2A
Authority: CN
Inventors: 邱键; 杭丽君; 李赟贵; 李振; 马肖男; 沈凯
Original assignee: Hangzhou Electronic Science and Technology University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University; Hangzhou Electronic Science and Technology University
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2017-05-23
Publication date: 2017-10-03

Abstract

本发明涉及一种减小转矩波动的双馈感应电机系统直接转矩控制器，属于电力电子与电机控制领域。本发明利用了一种新的逻辑判断方式，通过改变双馈电机控制系统中开关元件的开关状态，重新设计了一个新的开关状态表，使得磁通轨迹更接近圆形，从而大幅度减小了系统的转矩脉动、转子磁通和直流母线电压波动，提升了双馈风力发电系统的稳态特性，增加了风速变化时对电机转速的动态响应，也提升了系统的控制水平，提高了对风能的利用率。本发明控制方法简单，控制效果好，在实际工程中具有广泛的应用前景。

Description

一种减小转矩波动的双馈感应电机系统直接转矩控制器

技术领域

本发明涉及一种减小转矩波动的双馈感应电机系统直接转矩控制器，属于电力电子与电机控制领域。

背景技术

双馈感应电机(DFIG)是目前应用最为广泛的风力电机，由定子绕组直连定频三相电网的绕线型异步发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背电压源变流器组成，其控制方式多种多样，直接转矩控制就是其中的一种。

在20世纪80年代，德国学者Depenbrock提出了直接转矩控制，其思路是把电机和驱动变流器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过跟踪型PWM变流器的开关状态直接控制转矩。与矢量控制相比，它省掉了坐标变换与解耦，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。

虽然传统的直接转矩控制有众多优点，但它也有一定的缺陷。其最主要的问题就是低速时转矩脉动大。其主要原因是：由于转矩和磁链调节器采用滞环比较器，不可避免地造成了转矩脉动；在电动机运行一段时间之后，电机的温度升高，定子电阻的阻值发生变化，使定子磁链的估计精度降低，导致电磁转矩出现较大的脉动；变流器开关频率的高低也会影响转矩脉动的大小，开关频率越高转矩脉动越小，反之开关频率越低转矩脉动越大。

针对上述传统的直接转矩控制所存在的问题，本发明提出了一种减小转矩波动的双馈感应电机系统直接转矩控制器。它解决了传统的直接转矩控制中存在的一些问题，提升了双馈感应电机系统整体性能，具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提出一种减小转矩波动的双馈感应电机系统直接转矩控制器。它利用一种全新的逻辑判断方式，通过改变双馈电机控制系统中开关元件的开关状态，重新设计了一个新的开关状态表，使得磁通轨迹更接近圆形，从而大幅度减小了系统的转矩脉动、转子磁通和直流母线波动电压，提高了双馈感应电机系统的稳态特性，增加了电机转速的动态响应速度，从而提升了整个系统的性能，在风力发电系统中具有重要的应用价值。

附图说明

图1是双馈感应电机在风力发电中应用的系统结构图。

图2是双馈感应电机的直接转矩控制框图。

图3是本发明所提出的磁通矢量和电压矢量图。

图4是本发明所提出的开关元件开关状态图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明内容。目前双馈感应电机主要应用在风力发电系统中，图1即为基于双馈感应电机的风力发电系统拓扑结构图。其中双馈感应电机的定子绕组和电网直接相连，转子绕组和一个背靠背变流器组相连。图2为双馈感应电机中直接转矩控制的控制框图。直接转矩控制的原理是根据转子磁通、转矩误差和转子磁通扇区直接选择合适的转子电压矢量。从图2中可以看到，扭矩的参考值T_e ^*和转子磁通的参考值Ψ_r ^*分别与相应的估计值T_e与Ψ_r进行比较。T_e ^*来自于转子角速度参考值ω^*与实际角速度ω作差后再通过PI控制器的输出值，其中转子角速度参考值ω^*来自最大功率跟踪(MPPT)策略。T_e和Ψ_r则根据功率变换器的三相输出电压U_abc与三相输出电流I_abc经过计算所得到，同时计算也得到了矢量所处的扇区S。T_e ^*、Ψ_r ^*分别与T_e和Ψ_r作差，得到转矩误差E_T和转子误差E_ψ。而扭矩滞后H_T和通量滞后H_ψ则是通过滞回比较器从转矩误差E_T和转子误差E_ψ中离散化得到。根据H_T、H_ψ和S决定施加在转子侧的电压矢量，得出开关元件的开关状态表。本发明所提出的一种减小转矩波动的双馈感应电机系统直接转矩控制器相比于传统的直接转矩控制，本发明提出的控制方法提升了转子磁链位置的分割精度以及基本电压矢量数量，下面将具体说明控制方法。

在本发明所提出的控制方法中，每2个相邻向量之间的角平分线方向上还有6个基本空间矢量，这样基本空间矢量从6个增加到了12个。具体的转子磁链矢量细分策略如下：划分转子磁链存在的12个扇区，选择上述的12个基本电压矢量，通过电压的积分作用使得转子磁链向量进行调节，具体的磁通矢量和电压矢量图如图3所示。从图3可以看出，由于矢量的分割更加精细，使得转子磁通更加接近一个圆形。

而根据磁链所在扇区，转矩滞环以及磁链滞环三个变量，决定应该施加在转子侧的电压矢量，以实现对转速、磁链幅值的控制，开关元件的开关状态图如图4所示。从图4可以看出，施加在转子侧的电压矢量可以分为以下几种情况：

(1)、当通量滞后H_ψ＝1，且扭矩滞后H_T＝1时，12个扇区S1^*-S12^*的电压矢量依次为：

V3^*、V4^*、V5^*、V6^*、V7^*、V8^*、V9^*、V10^*、V11^*、V12^*、V1^*、V2^*；

(2)、当通量滞后H_ψ＝1，且扭矩滞后H_T＝0时，12个扇区S1^*-S12^*的电压矢量依次为：

V10^*、V11^*、V12^*、V1^*、V2^*、V3^*、V4^*、V5^*、V6^*、V7^*、V8^*、V9^*；

(3)、当通量滞后H_ψ＝0，且扭矩滞后H_T＝1时，12个扇区S1^*-S12^*的电压矢量依次为：

V4^*、V5^*、V6^*、V7^*、V8^*、V9^*、V10^*、V11^*、V12^*、V1^*、V2^*、V3^*；

(4)、当通量滞后H_ψ＝0，且扭矩滞后H_T＝0时，12个扇区S1^*-S12^*的电压矢量依次为：

V9^*、V10^*、V11^*、V12^*、V1^*、V2^*、V3^*、V4^*、V5^*、V6^*、V7^*、V8^*。

综上所述，在相同宽度的滞环带内，相比于传统的控制方法，本发明所提出的直接转矩控制由于位置矢量和基本电压矢量实现了更高的分割精度，而在转子磁通的圆形路径上具有较小的波动，因此大大降低了转矩脉动、转子磁通和直流母线波动电压，这使得采用这种控制方法的双馈电机系统不仅具有良好的系统稳态特性，也具有很好的动态特性。在风力发电中，采用这种控制器的双馈电机系统不仅提高了控制的水平，也大大提升了对风能的利用率，因此它在实际工程中具有重要价值，也对解决能源紧缺问题以及环境污染问题具有一定意义。

Claims

1.一种减小转矩波动的双馈感应电机系统直接转矩控制器，其特征在于：利用一种新的逻辑判断方式，通过改变双馈感应电机控制系统中开关元件的开关状态，重新设计了一个新的开关状态表，使得磁通轨迹更接近圆形，从而大幅度减小了系统的转矩脉动、转子磁通和直流母线电压波动电压，应用在风力发电中，提升了双馈风力发电系统的稳态特性，增加了风速变化时对电机转速的动态响应，也提高了系统的控制水平和对风能的利用率。