CN111510034B - 双馈感应电机无锁相环功率控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双馈感应电机无锁相环功率控制方法及装置，包括如下步骤：步骤1：采集电机的定子电压、电流瞬时值，计算获得电机定子输出的有功功率P和无功功率Q；步骤2：对电机定子输出的有功功率P和无功功率Q进行调节，计算有功功率反馈项v_p和无功功率反馈项v_q；步骤3：基于有功功率反馈项v_p、无功功率反馈项v_q，计算电机的有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_q；步骤4：基于有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_q，计算在两相静止坐标系下的电机转子励磁电压u_rα、u_rβ；步骤5：基于电机转子励磁电压u_rα、u_rβ，计算以转子电角频率旋转的两相坐标系下的电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ；根据电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ对电机转子侧变流器进行控制。

Description

双馈感应电机无锁相环功率控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种双馈感应电机无锁相环功率控制方法及装置。

背景技术

直接功率控制(direct power control,DPC)由于无电流环、动态响应快、结构简单等优势而得到了广泛的应用。基于查表法的直接功率控制尽管结构简单、动态响应快，但存在稳态控制脉动大、开关频率不固定等问题。为解决这些问题，一方面，基于模型预测控制的直接功率控制(MPC-DPC)通过引入目标函数，并以目标函数最优作为每周期有效电压矢量选取基准，而后引入零电压矢量进行调制，获取了稳定的开关频率，并降低了稳态功率脉动，但每周期内需对全部电压矢量的目标函数进行计算，计算量相对较大。另一方面，基于空间矢量调制的直接功率控制(SVM-DPC)利用空间矢量调制技术，替代MPC-DPC中目标函数计算和电压矢量选择，降低计算负担。

与本发明最相关的现有技术是发明名称为“一种双馈感应发电机的无锁相环电流控制方法及装置”专利(专利号：CN201710205022.5)，该专利提出了基于虚拟相位角的SVM-DPC，在虚拟同步旋转坐标系中构建电压矩阵，实现有功、无功功率的解耦控制，存在的不足之处在于，其解耦控制相对复杂繁琐。

发明内容

本发明的发明目的在于提供双馈感应电机无锁相环功率控制方法及装置，实现对双馈感应电机无锁相环功率无差跟踪与解耦控制，有效简化控制运算。

基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：

1、一种双馈感应电机无锁相环功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采集电机的定子电压、电流瞬时值，计算获得电机定子输出的有功功率P和无功功率Q；

步骤2：对电机定子输出的有功功率P和无功功率Q进行调节，计算有功功率反馈项v_p无功功率反馈项v_q；

步骤3：基于有功功率反馈项v_p、无功功率反馈项v_q，计算电机的有功功率励磁电压u_p和无功功率励磁电压u_q；

步骤4：基于有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_q，计算在两相静止坐标系下的电机转子励磁电压u_rα、u_rβ；

步骤5：基于所述电机转子励磁电压u_rα、u_rβ，计算以转子电角频率旋转的两相坐标系下的电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ；根据电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ对电机转子侧变流器进行控制。

进一步，步骤1中，对采集得到的定子电压信号进行带通滤波，得到

式中，s为拉普拉斯算子，ω₁为电网的额定频率，ξ为阻尼比，u_{sa_mea1}、u_{sb_mea1}、u_{sc_mea1}为经过带通滤波处理后的三相定子电压瞬时值；u_{sa_mea}、u_{sb_mea}、u_{sc_mea}分别表示采集得到的定子三相电压瞬时值；

在两相静止坐标系中，双馈感应发电机定子电压、电流的αβ分量可表示为，

U_sαβ＝u_sα+ju_sβ,I_sαβ＝i_sα+ji_sβ

式中，0≤k_mea≤1为转换系数，i_{sa_mea}、i_{sb_mea}、i_{sc_mea}分别表示采集得到的定子三相电流瞬时值；

双馈感应发电机定子有功、无功功率表示为，

P＝1.5(u_sαi_sα+u_sβi_sβ)

Q＝1.5(u_sβi_sα-u_sαi_sβ)

式中，P表示有功功率，Q表示无功功率。

进一步地，步骤2中，有功功率反馈项v_p无功功率反馈项v_Q通过如下公式计算获得，

式中，Gc(s)为功率调节器传递函数；e_p、e_Q分别为定子有功功率、定子无功功率的输出误差；

式中，P_ref和Q_ref分别为有功、无功功率的指令值。

进一步地，步骤3中，有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_Q通过如下公式获得，

式中，ω₁为电网的额定频率，电机转子滑差角频率可表示为ω_sl＝ω₁-ω_r，

为漏磁系数，L_r为电机转子电感，L_s为电机定子电感，L_m为电机定子和转子之间的互感。

进一步地，步骤4中，在两相静止坐标系下的电机转子励磁电压u_rα、u_rβ通过如下公式获得，

式中，U_sm为定子电压幅值，

L_r为电机转子电感，L_m为电机定子和转子之间的互感。

进一步地，步骤5中，以转子电角频率旋转的两相坐标系下的电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ通过如下公式获得，

式中，θ_r为电机转子位置角。

进一步地，通过安装在电机转子上的光码盘获得电机转子位置角θ_r。

2、一种实现上述方法的双馈感应电机无锁相环功率控制装置，其特征在于，包括：

传感器，所述传感器安装在电机定子上，用于采集定子电压、电流瞬时值；

功率调节器，所述功率调节器信号输入端接电机定子的功率输出端，用于对电机定子输出的有功功率P和无功功率Q进行调节；

控制信号计算单元，所述控制信号计算单元计算电机的有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_q，进而计算以转子电角频率旋转的两相坐标系下的电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ；

控制单元，所述控制单元根据所述电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ，对电机转子侧变流器进行控制。

进一步地，所述控制信号计算单元基于有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_q计算在两相静止坐标系下的电机转子励磁电压u_rα、u_rβ，并进一步通过如下公式获得以转子电角频率旋转的两相坐标系下的电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ，

式中，θ_r为电机转子位置角。

进一步地，还包括通过安装在电机转子上的光码盘，用于获得所述电机转子位置角θ_r。

本发明具有的有益效果：

本发明通过构建电机的有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_q，将有功、无功功率系数时变动态方程简化为时不变方程，基于有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_q，计算获得电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ，有效简化了运算过程；本发明基于两相静止坐标系进行运算，无需锁相环与旋转坐标变换，有效简化了运算过程。本发明通过功率调节器对电机定子输出的有功功率P和无功功率Q进行调节，计算有功功率反馈项v_p无功功率反馈项v_q；基于有功功率反馈项v_p、无功功率反馈项v_q，计算电机的有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_q，有效保证了对双馈感应电机的无差跟踪与解耦控制。

附图说明

图1是本发明双馈感应电机无锁相环功率控制方法的控制框图；

图2是额定电网频率下双馈感应发电机功率阶跃的实验结果图；

图3是电网频率偏差下双馈感应发电机功率阶跃的实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

实施例一：

一种双馈感应电机无锁相环功率控制方法

如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：采集电机的定子电压、电流瞬时值，计算获得电机定子输出的有功功率P和无功功率Q。

通过传感器，采集双馈感应发电机(doubly fed induction generator，DFIG)的定子三相电压和电流瞬时值，然后，通过工频带通滤波器对采集得到的电机定子电压信号进行带通滤波处理，得到

式中，s为拉普拉斯算子，ω₁＝100πrad/s为电网的额定频率，ξ为阻尼比，u_{sa_mea1}、u_{sb_mea1}、u_{sc_mea1}为经过带通滤波器处理后的三相定子电压瞬时值；u_{sa_mea}、u_{sb_mea}、u_{sc_mea}分别表示采集得到的定子三相电压瞬时值；

两相静止坐标系中，双馈感应发电机定子电压、电流的αβ分量可表示为，

U_sαβ＝u_sα+ju_sβ,I_sαβ＝i_sα+ji_sβ (3)

式中，0≤k_mea≤1为转换系数，i_{sa_mea}、i_{sb_mea}、i_{sc_mea}分别表示采集得到的定子三相电流瞬时值；

双馈感应发电机定子有功、无功功率表示为，

式中，P表示有功功率，Q表示无功功率。

步骤2：对电机定子输出的有功功率P和无功功率Q进行调节，计算有功功率反馈项v_p无功功率反馈项v_q。

在两相静止坐标系下，双馈感应发电机定子电压的标量表达式可写为，

式中，U_sm为定子电压幅值，ω_g为定子电压角频率，θ_u为定子电压初始相位角。

根据式(3)，双馈感应发电机定子电压的动态方程可表示为，

则双馈感应发电机定子电压共轭矢量的可表示为，

根据式(4)和(7)，双馈感应发电机定子有功、无功功率的动态方程可表示为，

双馈感应发电机转子磁链和电流可表示为，

式中，

为漏磁系数。

将式(11)、(12)带入双馈感应发电机转子电压方程中，双馈感应发电机定子电流的动态方程可表示为，

双馈感应发电机定子磁链的动态方程可表示为，

因此，式可简化为，

根据式(8)和(13)，双馈感应发电机定子有功、无功功率的动态方程可表示为，

因此，式(16)给出了双馈感应发电机转子励磁电压与定子有功、无功功率的动态方程。在忽略定子电阻的条件下，双馈感应发电机定子电压和磁链间矢量关系可写为，

U_saβ＝jω_gψ_saβ (17)

由于双馈感应发电机的定、转子电阻远小于定、转子电感，则可近似认为R_r/L_r≈0、R_s/L_s≈0。因此，根据式(16)和(17)，双馈感应发电机定子有功、无功功率的标量形式动态方程的可写为，

式中，ω_sl＝ω_g-ω_r为双馈感应发电机转子滑差角频率。

根据式(18)可知，在两相静止坐标系中，由于存在定子电压的乘数因子，则双馈感应发电机定子有功、无功功率动态方程呈现参数时变特性。

为简化控制系统设计，需将式(18)给出的系数时变动态方程转变为系数时不变方程，则可定义有功、无功功率励磁电压分别为u_P和u_Q，具体为，

式中，u_P和u_Q分别为有功、无功功率励磁电压。

根据式(19)，双馈感应发电机定子有功、无功功率动态方程可改写为，

可见，双馈感应发电机定子有功、无功功率动态方程转变为系数时不变的动态方程。根据国家标准《电能质量电力系统频率偏差》(GB/T 15945-2008)可知，一般情况下电力系统频率允许范围在50±0.2Hz间。因此，可用额定频率ω₁＝100πrad/s替代式中的电网实际角频率ω_g，则双馈感应发电机转子滑差角频率可表示为ω_sl＝ω₁-ω_r

双馈感应发电机有功、无功功率误差可分别表示为，

式中，e_p、e_Q分别为定子有功功率、定子无功功率的输出误差；P_ref和Q_ref分别为有功、无功功率的指令值。

在线性时不变系统下，为消除静态误差、实现无差跟踪，可采用包括但不限于比例(proportion)P调节器、比例积分(proportion integral)PI调节器、比例积分微分(proportion integral differential)PID调节器、比例积分谐振(proportion integralresonant)PIR调节器、滑模调节器等线性或非线性调节器，有功功率反馈项v_p无功功率反馈项v_Q通过如下公式计算获得，

式中，Gc(s)为功率调节器传递函数。

步骤3：基于有功功率反馈项v_p、无功功率反馈项v_q，计算电机的有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_q。

为消除式(20)中的功率解耦项，可引入功率解耦项进行前馈补偿，则有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_q通过如下公式获得，

式中，ω₁为电网的额定频率，电机转子滑差角频率可表示为ω_sl＝ω₁-ω_r，

为漏磁系数，L_r为电机转子电感，L_s为电机定子电感，L_m为电机定子和转子之间的互感。

步骤4：基于有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_q，计算在两相静止坐标系下的电机转子励磁电压u_rα、u_rβ。

根据式(19)，在两相静止坐标系下的电机转子励磁电压u_rα、u_rβ通过如下公式获得，

式中，U_sm为定子电压幅值，

步骤5：基于电机转子励磁电压u_rα、u_rβ，计算以转子电角频率旋转的两相坐标系下的电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ；根据电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ，对电机转子侧变流器进行控制。

以转子电角频率旋转的两相坐标系下的电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ通过如下公式获得，

式中，θ_r为电机转子位置角。

通过安装在电机转子上的光码盘获得电机转子位置角θ_r。

结合实验，进一步说明本发明的有益效果。

图2给出了在电网频率为50.0Hz时双馈感应发电机有功、无功功率阶跃的实验结果。在实验中，双馈感应发电机转速为800r/min，滑差率为0.2(次同步)。在图3中，双馈感应发电机定子输出有功功率由300W阶跃至1000W，并在600ms后降至300W，在此期间，双馈感应发电机定子无功功率固定为0Var，维持单位功率因数运行。可见，在双馈感应发电机定子有功功率阶跃时，无锁相环直接功率控制可在20ms内实现对功率阶跃指令的快速跟踪。因此，本文所提出的无锁相环直接功率控制将确保功率对其指令的快速无差跟踪与独立解耦控制。

为验证频率偏差下双馈感应发电机无锁相环直接功率控制的效果，在实验中设置-2.0Hz的稳态频率偏差，即电网频率为48.0Hz，具体实验结果详见图3。为对比电网电压频率偏差下无锁相环直接功率控制效果，图3中双馈感应发电机运行转速、功率阶跃条件与图2相同。然而，由于电网频率偏差，则双馈感应发电机滑差率降低为0.167(次同步)，转子电流将表现为8.0Hz交流信号形式。在48.0Hz频率偏差下，无锁相环直接功率控制仍可实现有功、无功功率的解耦控制。因此，无锁相环直接功率控制效果将不会受到电网频率偏差的影响，具有良好的频率适应能力。

实施例二：

实现上述方法的双馈感应电机无锁相环功率控制装置

包括：

传感器，所述传感器安装在电机定子上，用于采集定子电压、电流瞬时值。

功率调节器，所述功率调节器信号输入端接电机定子的功率输出端，用于对电机定子输出的有功功率P和无功功率Q进行调节；所述功率调节器信号输入端接电机定子的功率输出端。可采用包括但不限于比例(proportion)P调节器、比例积分(proportionintegral)PI调节器、比例积分微分(proportion integral differential)PID调节器、比例积分谐振(proportion integral resonant)PIR调节器、滑模调节器等线性或非线性调节器

控制信号计算单元，所述控制信号计算单元计算电机的有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_q，进而计算以转子电角频率旋转的两相坐标系下的电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ；

电机转子侧变流器控制单元，所述电机转子侧变流器控制单元根据所述控制信号计算单元获得的电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ，对电机转子侧变流器进行控制。

所述控制信号计算单元基于有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_q计算在两相静止坐标系下的电机转子励磁电压u_rα、u_rβ，并进一步通过如下公式获得以转子电角频率旋转的两相坐标系下的电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ，

式中，θ_r为电机转子位置角。

还包括通过安装在电机转子上的光码盘，用于获得所述电机转子位置角θ_r。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (6)

1.一种双馈感应电机无锁相环功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采集电机的定子电压、电流瞬时值，计算获得电机定子输出的有功功率P和无功功率Q；

步骤2：对电机定子输出的有功功率P和无功功率Q进行调节，计算有功功率反馈项v_p和无功功率反馈项v_Q；

步骤3：基于有功功率反馈项v_p、无功功率反馈项v_Q，计算电机的有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_Q；

步骤4：基于有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_Q，计算在两相静止坐标系下的电机转子励磁电压u_rα、u_rβ；

步骤5：基于所述电机转子励磁电压u_rα、u_rβ，计算以转子电角频率旋转的两相坐标系下的电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ；以及根据所述电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ对电机转子侧变流器进行控制；

步骤1中，对采集得到的定子电压信号进行带通滤波，得到

式中，s为拉普拉斯算子，ω₁为电网的额定频率，ξ为阻尼比，u_{sa_mea1}、u_{sb_mea1}、u_{sc_mea1}为经过带通滤波处理后的三相定子电压瞬时值；u_{sa_mea}、u_{sb_mea}、u_{sc_mea}分别表示采集得到的定子三相电压瞬时值；

在两相静止坐标系中，双馈感应发电机定子电压、电流的αβ分量表示为，

U_sαβ＝u_sα+ju_sβ,I_sαβ＝i_sα+ji_sβ

式中，0≤k_mea≤1为转换系数，i_{sa_mea}、i_{sb_mea}、i_{sc_mea}分别表示采集得到的定子三相电流瞬时值；

双馈感应发电机定子的有功、无功功率表示为，

P＝1.5(u_sαi_sα+u_sβi_sβ)

Q＝1.5(u_sβi_sα-u_sαi_sβ)

式中，P表示有功功率，Q表示无功功率；

步骤2中，有功功率反馈项v_p无功功率反馈项v_Q通过如下公式计算获得，

式中，Gc(s)为功率调节器传递函数；e_p、e_Q分别为定子有功功率、定子无功功率的输出误差；

式中，P_ref和Q_ref分别为有功功率和无功功率的指令值；

步骤3中，有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_Q通过如下公式获得，

式中，ω₁为电网的额定频率，电机转子滑差角频率可表示为ω_sl＝ω₁-ω_r，

为漏磁系数，L_r为电机转子电感，L_s为电机定子电感，L_m为电机定子和转子之间的互感；

步骤4中，在两相静止坐标系下的电机转子励磁电压u_rα、u_rβ通过如下公式获得，

式中，U_sm为定子电压幅值，

L_r为电机转子电感，L_m为电机定子和转子之间的互感。

2.根据权利要求1所述的双馈感应电机无锁相环功率控制方法，其特征在于：步骤5中，以转子电角频率旋转的两相坐标系下的电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ通过如下公式获得，

式中，θ_r为电机转子位置角。

3.根据权利要求2所述的双馈感应电机无锁相环功率控制方法，其特征在于：通过安装在电机转子上的光码盘获得电机转子位置角θ_r。

4.一种实现权利要求1至3任何一项所述方法的双馈感应电机无锁相环功率控制装置，其特征在于，包括：

传感器，所述传感器安装在电机定子上，用于采集定子电压、电流瞬时值；

功率调节器，所述功率调节器信号输入端接电机定子的功率输出端，用于对电机定子输出的有功功率P和无功功率Q进行调节；

控制信号计算单元，所述控制信号计算单元计算电机的有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_Q，进而计算以转子电角频率旋转的两相坐标系下的电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ；

控制单元，所述控制单元根据所述电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ，对电机转子侧变流器进行控制。

5.根据权利要求4所述的双馈感应电机无锁相环功率控制装置，其特征在于：所述控制信号计算单元基于有功功率励磁电压u_p、无功功率励磁电压u_Q计算在两相静止坐标系下的电机转子励磁电压u_rα、u_rβ，并进一步通过如下公式获得以转子电角频率旋转的两相坐标系下的电机转子励磁电压u_rrα、u_rrβ，

式中，θ_r为电机转子位置角。

6.根据权利要求5所述的双馈感应电机无锁相环功率控制装置，其特征在于：还包括通过安装在电机转子上的光码盘，用于获得所述电机转子位置角θ_r。

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