雙饋電機控制

1、雙饋電機控制 及其控制,一、雙饋電機及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 二、雙饋電機的數(shù)學(xué)模型 三、雙饋電機控制方法,主 要 內(nèi) 容,（一）雙饋電機及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),1.1 什么是雙饋電機,雙饋電機是一個繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機，它的定子繞組直接連接到三相電網(wǎng)上，轉(zhuǎn)子繞組通過一個背靠背功率變換器與電網(wǎng)相連接，由于定、轉(zhuǎn)子均與電網(wǎng)相連，因此叫雙饋電機。 雙饋電機既可以做電動機運行，也可以做發(fā)電機運行。 做電動機運行時，稱作雙饋調(diào)速系統(tǒng)；做發(fā)電機運行時，稱作雙饋發(fā)電系統(tǒng)。,1.2 雙饋電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),雙饋電機系統(tǒng)一般由雙饋電機、BacktoBack功率變換器、變壓器等構(gòu)成,1.3 雙饋電機系統(tǒng)的功率平衡關(guān)系和運行狀態(tài),忽略

2、定子電路和轉(zhuǎn)子電路的損耗，只考慮定子回路功率（轉(zhuǎn)差功率）Ps、 機械功率Pmec和轉(zhuǎn)子回路功率Pr， 則有：,功率的正方向規(guī)定：（1）定子回路向電網(wǎng)輸出電功率為正；（2）轉(zhuǎn)子回路從電網(wǎng)吸收電功率為正；（3）轉(zhuǎn)子從外部吸收機械功率機械功率為正；（4）反之皆為負(fù),1.3.1 雙饋電機亞同步運行狀態(tài),當(dāng)雙饋電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時（即0s1），電機運行于亞同步狀態(tài)，此時電機既可以是發(fā)電狀態(tài)，也可以是電動狀態(tài),1.3.2 雙饋電機超同步運行狀態(tài),當(dāng)雙饋電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時（s0），電機運行于超同步狀態(tài)，此時電機既可以是發(fā)電狀態(tài)，也可以是電動狀態(tài),1.4 雙饋電機系統(tǒng)的特點,所需變流器容量較小，

3、主要由電機的轉(zhuǎn)速范圍決定 定子側(cè)功率因數(shù)可控 作為電動系統(tǒng)運行時，可實現(xiàn)無級調(diào)速 作為發(fā)電系統(tǒng)運行時，可實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電,（二）雙饋電機的數(shù)學(xué)模型,2.1 雙饋電機三相靜止坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型,雙饋電機（繞線感應(yīng)電機）的物理模型,定子三相繞組軸線A、B、C在空間是固定的，以A軸為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸間的電角度為空間角位移變量。定子繞組采用發(fā)電機慣例，轉(zhuǎn)子繞組采用電動機慣例。,2.1.1 電壓方程,定子電壓方程,轉(zhuǎn)子電壓方程,2.1.2 磁鏈方程,每個繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對它的 互感磁鏈之和,自感,互感,2.1.3 運動方程和轉(zhuǎn)矩方程,T

4、l為原動機提供的拖動轉(zhuǎn)矩；Jg為發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量；Dg與轉(zhuǎn)速成正比的阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；Kg為扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)；為電機轉(zhuǎn)子的電角速度； np為電機的極對數(shù),2.2 雙饋電機在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)（d、q坐標(biāo)系）下的數(shù)學(xué)模型,三相坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型雖然能直觀的表示雙饋發(fā)電機的基本特性，卻不能反映控制參數(shù)與這些方程的直接關(guān)系，并且存在很強的耦合。采用坐標(biāo)變換，將三相坐標(biāo)方程轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)方程，是對電機進(jìn)行矢量控制的前提條件,2.2.1 電壓方程,2.2.2 磁鏈方程,由定子磁鏈方程可得定、轉(zhuǎn)子電流之間的關(guān)系，具體表達(dá)式如下（1）,將式上式代入的轉(zhuǎn)子磁鏈方程，可得轉(zhuǎn)子磁鏈表達(dá)式（2）,將式（1）代入定子電壓方

5、程，可寫出定子磁鏈的狀態(tài)方程（3）,將式（2）和式（3）代入轉(zhuǎn)子電壓方程，可得（4）,為電機的總漏磁系數(shù),2.2.3 運動方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程,2.2.4 功率方程,2.3 雙饋電機定子磁場定向數(shù)學(xué)模型,若讓d、q坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)速度等于定子磁鏈的同步角速度1，且規(guī)定d軸沿著定子總磁鏈?zhǔn)噶縮的方向，而q軸為逆時針垂直于矢量s，這樣dq坐標(biāo)系即成為按定子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。,，,當(dāng)dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按定子磁鏈定向時,則,電磁轉(zhuǎn)矩可簡化為：,并可得：,定子電磁時間常數(shù),在正常情況下，定子電壓的幅值、頻率和相位均可看作是不變的，定子磁鏈?zhǔn)噶恳部烧J(rèn)為是穩(wěn)定的，可忽略定子勵磁電流的動態(tài)過程，若再忽略定子電阻，可

6、得到定子磁鏈定向的簡化模型,定子磁場向的重要意義：,通過上面的功率方程可以看出，經(jīng)過定子磁場定向，電機定子有功功率和無功功率分別與轉(zhuǎn)子q軸電流和轉(zhuǎn)子d軸電流有一一對應(yīng)的關(guān)系，這為有功、無功功率的解耦控制奠定了理論基礎(chǔ),（三）雙饋電機系統(tǒng)的控制,3.1 總體控制思路,雙饋電機控制系統(tǒng)，無論是調(diào)速系統(tǒng)還是發(fā)電系統(tǒng)，其控制都是 通過變流器來實現(xiàn)的。 由于采用了back-to-back拓?fù)湫问降淖兞髌鳎虼?，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器可以方便的采取各自的控制策略，而互不影響。 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器主要用于控制電機的功率，對發(fā)電系統(tǒng)而言，就是定子側(cè)的電功率；對電動系統(tǒng)而言，則是電機的電磁轉(zhuǎn)矩。 網(wǎng)側(cè)變流器的主要作

7、用是維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù),控制有功功率（電磁轉(zhuǎn)矩）,控制直流電壓和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù),3.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制策略,3.2.1 雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略,雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的作用是控制定子側(cè)發(fā)出的有功和無功功率，根據(jù)第二部分推導(dǎo)的基于定子磁鏈定向的電機方程，可以看出： 定子有功、無功功率與轉(zhuǎn)子q軸、d軸電流存在線性關(guān)系，因此轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略,功率外環(huán)的前向控制框圖如下圖所示,構(gòu)造變流器電流內(nèi)環(huán)時，需要將電流指令轉(zhuǎn)化為電壓指令，然后進(jìn)行SVPWM調(diào)制。在定子磁鏈定下下，雙饋電機電流與電壓的關(guān)系如下所示：,上式表明，雙饋電機轉(zhuǎn)子d、q軸電

8、流與電壓之間存在交叉耦合關(guān)系，因此需要進(jìn)行d、q軸之間的解耦補償控制。,電流內(nèi)環(huán)解耦前向控制框圖如下圖所示,雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制框圖如下圖所示,3.2.2 雙饋電動機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略,雙饋電動機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制目的在于控制電機的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)定子側(cè)的功率因數(shù)（無功功率），電動機轉(zhuǎn)速的控制歸根結(jié)底是對電磁轉(zhuǎn)矩的控制。雙饋電機在定子磁鏈定向下，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子q軸電流有著線性關(guān)系，而定子無功功率與轉(zhuǎn)子d軸電流有著一一對應(yīng)的關(guān)系。,因此，可以通過控制轉(zhuǎn)子q軸電流控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速；通過控制轉(zhuǎn)子d軸電流控制電機定子側(cè)的無功功率，從而實現(xiàn)雙饋電動機轉(zhuǎn)速和定子無功功率的獨立控制,3.2.

9、3 定子磁鏈觀測,雙饋電機矢量控制系統(tǒng)中需要對定子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛拖嘟沁M(jìn)行直接或者間接觀測，磁鏈觀測的精確定位對矢量控制系統(tǒng)的性能有重要的影響。 定子磁鏈觀測主要方法有： （1）磁敏式檢測法 （2）探測線圈法 （3）電流模型法 （4）電壓模型法 前兩種方法屬于直接檢測法，但需要在電機內(nèi)部安裝檢測元件，比較復(fù)雜，不利于廣泛應(yīng)用；后兩種方法屬于間接檢測法，是通過檢測電機的電壓、電流量，來計算定子磁鏈的角度和幅值，這里介紹的是電壓模型法。,電壓模型法是從電動機的端電壓中減去繞組的阻抗壓降，而將電機的反電動勢進(jìn)行積分運算，從而求得電機的磁通。,該模型構(gòu)建的定子磁鏈觀測器具有以下明顯的優(yōu)點： (1)由于

10、雙饋電機定子側(cè)直接連在電網(wǎng)上，因而定子側(cè)電壓是穩(wěn)定的工頻電網(wǎng)電壓，電壓諧波小，因此電壓的檢測、積分都比較容易實現(xiàn)； (2)與普通感應(yīng)電機調(diào)速相比，由于雙饋電機通常在同步速附近工作，不存在由于轉(zhuǎn)速過低而使反電勢過低，從而導(dǎo)致檢測反電勢以及積分運算困難的問題； (3)該電壓模型構(gòu)建的定子磁鏈觀測器，整體結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、準(zhǔn)確。,3.3 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略,網(wǎng)側(cè)變流器的目的是控制直流電壓恒定和調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，當(dāng)采用電網(wǎng)電壓矢量定向控制時，電網(wǎng)的有功功率和無功功率與網(wǎng)側(cè)d、q軸電流有如下關(guān)系：,由上式可知，有功功率和無功功率是自然解耦的。一般條件下通常認(rèn)為電網(wǎng)電壓是基本不變的，即U為常數(shù)。因此，通過分別控制idc和iqc就可以分別控制整流器的無功功率和有功功率。,網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖（以單位功率因數(shù)為例）,外環(huán)為直流電壓環(huán)，檢測的直流電壓與直流電壓指令的差值經(jīng)PI 調(diào)節(jié)后，作為有功電流分量的指令；本框圖中是網(wǎng)側(cè)單位功率 因數(shù)控制，因此無功電流分量的指令值為零。,直流電壓穩(wěn)定的重要意義：,直流電壓穩(wěn)定是實現(xiàn)back-to-back變流器能量雙向流動的關(guān)鍵所在。,通過上圖可以看出直流電壓是和電網(wǎng)有功功率緊密相關(guān)的，當(dāng)電機運行于亞同步狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器從直流側(cè)吸收