浅谈双馈发电机的控制策略

1.1 矢量控制策略
矢量控制理论是由德国的 F. Blaschke 等人于 1971 年提出来的，后来日本学 者将其应用于交流励磁控制，取到了良好的效果。 矢量控制可以在坐标变换的基础上， 简化电机内部各变量间的耦合关系， 简 化控制方案。三相交流电流通过对称三相绕组时产生一个旋转磁场， 通过改变交 流电流的幅值、频率、相位，可以改变旋转磁场磁的大小、转向、空间位置。从 物理上看， 该磁场矢量等效于一个单相直流可旋转线圈所产生的磁场。 也就是说， 静止的三相对称交流电流产生的磁场与旋转的直流电流产生的磁场是等效的。 在交流励磁发电机中， 共有七个基本矢量： 定子电压、 转子电压、 定子电流、 转子电流、定子绕组总磁链、转子绕组总磁链、气隙合成磁链。选择不同的矢量 定向，所得到的控制效果也不尽相同。 考虑到发电机在工频 50Hz 状态下运行时，定子绕组电阻可以忽略不计，并 且定子绕组总磁链、定子电压矢量间的相位差为 90 度 。因此，一般选取定子电 压矢量或定子绕组总磁链作为参考矢量方向，可使控制方案相对简单。
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图 1-1
直接转矩控制框图
概括地说， 直接转矩控制就是利用空间矢量的分析方法， 直接在定子坐标系 下计算和控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向， 借助于离散的两点式调节 （Bang-Bang 控制）产生 PWM 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制， 以获得高动态性能的转矩响应。 直接转矩控制方案中， 转子磁链的观测是通过转子磁链方程进行的， 这就造 成了在同步转速附近运行时， 转子磁链的观测较为困难。 由于在超同步转速运与 次同步转速运行时，要在不同的电压矢量表值之间进行切换， 使得电机在同步转 速附近运行时容易出现振荡。
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双馈电机的矢量控制，需要对电机的各种磁链进行估算，存在着电压、电流 交叉耦合项。矢量定向的不准确，会影响到控制系统的动态性能。由于矢量控制 通常没有直接对定子磁链进行控制， 而电机的定子直接与电网相连接，这就使得 定子磁链容易产生振荡。总之，这种控制方式对电机参数的依赖性较高，抗干扰 能力较差。 如何降低控制系统对电机参数的敏感性、提高系统的动态响应性能、 增强系 统的鲁棒性，是双馈发电机矢量控制的研究重点。 尽管存在着上述局限性， 但相对其它控制策略， 矢量控制实现起来较为容易， 如果采用定子电压定向，其电压矢量角的获得也较为容易。 目前，矢量控制策略在双馈电机的控制系统中应用较为广泛。
Te
3 n p Lm | s || r | sin sr 2 Ls Lr L2 m
Байду номын сангаас
其中， s 为定子磁链矢量， r 为转子磁链矢量， sr 为定子磁链矢量和转子 磁链矢量之间的夹角。 上式即为直接转矩控制在双馈发电机电磁转矩控制应用的理论依据。 不难看 出，在定子磁链矢量、转子磁链矢量的模值均保持不变的情况下，通过施加不同 的转子电压矢量， 使得转子磁链在期望的方向上改变， 即能够改变定转子磁链矢 量之间的夹角，实现对电磁转矩控制的目的。 磁链轨迹控制方法有两种，即德国 Depenbrock 的六边形方案，和日本 Takahashi 的圆形方案。六边形方案是直接转矩控制理论最早的磁链控制方法， 可降低功率器件的开关频率，但电流谐波、转矩脉动较大，多用于大功率场合。 感应电动机在三相对称正弦交流电供电时， 电机产生圆形旋转磁场， 电机的损耗、 转矩脉冲和噪声最小， 减小了对电网的谐波污染。 在中小功率的场合多采用圆形 方案。
1.2 直接转矩控制（ DTC）
直接转矩控制简称 DTC（Direct Torque Control ）是在 20 世纪 80 年代中期 继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速系统。 1977 年 美国学者 A.B.Plunkett 在 IEEE 杂志上首先提出了直接转矩控制理论，1985 年 由德国鲁尔大学 Depenbrock 教授和日本 Tankahashi 分别取得了直接转矩控制 在应用上的成功，接着在 1987 年又把直接转矩控制推广到弱磁调速范围。不同 于矢量控制，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单 等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏 感等问题。
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双馈风力发电机的控制策略
1 双馈发电机的控制策略简介
交流励磁发电机也称之为双馈发电机， 因其转子励磁绕组采用交流励磁而得 名。交流励磁发电机的主要结构特点是：定子与一般三相交流发电机定子一样， 具有分布式交流绕组； 转子采用三相分布式对称交流绕组，与三相绕线式异步电 机的转子结构相似，只是转子绕组上加有滑环和电刷。 由于转子励磁电压的幅值、频率、相位都可以调节，双馈发电机的励磁控制 自由灵活，具有传统同步发电机无法比拟的优越性。通过调节励磁电压的幅值、 频率、相位，双馈发电机可以运行于变速发电或调速拖动状态。此种电机适用于 风力发电、抽水储能等领域，可以使风力机、水轮机等原动机运行在最佳工况， 提高机组的效率。 双馈发电机的控制策略是学术界的研究热点， 概括起来有以下几类： 矢量控 制策略，直接转矩控制策略（DTC） ，直接功率控制策略（DPC） ，多标量控制策 略，双通道多变量反馈控制策略等 另外，还有针对电网故障情况下的控制策略，如电网电压不平衡控制策略， 低电压穿越（LVRT）控制策略等。近年来，无速度传感器控制策略也得到了深 入研究。
目 录
双馈风力发电机的控制策略 ................................................................................................................1 1 双馈发电机的控制策略简介 ...................................................................................................1 1.1 矢量控制策略 .................................................................................................................1 1.2 直接转矩控制（DTC） ..................................................................................................2 1.3 直接功率控制（DPC） ..................................................................................................3 1.4 多标量控制 .....................................................................................................................4 1.5 双通道多变量反馈控制 ................................................................................................5 2 双馈发电机的矢量控制策略 ...................................................................................................6 2.1 双馈发电机的数学模型 ................................................................................................6 2.2 定子磁链定向的矢量控制策略 ....................................................................................7 3 并网控制策略 ............................................................................................................................9 3.1 几种并网方式 .................................................................................................................9 3.2 电压开环电流闭环空载并网 ......................................................................................11 3.3 电压电流双闭环空载并网 ..........................................................................................13 4 并网运行控制策略 ..................................................................................................................14 4.1 转速控制环 ...................................................................................................................14 4.2 功率控制环 ...................................................................................................................15 4.3 电流控制环 ...................................................................................................................15 4.4 间接速度控制的并网运行控制 ..................................................................................16 5 故障运行控制策略 ..................................................................................................................18 5.1 电网电压小幅跌落 ......................................................................................................18 5.2 三相短路故障 ...............................................................................................................22 5.3 电网电压不对称故障 ..................................................................................................27 6 总结 ...........................................................................................................................................33