2021年度双馈电动机调速系统控制策略的研究及其仿真设计

摘要

现在,双馈电机最大优点在于能够将转差功率馈送至电网中,或是由电网馈入。双馈电动机调速系统因为含有可靠性高、 成本低等优点,而且能够经过
调整转子侧变频器幅值、相位和频率来调整双馈电动机定子侧无功功率,因此被广泛应用于交流电机调速领域。

本文关键研究双馈电动机调速系统控制策略及其仿真。

本文首先简单地介绍
了双馈电动机调速系统基础工作原理,分析、

运行时功率流动关系,接着具体地推导出双馈电动机在三相静止坐标系上数
讨论了双馈电动机在不一样工况下

转子电流在M、T轴上分量作为内环控制目标双闭控制系统。该控制策略能够地调整双馈电动机转速和定子侧无功功率,且能够实现双馈电动机在次同时、超同时状态下运行。

然

后

在

MATLAB

中

simulink

环境下搭建了双馈电动机调速系统仿真模型并进行仿真分析,验证了所用控制策略可行性。

关键词: 双馈电动机,矢量控制, 仿真

Abstract

At present, the biggest advantage of doubly-fed electric machine isthat it can make the slip power feed to the grid, or eed it fromgrid. The double-fed electric machine speed control system has highreliability and low cost advantages, and it can
This papermainly studies the control strategy of double-fed electric machinespeed control system and its simulation.This paper first brieflydescribes the basic working principle of the double-fed electricmachine speed control system, analyzes and discusses the power flowof the doubly-fed electric machine in the run-time under differentconditions ,then deduces the mathematical model of the doubly-fed electric machine in three-phase stationary coordinate system indetail.It uses the double-loop control system of using the speed ofthe double-fed electric machine and reactive power of the stator-sides control targets in the outer ring and the component of rotorcurrent in the M, T-axis as inner control objectives. And thiscontrol method can
independently adjust the motor speedand the reactive power of the stator side of

double-fedelectric machine ,and double-fed electric machine can achieve running in the sub-synchronous and super-synchronous state.

Thenit builds a double-fed electric machine speed control systemsimulation model in MATLAB simulink environment, simulation resultsare analyzed to verify the feasibility of the control strategy used.

KeyWords: doubly-fedelectric machine, field oriented control,

simulation

目录

1绪论...............................................................1
1.3本文关键内容.................................................32双馈电机数学模型及其功率步骤分析...................................4 2.1双馈电机调速工作原理.........................................4 2.2 变频器......................................................5 2.3双馈电机调速运行工况分析.....................................6 2.4 三相异步电动机多变量非线性数学模型..........................7 2.5坐标变换....................................................113双馈电机矢量控制技术..............................................15 3.1矢量控制介绍................................................15 3.2定子磁链定向下双馈电机矢量控制..............................16
3.3基于定子磁链定向双馈电机控制策略...........................20

3.4双馈电机整个系统控制策略...................................224双馈电机调速系统仿真..............................................244.1 Simulink下仿真模型搭建.....................................244.2仿真结果及分析..............................................265总结..............................................................30致谢...............................................................31参考文件...........................................................32

1绪论
1.1双馈电机发展情况
现在,伴随电力电子技术、控制理论发展,交流电机调速在电力电子和电气传动领域得到了广泛应用,从而逐步替换了直流电机调速地位。所谓双馈电机是指将异步电机定子绕组、转子绕组全部和交流电网或含电动势回路相连接,使它们能够进行能量双向流动。双馈电机也称交流励磁电机,它是由电机本体和交流励磁自动控制系统组成。双馈电机是电机技术、 电力电子和电力
传动技术、和现代控制技术发展而来产物。

双馈电机定子端和50Hz大电网直接相连接,而转子端和幅值、 相位和频率均可调整交流电源相连接。经过调整转子端励磁电流幅值大小、 相位和频率,能够使得双馈电机在电动状
双馈电机同时含有同时电机特点和异步电机特点,能够在同时速上下运行,而且能够有效地调整无功功率,所以用途很地广泛。 在双馈调速系统中,因为经过变频器转差能量只是被控能量一部分,所以所需变频器容量能够小于电机容量,这么能够大大地提升双馈调速系统效率、节省成本。

双馈电机调速范围能够达成10%至60%, 所以含有提升系统工作效率、节省电能等优点。 当其作为电动机运行时,在不一样带载情况下,能够灵活地调整系统无功功率和转速。德国西门子、 日本东芝和三菱、俄罗斯哈尔科夫电机制造企业已经制造了一系列双馈电动机,比如: 哈尔科夫企业已经生产了315kW至 kW 不一样种类双馈电动机,
而且已经大量利用于多种交流调速传动领域中(如风机、泵类等负载)。 现在,美国、 俄罗斯、 澳大利亚等国家在发明无刷双馈电机,

并能应用于交流调速或其它电力电子和电力传动领域。

双馈电机既能够实现变速恒频恒压发电,又能够实现调整功率因数,所以被广泛地应用于电力工业中。80年代中期,前苏联开发了一台50MW水轮双馈发电机和一台200MW汽轮双馈电机,并分别能够被应用在实际生活中。在80年代末90年代初,日本日立企业和东芝企业开发出不一样种类大功率双馈发电机,而且已经投入到大型抽水蓄能电站中利用。另外,国外也研究了风能电站、潮汐电站双馈发电机。

1.2双馈电机控制策略
双馈电机控制策略是双馈电机调速系统关键技术之一。双馈电机关键有以下多个控制策略:矢量控制、直接转矩控制、

（1）采取矢量控制直接功率控制等。

而在三相静止坐标系下直接对交流电流进行闭环控制,效果很不理想。 所以,很多学者开始对矢量控制进行研究。在双馈电机调速系统中, 矢量控制基础方法是经过对双馈电机定子电流进行分解,即分解为励磁电流和转矩电流,同时对这两个量幅值和相位地控制,

矢量控制为了达成对双馈电机高性能调速,所以将磁链和转矩进行解耦控制,

矢量控制成功地处理了交流电动机定子电流转矩分量和励磁分量耦合难题,从而实现了能够实时地控制交流电动机电磁转矩,急剧地提升了交流电动机变压变频调速系统动态性能。现在, 交流电动机矢量控制系统性能已经能够和直流调速系统性能相媲美,

在双馈电机调速系统中能够作为定向矢量关键有定子电压矢量、转子电压矢量、 定子电流矢量、 转子电流矢量、定子磁链矢量、

定子电压定向和定子磁链定向比较常见。

（2）采取直接转矩控制
和矢量控制不一样在于直接转矩控制不是经过控制磁链、电流等量来间接控制转矩,它是把转矩直接作为需要控制量,并结合定子磁链定向控制,实现直接控制订子磁链和电磁转矩。此策略不需要复杂坐标变换,而是在定子坐标轴上直接计算磁链大小和转矩大小,并经过磁链和转矩直接跟踪来实现PWM脉宽调制、提升系统高动态性能。 此方法缺点是低速性能较差,

（3）采取直接功率控制调速范围受到。

所以该控制方
法可使系统稳定工作,鲁棒性强。 直接功率控制能够经过调整有功和无功PI 调整器来跟踪参考值,从而控制发电机输出有功和无功。但也存在着部分不足之处, 电网电压波动会影响其控制动态性能;

有功功率判定正确性会影响到对双馈发电机运行状态判定。
依据以上分析及作者所学知识影响,决定采取矢量控制技术。

1.3本文关键内容

在 文中 , 选 择 定 子 磁 链 定 向制 ,采取双馈电动机转速和定子侧无功功率作为外环控制目标、转子电流在M、

T轴上分量作为内环控制目标双闭环控制系统。

双馈电机最大优点在于能够将转差功率馈送至电网中,或是由电网馈入。

第

二

章

首

先

介

绍

了

双

馈

电

机

工

作

原

理

,

分析了双馈电机在不一样工况下功率分布情况。

然后在此基础上建立双馈电机数学模型,利用坐标变换简化数学模型,

为后面研究控制策略奠定了基础。

第三章首先经过分析对比采取不一样量作为定向矢量时对双馈电机控制策

于是采取定子磁链定向矢量控制策略对双馈电机进行双闭环控制,

然后推导出双馈电机在同时旋转坐标系MT上数学模型,

子电 流关 系 ,得控 制 框 图 。并计算出双馈电动机有功功率、无功功率、 转速和定子电流、 转

2双馈电机数学模型及其功率步骤分析

2.1双馈电机调速工作原理

顾

名

思

义

,

“双馈”就是指把绕线式转子异步电机定子绕组和转子绕组分别接在交流电网

或其它含电动势电路上,使它们能量能够进行双向流动。

双馈电机运行在不一样工况下,决定着电功率是馈入定子绕组或转子绕组,

还是从定子绕组或转子绕组馈出。当双馈电机以电动状态运行时,它从电网吸收电功
率,负载运行关键依靠在轴上输出机械功率来负担。在双馈调速时,双馈电机定子端直接接在50Hz工频电网上,转子端直接接在幅值大小、相位和频率可调整变频器上。

双馈电机结构类似于绕线式异步电机,由定子绕组、转子绕组组成。 定子端直接接入三相工频电网,转子端接入幅值、频率、 相位可调变频器。 双馈电机主电路以下图 2.1所表示。

图2.1双馈电机主电路
当双馈电机在稳态运行时,定子旋转磁势和转子旋转磁势是相对静止。

依据电机基础原理,对双馈电机有:

由此可见,双馈调速是经过改变转子侧变频器频率来改变转速。假如合适地调整转子侧变频器幅值、 相位,能够使双馈电机运行在过励、欠励状态,并向电网发出或吸收无功功率,深入改善功率因数。

2.2变频器

在双馈电机调速系统中,双馈电机最大优点在于能够将转差功率馈送至电网中,或是由电网馈入,所以变频器选型和控制方法十分关键,是双馈电机调速系统关键部分,因为双馈电机运行在不一样工况下,能量需要双向流动,这么对变频器要求就较高。现在常见变频器有交-

交 交变 频 流 步 骤 ,交变频器、 交-直-交变频器等。

交交变频器适合在大功率低频范围内应用,输出最大频率是电网频率 1/3-1/2。交交变频器没有直流储能电路, 含有较高效率,采取简单主电路,没有包含滤波电路和直流电路,轻易实现无功功率调整、 和有功功率回馈。即使大功率交交变频器应用很广泛, 因为它含有输出功率因数不高、谐波含量多、 输出频率不高、 较窄改变范围、和需要使用元器件数量较多等不足使它应用受到了一定范围内。它比较适合应用在传统大功率电机调速系统中。

交-直-交变换器就是把工频交流电先经过整流器把交流电整流成直流电,接
着再经过变换器,将直流电逆变成能够调整频率交流电。交直交变频器关键由整流器、 滤波电路和逆变器 3个部分组成, 且比较常见。

整流器有由晶闸管组成全控整流器或由二极管组成不控整流器,逆变器和整流器相反,它是将恒定直流电变换为电压、频率均可调整交流电,

中间滤波步骤是对整流后得到电压或电流进行滤波,采取是电容器或电抗器。

交直交变频器关键有电压型和电流型两种类型。现在,因为控制方法、硬件设计等原因影响,电压型变频器应用比较广泛。

电网侧变换器关键有以下两个任务:第一,使输入电流波形靠近于正弦波,谐波含量少,功率因数满足要求;第二,使直流母线电压稳定,两个PWM变换器正常工作首先需要确保直流母线电压稳定。所以本文采取是交直交变频器。

在绕线转子异步电机转子侧引入一个可控附加电动势并改变其大小,
2.3双馈电机调速运行工况分析

电机在超同时转速下作电动运行、电机在反转时作倒拉制动运行、 电机在超同时转速下作回馈制动运行、电机在次同时转速下作回馈制动运行。下面关键介绍了前两种运行工况下功率步骤关系。

（1）电机在次同时转速下作电动运行
设双馈电机直接接在三相工频电网上,假如在转子侧每相接上和Er0转子开路电动势）同向附加电动势 E
add,则转子回路产生电流,假如对应此电流电磁转矩足够大,那么能够使电机开启。伴随转速升高,

电动机就在此转速下稳定运行。若继续增大或减小Eadd时,

则电机转速将升高或降低,并在新平衡状态下稳定运行,当电机作电动运行时,

是电机定子侧流向转子侧（或从转子侧流入定子侧）电磁功率,由此可知,在这个状态下运行时,电机输入功率来自定子侧,从轴上输出机械功率,且在除去转子损耗以后,转差功率从转子侧馈送至电网,其功率步骤图以下图2.2所表示,其中CU为功率变换单元。

Pm

sP m
( ?
当电机运行在靠近额定转速时,假如继续增大+Eadd, 电机将加速到s<0 新平衡状态下运行,即电机在超出其同时转速下稳定运行。

此时电机转速即使超出了其同时转速,但它仍然拖动着负载作电动运行。因为 Pm-sPm=(1-s)Pm,由此可知,电机轴上输出功率是由定子侧输入功率、转子侧输入功率两部分合成,此时电机工作在定子、转子同时输入状态。 其功率步骤图以下图 2-3所表示,其中CU为功率变换单元。

Pm

sPm

( ?

s)

P m

CU

图2.3功率步骤图

2.4三相异步电动机多变量非线性数学模型
双馈电机电机本体是三相异步电动机,在研究异步电动机多变量非线性数学模型时,为了研究方便,常作以下假设:
（1)忽略空间谐波和齿槽效应,三相绕组对称(在空间上互差120度电角度),所产生磁势沿气隙圆周按正弦规律分布。

(2)忽略磁路饱和,各绕组自感系数全部是恒定。 (3)忽略铁心损耗。
并折算到定子侧,折算后定子和转子绕组匝数全部相等。

电动机绕组等效为以下图2.4所表示物理模型。定子三相绕组轴线A、B、C在空间上是固定,以A轴为参考轴,转子绕组轴线a、b、c随转子旋转,转子a轴和定子A轴间电角度θ为空间角位移变量,

B
?

b	c	i	a	u a	?		u A	a	A
C					i	A

图2.4三相异步电机物理模型示意图
要求定子、转子绕组电压、 电流、 磁链正方向根据右手螺旋定则要求,并采取电动机通例,认为正向电压产生正向电流,而正向电流产生正向磁链。

这
时,异步电动机数学模型由下述电压方程、磁链方程、
(1)电压方程
三相定子绕组电压平衡方程和三相转子绕组折算到定子侧后电压方程写为矩阵
形式为:

u

?

Ri

?

p?

(2-2)

其中:

u ?

?u A

u B

u C

u a

u b

u c

?T

定子和转子相电压瞬时值;

i B

i

C

i a

i b

i

c

?T

i ?

?i

A

定子和转子相电流瞬时值;

R ?

diag

?R 1

R 1

R 1

R

2

R

2

R

2

?

定子和转子绕组电阻;

??

??

?C

?

?

??T

?

各相绕组全磁链;

(2)磁链方程

??? ?????	?	???	L	ss	L	sr	???	?i s ? ?i r	? ? ?	（2-
			L	rs	L	rr

3）
其中:

因为折算后定、转子绕组匝数相等,且各绕组间互感磁通全部经过气隙,磁阻
相同,故认为定子绕组最大互感和转子绕组最大互感相同。

式中:

Lm1——定、转子绕组互感最大值;
Ll1——定子绕组自感;
Ll2——转子绕组自感;
?——转子位置。

(3)转矩方程
传动系统运动方程为:

T

?

1

( i

T

?

L

?

i

T

?

L

)

em

2

s

??

sr

r

r

??

sr

(2-4)

(4)运动方程
传动系统运动方程为:

D——和转速成正比转矩阻尼系数;
K——扭转弹性转矩系数;
P——极对数。

对于恒转矩负载,D=0,K=0,则上式可变为

T

?

T

?

J

d?

(2-6)

由

此

可

见

em

l

P

dt

静

止

坐

标

系

,

在

三

相

上

,

双馈电机数学模型是一个含有多个变量、强耦合、 非线性高阶复杂系统。 对这个非线性复杂高阶系统,直接求解是很麻烦。

为了使双馈电机数学模型呈可控性、可观性特点, 对其进行简化、解耦控制使其成为一个解耦线性系统。 所以,

能够采取坐标变换方法将其简化、解耦。

2.5坐标变换

2.5.1三相静止坐标系到两相静止坐标系坐标变换（3s/2s）

下

图

2.5表

示

双

馈

电

机

定

子

三

相

绕

组

A、

B、

C各相磁势矢量空间位置和能够将其等效为两相定子绕组α、

?

B

N3 iBN2 is?

60?

60?

N2 is?N3 iAA,?

N 3

假如假定磁势波形只计基波分量或按正弦分布,在这二者旋转磁场完全等

效时,合成磁势在相同轴向分量一定相等,也就是说沿α 轴和β

轴上三相绕组和两相绕组瞬时磁势投影值应该是相等,则有下列式子成立:

)

其中,N2为两相电动机每相定子绕组实际匝数,

N3为 三 相电 动 机 每 相 定 子 绕 组 实 际 匝 数 。