无刷双馈发电机的标量控制方法及电路原理

无刷双馈电机由于其本身的特殊性存在两套定子绕组，转子绕组与两套定子绕组均有磁场耦合，其电机结构、磁场耦合关系复杂，控制方法也复杂。无论是做发电机还是做电动机运行，由于只有控制绕组可控，而功率绕组不可控，导致其控制策略和方法与传统的感应电动机的控制策略和方法有所不同。另外无刷双馈电机的参数，特别是定、转子绕组互感与普通异步电机相比不易准确估算。目前，针对无刷双馈电机参数估算的方法主要有理论计算方法和基于实验和理论计算结合的方法，这些方法都只能是近似计算，且给电机控制带来很多不利影响。

借鉴目前BDFM作为电动机运行的一些控制策略，结合无刷双馈电机单机发电模型以及无刷双馈单机发电的各种闭环控制方法，提出了一种基于转子电流测量的控制模型。

1.标量控制策略

当无刷双馈电机工作在发电模式时，控制对象不再是电机转速，而是功率绕组端发电电压和频率。在发电运行方式下，电机由原动机拖动（如风力机构），系统转速给定可测。根据无刷双馈电机运行规律，通过改变控制绕组励磁电流的幅值和频率fc即可实现对功率绕组发电电压幅值、频率的控制。对于所测定的速度，由给定的电机转速nr和频率换算关系式即可以得到控制绕组的电压频率

图5-17是一种采用商用交—直—交变频器的单机发电标量控制策略。该系统运行时主要扰动量为负载波动，为保证调节的快速性，采用电流源型逆变器，电压和电流双环调节。图中和Upm为功率绕组电压给定值和实际值，为通过Upm计算出的输入PI控制器的控制绕组电流给定值，为输入变频器的控制绕组电流给定值。

图5-17　无刷双馈发电机功率绕组幅值和频率闭环标量控制框图

功率绕组电压调节方法可以从无刷双馈电机折算后的等效电路图得到理论支持。图5-18是频率折算后无刷双馈电机等效电路图。当闭环控制系统检测到功率绕组发电电压低于设定值时，可以提高控制绕组给定电流，反之亦然。从图中可以看出，当控制绕组电流变大时，控制绕组与转子磁链产生的感应电动势增大，在其他情况不变时转子回路电流增大，由于励磁电流一般不超过主电流的10%，可以认为不变，这样功率绕组侧电流会随之增大，进而提高功率绕组侧输出电压。

图5-18　无刷双馈电机折算后的等效电路图

图5-19是8/4极绕线型转子样机在不同情况下控制绕组电压与功率绕组电压的实验数据图。从图中可以看出功率绕组发电电压与控制绕组电压之间满足一定线性关系。

变频器输出频率可由转速检测值ωr和功率绕组频率给定值计算得出，考虑到商用变频器频率给定是模拟信号，在频率值较大时误差较大，在转速较高时会有一定频率的漂移，因此采用频率闭环来消除这种影响。

标量控制采用静态等效电路，算法比较简单，容易在较低价格的微处理器上实现，可以在一定程度上提高BDFG的动态性能，适用于对动态性能要求不高的变速恒频发电场合。

2.标量控制运行仿真

根据前面推导的转子转速dq轴模型，分别基于电压源模型和电流源模型用Matlab的S函数编制无刷双馈电机发电模型。

BDFM发电运行电机仿真模型S函数采用Matlab提供的S函数模板，该模型包含7个状态变量x1、x2、…、x7分别对应式（5-24）和式（5-25）方程中的iqp、idp、iqc、idc、iqr、idr、Upm，输入量为功率绕组端发电给定频率fpg和电压幅值Upmg、转速n和负载阻抗大小ZL=RL+jXL=RL+j2πfpLL。输出变量为iqp、idp、iqc、idc、iqr、idr、Upm。

电机采用8/4绕线型转子无刷双馈电机，仿真参数为：pp=4，pc=2，J=0.03，rp=0.075Ω，rc=0.11Ω，rr=0.931Ω，lsp=0.04205H，lsc=0.16188H，lr=1.0775H，Mpr=0.11745H，Mcr=0.33585H。

详细的仿真模型读者可参考文献［50］，仅给出以下两种仿真结果。

（1）基于电压源控制的仿真结果。

图5-20～图5-22分别是稳态转速由495r/min突变到600r/min时功率绕组发电电压幅值、转矩、电压瞬时值仿真波形。控制绕组仿真采用理想电压源变频器，变频器频率由转速和功率绕组发电给定频率决定，变频器输出电压大小由PID闭环控制器输出决定。

图5-19　8/4极样机功率绕组电压与控制绕组电压关系实验数据

曲线1—转子转速225r/min，变频器频率5Hz；曲线2—转子转速300r/min，变频器频率10Hz；曲线3—转子转速290r/min，变频器频率8Hz

图5-20　转速突变功率绕组电压幅值波形

图5-21　转速突变转矩变化波形

图5-23～图5-26分别是稳态负载Z=10+j0.1变化为Z=40+j0.1时功率绕组发电电压幅值、转矩、电压瞬时值、电流瞬时值波形。仿真结果与实验结果有较好的一致性。

图5-22　转速突变功率绕组电压瞬时值波形

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图5-23　发电负载突变功率绕组电压幅值波形

图5-24　发电负载突变转矩波形

图5-25　发电负载突变功率绕组电压瞬时值波形

图5-26　发电负载突变功率绕组电流瞬时值波形

（2）基于电流源控制的仿真结果。

图5-27～图5-29分别是稳态转速由495r/min突变到600r/min时功率绕组发电电压幅值、转矩、电压瞬时值仿真波形。控制绕组仿真采用理想电流源变频器，变频器频率由转速和功率绕组发电给定频率决定，变频器输出电压大小由PID闭环控制器输出决定。

图5-30～图5-32分别是稳态负载Z=10+j0.1变化为Z=40+j0.1时功率绕组发电电压幅值、转矩、电压瞬时值波形。

图5-27　转速突变功率绕组电压幅值波形

图5-28　转速突变转矩变化波形

图5-29　转速突变功率绕组电压瞬时值波形

图5-30　发电负载突变功率绕组电压幅值波形

图5-31　发电负载突变转矩变化波形

图5-32　发电负载突变功率绕组电压瞬时值波形

标量控制采用偏差PID控制，在PID参数整定时需要综合考虑系统的快速性和稳定性。上述仿真波形图5-20～图5-26采用PID参数P=0.1，I=20，D=0，一般来说，当比例系数kp较小，积分系数kI较大时，稳态性能较好但抗扰能力较差，调节快速性欠佳。

图5-33和图5-34是PID参数整定为P=0.3，I=20，D=0时转速突变时功率绕组发电幅值和转矩变化波形。

图5-33　转速突变功率绕组发电幅值波形

图5-34　转速突变转矩变化波形

对比两组仿真波形可以看出：

1）转速突变时。前一组PID参数电压幅值最大波动320V，调整时间约为2s，转矩波动最大幅值约为65N·m，后一组PID参数对应转速突变时电压幅值最大波动290V，调整时间约为大于2s，转矩波动最大幅值约为55N·m。

2）负载突变时。前一组PID参数对应转速突变时电压幅值最大波动1000V，调整时间约为0.7s，转矩波动最大幅值约为50N·m，后一组PID参数对应转速突变时电压幅值最大波动300V，调整时间约为1s，转矩波动最大幅值约为25N·m。可见增大比例系数kp可以抑制动态过压，但其调整时间加长，可能会带来振荡，造成系统不稳定。

为了在获得稳态性能较好的电压幅值波形的同时保证调整的快速性，需要采用智能型PID调节器，它可以在电压波动超过一定范围时采用较大比例系数kp，在进入基本稳定时采用较小比例系数kp和较大积分系数kI。具体参数需要在实际系统中调配。