矢量解耦控制实现原理和应用

磁场定向控制的出发点是模拟直流电动机的控制原理，通过磁场定向的方式，借助于坐标变换，将异步电动机的三相动态方程变换为旋转坐标下的两相正交模型，从而将控制变量的定子电流分解为励磁分量和转矩分量，实现磁通和转矩的独立控制。

无刷双馈电机运行时，气隙磁场中存在不同转速的同步旋转磁场，无法像普通交流电机那样确定一个唯一的同步坐标系。若采用转子旋转坐标系，那么由于定子两套绕组极对数不同，转换到旋转坐标系后，各电压量、电流量、磁链量仍为交流量，无法达到普通异步电机的控制效果。为了解决这个矛盾，必须寻找一种新的旋转坐标系统，当电机内各量转换到该旋转坐标系后都能变成易于控制的直流量。

1.矢量控制策略

无刷双馈电机应用于单机发电场合时，其矢量控制策略与电动机运行不同。其给定量是功率绕组电压和频率。假定磁场定向控制后在功率绕组子系统同步坐标系上令功率绕组磁链与d轴重合，则功率绕组磁链为

忽略定子功率绕组的内阻，并保持功率绕组磁链不变，则

式中　Upm——实测功率绕组电压幅值。

将式（5-29）代入功率绕组同步坐标系下的磁链方程得

由于功率绕组电压Upm、功率绕组电流可以实时检测，因此式（5-30）等号右边是已知项。再由转子状态方程，考虑到pr同步坐标系各量均为直流量，数值计算和实际控制时如果实时周期很短，在一个步长或一个控制周期内微分量为零。

忽略转子内阻rr，可得

再根据转子状态方程在cr同步坐标系表达式，同样忽略直流量的微分项，可得到cr同步坐标系下控制绕组电流与转子功率绕组电流分量的关系

式（5-27）～式（5-32）构成无刷双馈电机发电磁场定向控制的依据（下标qp、dp分别表示功率绕组q、d轴分量；qc、dc表示控制绕组q、d轴分量；上标pr、cr分别表示功率绕组同步坐标系、控制绕组同步坐标系）。其控制原理框图如图5-35所示。

图5-35　无刷双馈发电运行矢量解耦控制原理图

无刷双馈电机发电磁场定向控制的方法如下：根据功率绕组幅值和频率可以得到pr同步坐标系功率绕组磁链给定量［由式（5-29）得到］和，磁场定向后=0。根据式（5-30）可以求解出转子电流与和的关系（通过功率绕组实际电流测量获得、实际大小），得到+和+大小。功率绕组在转子中产生电流分量、可以通过检测功率绕组实际电压值求得。这样就可以求得控制绕组在转子中产生电流分量的给定值、，再由式（5-32）求得控制绕组电流分量（cr同步坐标系）。这样控制绕组和功率绕组就完全解耦了。转子转速通过编码器测得，控制绕组频率fc=-（pp+pc）nr/60，分别计算出θp、θr、θc、θpr、θcr。

2.矢量控制仿真与分析(www.xing528.com)

图5-36为无刷双馈发电机的矢量解耦控制模型，BDFM的模型采用S函数编制电流模型，仿真模型中输入的参量u1～u10依次为：转子转速ωr，功率绕组频率给定，功率绕组电压幅值给定值，负载电阻值RL，负载电感值LL，控制绕组电流给定值、和控制绕组电流转子dqO坐标系下微分值。

图5-36中，下标a、b、c表示a、b、c三相，下标d、q表示d、q分量，下标最后位p、c分别表示功率绕组、控制绕组，下标s、r分别表示定子侧和转子侧；最前面的p表示微分算子。所以，iqp、idp、iqc、idc、iqr、idr分别表示功率绕组、控制绕组、转子绕组电流的q、d分量；iac、ibc、icc分别表示控制绕组的a、b、c相电流，而图中左下方的、分别表示电流iqc、idc对时间的微分。

图5-37～图5-40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、突变0.4s内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，变频器三相电流波形由矢量控制器运算后获得，采用电流滞环跟踪比较SPWM调制方法，变频和变压是自动实现的。

图5-36　无刷双馈发电机矢量解耦控制仿真结构图

图5-41～图5-43分别是稳态负载Z=10+j0.1变化为Z=5+j0.1时功率绕组发电电压幅值、转矩、电压瞬时值波形。对比标量控制，可以发现矢量解耦控制的动态响应性能要明显优于标量控制。

图5-37　转速突变发电电压幅值波形

图5-38　转速突变转矩波形

图5-39　转速突变发电电压瞬时值波形

图5-40　转速突变0.4s内发电电压瞬时值波形

图5-41　负载突变发电电压幅值波形

图5-42　负载突变转矩波形

图5-43　负载突变发电电压瞬时值波形