全功率风电变流器的矢量控制与直接转矩控制策略

当前高性能的直驱式全功率风力发电机变流器控制策略概括起来主要有矢量控制策略和直接转矩控制策略两类。

1.矢量控制策略

矢量控制策略，也称磁场定向控制（Field Oriented Control，FOC），是由德国西门子公司的F.Blaschke等人在1971年首先提出的，其核心思想是将交流电机的三相电流、电压、磁链经坐标变换转换为以转子磁链定向的两相同步旋转的dq参考坐标系中的直流量，参照直流电机的控制思想实现转矩和励磁的控制。磁场定向矢量控制的优点是具有良好的转矩响应，精确的速度控制。永磁同步交流电机矢量控制技术的基本思想同样是在坐标变换和电机电磁转矩方程基础上，通过控制dq轴电流实现转矩和磁场控制。不论电机在低速还是在高速，电机的响应性能均十分优异。但是，矢量控制系统需要确定转子磁链位置，且需要进行坐标变换，运算量较大，而且还要考虑电机参数变动的影响，故系统比较复杂。

采用先进控制算法应用于矢量控制成为当前研究的热点，例如：将电机的负载扰动归为未知量，采用自抗扰控制（ADRC）进行估计、补偿和控制的自抗扰控制技术的永磁同步电机控制方案；将递归神经网络控制器作为速度控制器模拟在永磁同步电机参数变化和负载扰动下的最优速度输出；结合滑模控制和神经网络的优点，设计基于神经网络的永磁同步电机自适应滑模控制方案等。

在成熟的直驱式全功率风力发电机变流器产品中，采用矢量控制策略的有科孚德系列、斯维奇系列和VACON系列等。(www.xing528.com)

2.直接转矩控制策略

直接转矩控制策略（Direct Torque Control，DTC）是由德国M.Depenbrock教授和日本的Takahashi教授等人先后提出。与矢量控制不同，DTC直接利用两个滞环控制转矩和磁链调节器直接从最优开关表中选择最合适的定子电压空间矢量，进而控制逆变器的功率管开关状态和开关时间，实现转矩和磁链的快速控制。1997年由澳大利亚L Zhong、M F Rahman教授和中国胡育文教授合作提出了基于永磁同步电机的直接转矩控制方案，从而初步奠定了直接转矩控制应用于永磁同步电机的理论基础。

直接转矩控制的优越性在于：不需要矢量坐标变换，采用定子磁场定向控制，只需对电机模型进行简化处理，没有脉宽调制PWM信号发生器，控制结构简单，受电机参数变化影响小，能够获得较好的动态性能；定子磁链的控制在本质上不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性好，引入定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便地实现无速度传感器控制。但是常规直接转矩控制也存在不足，如：逆变器开关频率不固定和滞环宽度的选取问题使得转矩、电流波动大，转矩易产生稳态误差；转矩和磁链控制没有办法实现完全解耦；以开关选择表为基础，所能施加的电压矢量数量非常有限，会导致转矩与磁链的波动较大。在成熟的直驱式全功率风力发电机变流器产品中，采用直接转矩控制最成功的是ABBACS系列产品等。