转子侧变流器直接控制转矩

直接转矩控制（DTC）技术是继矢量控制技术之后又一种新型具有高性能的交流变频调速技术。

直接转矩控制是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。与矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，而将定子电流分解为转矩分量和励磁分量，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测发电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算发电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值的符号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能，实现磁链和转矩的直接控制。它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受发电机参数变化的影响、实际性能难于达到理论分析结果等问题。

在普通感应发电机直接转矩控制中，靠控制定子磁链来控制转矩，而双馈发电机的直接转矩控制通过控制转子磁链走走停停，来控制发电机转矩，调节转速。

1.双馈发电机磁链、转矩关系

考虑直接转矩控制的特点，双馈发电机的数学模型应建立在转子双轴d-q旋转坐标系上。其转矩方程为

式中 γ——定子磁链与转子磁链之间夹角。

在双馈电动机中，定子磁链为

ψ₁（t）＝∫(u₁（t）－R₁i₁（t）)dt （8-44）

若忽略转子电阻压降影响，转子磁链的计算表达式为

ψ₂（t）≈∫u₂（t）dt （8-45）

为分析方便，将式（8-45）改写为微分方程，并离散化，得到

式中 ΔT₂——采样周期。

转子磁链可以通过两相静止坐标系上的转子电压和电流观测出来。

ψ_α2＝∫e_α2dt＝∫（u_α2－i_α2R₂）dt

ψ_β2＝∫e_β2dt＝∫（u_β2－i_β2R₂）dt （8-47）磁链幅值和旋转角的计算如下

图8-29 采用定子磁链定向双馈发电机矢量控制框图

磁链幅值可以反馈到磁链控制器中，旋转角用来寻找转子磁链位于的扇区。由两相坐标系上的转子磁链和转子电流分量可以估计出转矩

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2.直接转矩控制系统

由于定子侧与电网连接，电压u₁的幅值和频率保持不变，所以定子磁链的幅值和转速是基本恒定的，要实现对于双馈电机的功率、转矩控制，是依靠控制施加于转子的电压矢量进行，这就提出了一个关于转子磁链控制的问题。

施加在转子绕组上的电压矢量的切线分量改变转矩角，电压矢量的轴线分量改变磁链幅值大小。通过选择八个电压矢量（六个开关转态和两个零转态）的切换时刻、顺序，达到控制转子磁链、转矩的目的，其开关状态对应的空间向量如图8-30所示。根据控制需要，不同扇区电压矢量的选择如表8-1所示，其中，Δψ和ΔM_e分别为给定磁链、转矩和测量磁链、转矩之差，按照逻辑法控制，“1”代表差为正，“0”代表差为负。

表8-1 根据转矩和磁链控制需要的转子电压矢量选择

图8-30 逆变器开关状态和空间向量关系

当施加转子电压矢量按顺序u₂₁→u₂₂→u₂₃→u₂₄→u₂₅→u₂₆给出时，磁链轨迹按逆时针方向S₅→S₆→S₁→S₂→S₃→S₄旋转，称为正转，与定子磁链旋转方向相同，为亚同步状态；当施加转子电压矢量按顺序u₂₁→u₂₆→u₂₅→u₂₄→u₂₃→u₂₂给出时，磁链轨迹按顺时针方向S₂→S₁→S₆→S₅→S₄→S₃旋转，称为反转，与定子磁链旋转方向相反为超同步转态。

通过控制施加的转子电压矢量可以控制转子磁链矢量的旋转方向和幅值大小，调节定子磁链和转子磁链间的夹角，由式（8-43）可知，进而调节输出转矩和输出功率大小。可采用查表逻辑法确定功率开关器件的开关状态与磁链状态的对应关系，如表8-1所示，实时控制时，通过检测到的磁链状态来确定所要施加的转子电压矢量。

3.控制系统框图

双馈变速恒频风电机组的直接转矩控制框图如图8-31所示，各单元功能分述如下：

图8-31 双馈变速恒频风电机组的直接转矩控制框图

磁链模型单元AMM用来计算转子磁链α-β坐标系上的分量，根据式（8-47）逐步积分得来。

AMC为实际转矩计算单元，根据式（8-49）计算而来。

UCT单元为α-β坐标系与a-b-c三相坐标系的变换。

磁链自控制单元DMC通过三个磁链触发比较器来产生IGBT桥电路的开关信号逻辑状态，控制转子侧桥电路，给出相应的空间电压矢量时序图。

AZS为开关状态的零状态选择单元，插入零向量控制磁链运动的平均速度，从而控制输出转矩的大小。

转矩调节器ATR是一个带容差施密特触发器，根据转矩给定值和反馈值的比较，控制转矩接通开关为DMC还是AZS的零状态。通过调节，使电压空间矢量的工作状态与零状态交替接通，控制转子磁链走走停停，保持转矩动态平衡在容差范围内，从而达到控制转矩的目的。

转矩的给定值通过实测的发电机转速，根据风力发电机组的优化功率输出曲线和最大能量捕获规则（MPPT）查表得来。

监测的发电机转速需送到DMC控制单元，判断亚同步状态或超同步状态的发电工况。