基于矩阵变换器的无刷双馈电机调速系统及滑模控制方法与流程

1.本发明涉及电机控制技术，具体涉及一种基于矩阵变换器的无刷双馈电机调 速系统及滑模控制方法。


背景技术：

2.目前来说，用于风力发电的发电机主要包括同步发电机、双馈发电机以及异 步发电机三种类型。其中同步发电机又包括有永磁同步发电机以及绕线式转子同 步发电机两种，异步发电机包括有鼠笼式异步发电机以及绕线式转子异步发电机 两种。这几类发电机均有各自的优势与缺点，鼠笼式异步发电机的结构简单且易 于维护，但是鼠笼式异步发电机启动时的浪涌电流很大，因此在使用鼠笼式发电 机时，往往还需要配备一个软启动器；永磁同步发电机的功率密度比高，且不需 要额外的励磁，但是永磁同步电机的转子是由永磁体组成的，成本高，而且还会 存在着退磁的风险，这无疑又增加了维护成本；双馈发电机的无功功率是可控的， 且双馈发电机与永磁同步发电机一样，都通过转子来励磁，与此同时，双馈发电 机有亚同步、同步、超同步三种工作状态，因此，双馈发电机成为了目前在风力 发电领域当中最为广泛应用的一种发电机，但是，双馈发电机需要滑环与电刷， 而电刷与滑环的寿命短，这无疑增加了双馈电机的维护成本。
3.无刷双馈电机是由两台级联的异步电机发展而来，其不需要电刷与滑环，因 此降低了系统的后期维护成本，同时系统本身的可靠性也得到了提升。与双馈电 机相比，无刷双馈电机在继承了双馈电机的优点的同时，还比双馈电机拥有着更 广的调速范围，且无刷双馈电机的可靠性高，动态性能好，不需要滑环与电刷， 因此，无刷双馈电机在风力发电的领域内有着广阔的应用前景。
4.当下所采用的驱动无刷双馈电机的变频器多为传统的“交-直-交”变频器， 这种变频器通常前级是一个不控整流级，经过一个中间直流电容与后级的pwm 逆变级相连接。这种变频器的中间需要一个大电容来起到一个稳压的作用，这无 疑是增大了变频器的体积与成本，但是由于前级为不控整流电路，故这种变频器 的输入不可控、能量不能双向流动。因此，在此基础上，衍生出来了一种双pwm 变频器，与传统的“交-直-交”变频器不同，双pwm变频器的前级采用了pwm 整流电路，因此改善了传统“交-直-交”变频器的输入不可控以及能量不能双向 流动的缺点，但是中间直流电容所带来的变频器体积及成本增加的问题却无法解 决。
5.随着当下电力电子技术的迅猛发展，产生了一种可以直接进行“交-交”变 换的变换器—矩阵变换器(matrix converter，简称mc)。矩阵变换器不需要利用 中间的直流环节亦可以实现直接的“ac-ac”变换，因此与双pwm变频器相比， 矩阵变换器的功率密度比高，与此同时，矩阵变换器的开关均采用了双向开关， 故矩阵变换器也具有输入可控，以及保证电机四象限运行等优势。因此，将矩阵 变换器用作为驱动无刷双馈电机的变频器，且通过合理的控制方式对风力发电系 统进行调速控制，将是对风力发电系统的又一次提升。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种能实现电磁 转矩和无功功率的解耦控制、减小对电机参数依赖性的基于矩阵变换器的无刷双 馈电机调速系统的滑模控制方法。
7.本发明解决其技术问题采用的技术方案是，基于矩阵变换器的无刷双馈电机 调速系统，包括矩阵变换器、无刷双馈感应电机和鼠笼式感应电机，无刷双馈 感应电机的功率侧定子绕组“pw”与电网直接相连，控制侧定子绕组“cw”与 功率变换器的输出端相连，功率变换器的输入端经输入滤波器连接到电网上；鼠 笼式感应电机与无刷双馈感应电机同轴连接，用于提供负载转矩。
8.基于矩阵变换器的无刷双馈电机调速系统的滑模控制方法，包括所述的无刷 双馈电机调速系统，滑模控制方法包括如下步骤：
9.(1)利用电压、电流传感器采集静止坐标系下的电机功率侧定子绕组的三 相相电压u
pa
、u
pb
、u
pc
和三相电流i
pa
、i
pb
、i
pc
和电机功率侧绕组三相定子电流i
ca
、 i
cb
、i
cc
；利用增量式编码器测量无刷双馈感应电机的转子速度nr和转子位置角θr；
10.(2)定位于功率侧定子磁链侧，将检测到的三相静止坐标系下的无刷双馈 感应电机功率侧定子绕组的三相电压u
pa
、u
pb
、u
pc
和三相电流i
pa
、i
pb
、i
pc
进行 park变换和clarke变换，得到两相旋转坐标系下的电压u
pd
、u
pq
和电流i
pd
、i
pq
， 磁链ψ
pa
、ψ
pb
、ψ
pc
；其中：
11.功率侧定子磁链在参考坐标系下的分量分别为：
12.ψ
p
＝l
pip
m
p
ir13.功率侧电压在参考坐标系下的分量分别为：
[0014][0015]
(3)根据电压与磁链关系式，获取功率侧绕组的定子磁链幅值|ψ
p
|、相角θ
p
、 频率ω
p
和磁链ψ
p
；利用检测到的转子位置角θr和电机的极对数，计算功率侧定 子磁链角θc＝θ
p-(p
p
pc)θr；建立两相同步旋转坐标系，将实测的功率侧定子三 相电压和控制侧定子三相电流进行clarke和park坐标变换，分别得到参考坐标 系下的电压和电流，得到电压与电流u
pd
、u
pq
、u
cd
、u
cq
、i
pd
、i
pq
、i
cd
、i
cq
；在 此基础上，忽略转子电阻的影响，推导出电磁转矩和无功功率与控制侧定子电流 的稳态关系表达式，
[0016]
电磁转矩和控制侧定子电流关系表达式为：
[0017]
无功功率和控制侧定子电流关系表达式为：
[0018][0019]
本发明针对现有无刷双馈感应电机的控制方案解耦复杂、动态性能差等缺点， 采用功率侧定子磁链定向，利用转速和无功功率外环pi控制、电流内环滑模控 制的双闭环级联结构实现了利用低压变频器控制高压电机的目的，该发明不仅可 以保证无刷双馈感应电机调速系统的静态性能，在负载、速度突变的情况下也能 保证良好的动态响应性能，且该技术方案对参数的依赖性小，扩大了无刷双馈感 应电压的应用范围，有助于推动无刷双
馈感应电机的工业应用进程。
附图说明
[0020]
图1是本发明实施例中无刷双馈感应电机系统的整体方案示意图；
[0021]
图2是图1所述实施例中无刷双馈感应电机的控制框图；
[0022]
图3是图1所述实施例中无刷双馈感应电机的电网锁相环结构图；
[0023]
图4是图1所述实施例中无刷双馈感应电机滑模控制的空载仿真图；
[0024]
图5是图1所述实施例中无刷双馈感应电机滑模控制的参考转速突变仿真图；
[0025]
图6是图1所述实施例中无刷双馈感应电机滑模控制的负载转矩突变仿真图。
[0026][0027]
文字阐述和图中的变量说明如下：
[0028]
ψ,v,i,te,q分别表示磁链、电压、电流、电磁转矩和无功功率；
[0029]
r,l,m,l1分别表示电机的电阻、自感、互感和漏感；
[0030]
p表示电机的极对数；
[0031]
分别表示功率侧定子磁链、转子磁链和控制侧定子磁链的角度；
[0032]
nr,ωr分别表示电机的转速和转子的电角频率；
[0033]
下标p,c,r分别表示无刷双馈感应电机的功率侧定子绕组、控制侧定子绕 组和转子绕组；
[0034]
下标a,b,c分别表示无刷双馈感应电机的三相绕组；
[0035]
下标pd,pq分别表示为功率侧定子绕组相关电量的d轴和q轴分量；
[0036]
下标cd,cq分别表示为控制侧定子绕组相关电量的d轴和q轴分量；
[0037]
下标α,β分别表示两相静止坐标系的α轴和β轴；
[0038]
上标*表示给定参考值。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0040]
图1所示为本实施例的矩阵变换器-无刷双馈感应电机驱动系统的整体方案 示意图，主要包括矩阵变换器1、无刷双馈感应电机2和鼠笼式感应电机3。无 刷双馈感应电机2的功率侧定子绕组“pw”与电网直接相连，而控制侧定子绕 组“cw”与功率变换器的输出端相连，功率变换器的输入端经输入滤波器连接 到电网上。鼠笼式感应电机3与无刷双馈感应电机2同轴连接，用于提供负载转 矩。利用电流、电压传感器测量控制侧定子绕组和功率侧定子绕组的电压和电流 信号，以及电机机械转速和转子位置角，并通过相关的控制算法和调制算法，通 过控制矩阵变换器输出功期望的控制侧定子电压，实现对整个驱动系统的控制。
[0041]
图2所示为本实施例的不平衡电网下矩阵变换器-无刷双馈感应电机驱动系 统的滑模控制框图，主要包括不平衡电网下的电网锁相环、无功功率观测器、转 速调节器、无功功率调节器、电流调节器以及矩阵变换器等几个部分。双馈感应 电机驱动系统的滑模控制方法的具体步骤如下：
[0042]
(1)通过电压、电流传感器检测静止坐标系下的功率侧定子相电压u
pa
、u
pb
、u
pc
和定
子电流i
pa
、i
pb
、i
pc
，利用电流传感器检测静止坐标系下的功率侧绕 组三相电流i
ca
、i
cb
、i
cc
。
[0043]
(2)将检测到的三相静止坐标系下的无刷双馈感应电机功率侧定子绕组的 三相电压u
pa
、u
pb
、u
pc
和三相电流i
pa
、i
pb
、i
pc
进行park变换和clarke变换，得 到两相旋转坐标系下的电压u
pd
、u
pq
和电流i
pd
、i
pq
，磁链ψ
pa
、ψ
pb
、ψ
pc
；其中：
[0044]
功率侧定子磁链在参考坐标系下的分量分别为：
[0045]
ψ
p
＝l
pip
m
p
ir[0046]
功率侧电压在参考坐标系下的分量分别为：
[0047][0048]
(3)定位于功率侧定子磁链侧，根据电压与磁链关系式，获取功率侧绕组 的定子磁链幅值|ψ
p
|、相角θ
p
、频率ω
p
和磁链ψ
p
；利用检测到的转子位置角θr和 电机的极对数，计算功率侧定子磁链角θc＝θ
p-(p
p
pc)θr；忽略转子电阻的影响， 可以得出电磁转矩和功率侧无功功率与控制侧定子电流的关系表达式，分别为：
[0049][0050][0051]
本实施例的滑模控制主要包含两个要点，其一是存在一个控制律，使得系统 的初始点在状态空间任意位置均能于有限时间内到达滑模面，其二是系统在到达 滑模面后，系统最终将收敛于状态空间原点。对于传统的滑模控制而言，由于切 换开关并不具有理想开关特性，因此，传统的滑模控制存在着“抖振”现象，这 将在一定程度上影响系统的控制效果，更严重时，将导致系统失稳。因此，本实 施例引入了一种基于super-twisting的二阶滑模控制器来进行无刷双馈电机的电 流内环设计。super-twisting算法具体可表示为：
[0052][0053]
对dq两相旋转坐标系下的参考电压矢量u
cd*
、u
cq*
利用θc进行坐标变换后， 得到三相静止坐标系下下的调制电压u
ca*
、u
cb*
和u
cc*
，然后采用空间矢量调制策 略或载波调制策略产生逆变器的开关驱动信号，并通过驱动电路作用于矩阵变换 器，完成对无刷双馈感应电机的控制。
[0054]
采用本实施例构成的无刷双馈感应电机滑模控制方法，仿真实验结果如图 4-6所示。电机参数如下：额定功率为30kw；功率侧定子绕组极对数为1；控制 侧定子绕组极对数为3；功率侧定子电阻为0.403ω；控制侧定子绕组为0.268ω； 转子电阻为0.785ω；功率侧定子电感为0.710h；控制侧定子电感为0.0476h； 转子电感为0.760h；功率侧定子绕组与转子绕组互感为0.706h；控制侧定子绕 组与转子绕组互感为0.0462h；电机转动惯量为0.7kg.m2。
[0055]
图4为所提滑模控制下给定转速600r/min、给定无功功率为0var时的实验 波形，无刷双馈电机的实际转速在1.5s内达到稳态，并稳定在600r/min，稳态 误差为零，而无刷
双馈电机控制侧定子电流i
cd
、i
cq
在1.5s之后都分别稳定在0a 和-20a附近。
[0056]
图5为所提滑模控制下转速由600r/min增加到800/min时的实验波形图， 可见转子速度可以很好地跟踪给定值，且上升时间为1.5s达到稳定，具有良好 的动态性能，与此同时，为使得无刷双馈电机的实际转速能够顺利的跟踪上给定 值，无刷双馈电机的电磁转矩在转速突变时有一个大约60n
·
m的增加，但随即 在1.5s内又恢复到0nm，如图5所示，i
cd
在转速突变时有不到15a的突变，但 是在1.5s内便恢复到了0a，i
cq
在转速发生突变时有大约3a的突变，但是在0.5s 内便恢复到了-20a。
[0057]
图6为所提滑模控制下参考转速在600r/min时，给系统增加一个突变的负 载转矩，使得负载转矩从0n.m增加到30n.m时的实验波形，此时电机转速和无 功功率出现暂时波动，但很快达到稳定状态，控制侧定子电流q轴分量增加以补 偿负载转矩，且功率侧有功功率增加。
[0058]
因此，实验结果验证了本实施例公开的矩阵变换器-无刷双馈感应电机驱动 系统下滑模控制方案的可行性和有效性。
[0059]
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型 在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也仍在本发明专 利的保护范围之内。
[0060]
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。