基于前饋控制的雙饋感應(yīng)電機(jī)矢量控制

摘要：基于雙饋感應(yīng)電機(jī)(DFIG)的五階數(shù)學(xué)模型，建立了以電網(wǎng)側(cè)電壓和轉(zhuǎn)子電流為控制量的簡化數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上分析了電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)的定子暫態(tài)電流的變化機(jī)理，提出一種轉(zhuǎn)子電流前饋控制策略，通過轉(zhuǎn)子阻尼電流消除電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的定子輸出電流波動(dòng)，從而提高DFIG的動(dòng)態(tài)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提控制策略的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞：感應(yīng)電機(jī)；矢量控制；前饋控制

1 引言
在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，基于DFIG的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)占據(jù)很大的比例，因此深入分析和研究雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制問題對(duì)提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能及效率有重要的意義。
近年來，各國學(xué)者對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常工況下的運(yùn)行機(jī)理及控制方法進(jìn)行了較完善的研究。文獻(xiàn)提出基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制
策略，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子電流有功分量和無功分量的解耦控制；文獻(xiàn)基于DFIG電網(wǎng)電壓定向控制，選取定子側(cè)輸出有功和無功功率為直接控制目標(biāo)。
傳統(tǒng)DFIG矢量控制是基于DFIG五階數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)的，通常利用轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)構(gòu)成，且將定子側(cè)電壓視為常量。在此基于一種簡化的DFIG
模型，考慮轉(zhuǎn)子電流和定子電壓兩個(gè)變量，分別構(gòu)成含反饋控制和前饋控制的矢量控制系統(tǒng)，提高了并網(wǎng)運(yùn)行效果，且增強(qiáng)了抑制電網(wǎng)波動(dòng)的能力。

2 雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型
利用交直交變頻器勵(lì)磁的DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)通過交直交變頻器進(jìn)行勵(lì)磁控制，定子側(cè)通過并網(wǎng)變壓器接入電網(wǎng)。通過對(duì)DFIG轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭?lì)磁控制，可以實(shí)現(xiàn)DFIG的變速恒頻發(fā)電。后面討論的DFIG穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)均采用該方法。

在同步旋轉(zhuǎn)d，q坐標(biāo)系下，DFIG的數(shù)學(xué)模型可表示為如下微分方程組：

式中：us，ur和is，ir分別為定、轉(zhuǎn)子電壓、電流矢量；ψs，ψr分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚?omega;r為轉(zhuǎn)子角速度；ωe為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；Ls，Lr分別為定、轉(zhuǎn)子電感；Lm為互感。
由DFIG的數(shù)學(xué)模型可見，定轉(zhuǎn)子各電磁物理量之間互相耦合影響。定子電流同時(shí)受轉(zhuǎn)子電壓和定子電壓的影響。

3 基于前饋控制的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制
分析DFIG數(shù)學(xué)模型，將定子磁鏈方程代入電壓方程，可得：

由于定子側(cè)電阻相比定子阻抗很小，故可略去以及RsωeLm。同時(shí)在采用電網(wǎng)電壓矢量定向控制中，d，q坐標(biāo)系中的d軸與定子電壓矢量方向保持一致，定子電壓q軸分量可認(rèn)為是零?；谝陨虾喕瓌t，可將式(3)化簡為：

從以上分析可知，由轉(zhuǎn)子電流和定子電壓至定子電流的傳遞函數(shù)共有3個(gè)，分別為定子電壓至轉(zhuǎn)子電流傳遞函數(shù)Gidud(s)和Giqud(s)、轉(zhuǎn)子電流對(duì)定子電流的傳遞函數(shù)Gisir(s)，其中Gisir(s)為常數(shù)，Gisir(s)=Lm／Ls。圖2示出開環(huán)頻譜。

式(5)表明，由定子電壓至定子電流的傳遞函數(shù)是一個(gè)二階環(huán)節(jié)。因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)一定波動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)電壓的變化將引起定子電流產(chǎn)生一個(gè)工頻周期振蕩分量，該振蕩分量將引起定子側(cè)輸出功率的振蕩。

因此，通過在轉(zhuǎn)子電流中引入一個(gè)與電網(wǎng)電壓振蕩分量相反的參考值恰好可對(duì)由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的定子電流振蕩形成阻尼作用。令：

轉(zhuǎn)子電流的參考值將由功率控制外環(huán)產(chǎn)生的電流給定值ird有功，irq無功與暫態(tài)阻尼電流irdd，irqd共同組成，即irdref=ird有功+irdd，irqref=irq無功+irqd。加入阻尼控制后的系統(tǒng)等效控制框圖如圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)
針對(duì)該前饋控制策略，設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1的DFIG實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)中雙PWM變換器的逆變級(jí)和整流級(jí)均以PM75RLA120型IPM為主體構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)以TMS320F2812微處理器為核心構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)雙PWM變換器的控制、通訊與保護(hù)功能。DFIG參數(shù)為：定子額定電壓380 V，額定電流6．8 A，轉(zhuǎn)子側(cè)額定電壓380 V，額定電流3．2 A，極對(duì)數(shù)為2，額定轉(zhuǎn)速1 800 r·min-1，定子電阻1．37 Ω，轉(zhuǎn)子電阻1．65 Ω，定子電感0．161 H。DFIG由一臺(tái)三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)中，DFIG轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1，基于前饋控制的DFIG定子側(cè)電壓電流如圖4所示。

圖4a為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)波形。此時(shí)DFIG定子側(cè)穩(wěn)定輸出有功功率2 kW。圖4b為有功功率給定值變?yōu)?．6 kW的動(dòng)態(tài)過程。可見DFIG定子側(cè)輸出能很好地跟蹤參考信號(hào)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速，且在電網(wǎng)電壓由于有功輸入增加而出現(xiàn)一定波動(dòng)時(shí)定子電流控制獲得了良好的穩(wěn)態(tài)特性。

5 結(jié)論
在雙饋感應(yīng)電機(jī)的簡化數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了電網(wǎng)電壓波動(dòng)與定子電流工頻周期振蕩分量之間的關(guān)系，提出在轉(zhuǎn)子電流控制中引入前饋控制，即在轉(zhuǎn)子電流的參考信號(hào)中加入增加系統(tǒng)阻尼的阻尼控制方法，以消除電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)定子輸出電流的影響，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。給出雙饋感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了所提控制策略的正確性。