基于前饋控制的雙饋感應(yīng)電機矢量控制

摘要：基于雙饋感應(yīng)電機(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)電壓波動時的定子暫態(tài)電流的變化機理，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)電壓波動引起的定子輸出電流波動，從而提高DFIG的動態(tài)性能。實驗結(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；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)者對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常工況下的運行機理及控制方法進行了較完善的研究。文獻提出基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制
策略，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子電流有功分量和無功分量的解耦控制；文獻基于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)運行效果，且增強了抑制電網(wǎng)波動的能力。

2 雙饋感應(yīng)電機數(shù)學(xué)模型
    利用交直交變頻器勵磁的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行勵磁控制，定子側(cè)通過并網(wǎng)變壓器接入電網(wǎng)。通過對DFIG轉(zhuǎn)子電流進行適當(dāng)?shù)膭畲趴刂?，可以實現(xiàn)DFIG的變速恒頻發(fā)電。后面討論的DFIG穩(wěn)態(tài)運行狀態(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，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)是一個二階環(huán)節(jié)。因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)一定波動時，電網(wǎng)電壓的變化將引起定子電流產(chǎn)生一個工頻周期振蕩分量，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)子電流中引入一個與電網(wǎng)電壓振蕩分量相反的參考值恰好可對由電網(wǎng)電壓波動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 實驗
    針對該前饋控制策略，設(shè)計了一套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1的DFIG實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)中雙PWM變換器的逆變級和整流級均以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，實現(xiàn)雙PWM變換器的控制、通訊與保護功能。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由一臺三相異步電機驅(qū)動。
    實驗中，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)運行時波形。此時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的動態(tài)過程。可見DFIG定子側(cè)輸出能很好地跟蹤參考信號，系統(tǒng)動態(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)一定波動時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)電機的簡化數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了電網(wǎng)電壓波動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)電壓波動對定子輸出電流的影響，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。給出雙饋感應(yīng)電機控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)實驗結(jié)果，驗證了所提控制策略的正確性。