基于前饋控制的雙饋感應電機矢量控制

摘要：基于雙饋感應電機(DFIG)的五階數學(xué)模型，建立了以電網(wǎng)側電壓和轉子電流為控制量的簡(jiǎn)化數學(xué)模型。在此基礎上分析了電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)的定子暫態(tài)電流的變化機理，提出一種轉子電流前饋控制策略，通過(guò)轉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)驗結果證明了所提控制策略的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞：感應電機；矢量控制；前饋控制

1 引言
在風(fēng)力發(fā)電系統中，基于DFIG的變速恒頻發(fā)電系統占據很大的比例，因此深入分析和研究雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統并網(wǎng)控制問(wèn)題對提高風(fēng)力發(fā)電系統的性能及效率有重要的意義。
近年來(lái)，各國學(xué)者對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統正常工況下的運行機理及控制方法進(jìn)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(shí)現了轉子電流有功分量和無(wú)功分量的解耦控制；文獻基于DFIG電網(wǎng)電壓定向控制，選取定子側輸出有功和無(wú)功功率為直接控制目標。
傳統DFIG矢量控制是基于DFIG五階數學(xué)模型設計的，通常利用轉子電流閉環(huán)構成，且將定子側電壓視為常量。在此基于一種簡(jiǎn)化的DFIG
模型，考慮轉子電流和定子電壓兩個(gè)變量，分別構成含反饋控制和前饋控制的矢量控制系統，提高了并網(wǎng)運行效果，且增強了抑制電網(wǎng)波動(dòng)的能力。

2 雙饋感應電機數學(xué)模型
利用交直交變頻器勵磁的DFIG風(fēng)力發(fā)電系統如圖1所示。DFIG轉子側通過(guò)交直交變頻器進(jìn)行勵磁控制，定子側通過(guò)并網(wǎng)變壓器接入電網(wǎng)。通過(guò)對DFIG轉子電流進(jìn)行適當的勵磁控制，可以實(shí)現DFIG的變速恒頻發(fā)電。后面討論的DFIG穩態(tài)運行狀態(tài)均采用該方法。

在同步旋轉d，q坐標系下，DFIG的數學(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、轉子電壓、電流矢量；ψs，ψr分別為定、轉子磁鏈矢量；ωr為轉子角速度；ωe為電機同步轉速；Ls，Lr分別為定、轉子電感；Lm為互感。
由DFIG的數學(xué)模型可見(jiàn)，定轉子各電磁物理量之間互相耦合影響。定子電流同時(shí)受轉子電壓和定子電壓的影響。

3 基于前饋控制的轉子勵磁控制
分析DFIG數學(xué)模型，將定子磁鏈方程代入電壓方程，可得：

由于定子側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軸分量可認為是零?；谝陨虾?jiǎn)化原則，可將式(3)化簡(jiǎn)為：

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

式(5)表明，由定子電壓至定子電流的傳遞函數是一個(gè)二階環(huán)節。因此，當電網(wǎng)電壓出現一定波動(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輸出功率的振蕩。

因此，通過(guò)在轉子電流中引入一個(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(wú)功與暫態(tài)阻尼電流irdd，irqd共同組成，即irdref=ird有功+irdd，irqref=irq無(wú)功+irqd。加入阻尼控制后的系統等效控制框圖如圖3所示。

4 實(shí)驗
針對該前饋控制策略，設計了一套系統結構如圖1的DFIG實(shí)驗系統。系統中雙PWM變換器的逆變級和整流級均以PM75RLA120型IPM為主體構成?？刂葡到y以TMS320F2812微處理器為核心構成，實(shí)現雙PWM變換器的控制、通訊與保護功能。DFIG參數為：定子額定電壓380 V，額定電流6．8 A，轉子側額定電壓380 V，額定電流3．2 A，極對數為2，額定轉速1 800 r·min-1，定子電阻1．37 Ω，轉子電阻1．65 Ω，定子電感0．161 H。DFIG由一臺三相異步電機驅動(dòng)。
實(shí)驗中，DFIG轉速為1 600 r·min-1，基于前饋控制的DFIG定子側電壓電流如圖4所示。

圖4a為穩態(tài)運行時(shí)波形。此時(shí)DFIG定子側穩定輸出有功功率2 kW。圖4b為有功功率給定值變?yōu)?．6 kW的動(dòng)態(tài)過(guò)程?？梢?jiàn)DFIG定子側輸出能很好地跟蹤參考信號，系統動(dòng)態(tài)響應快速，且在電網(wǎng)電壓由于有功輸入增加而出現一定波動(dòng)時(shí)定子電流控制獲得了良好的穩態(tài)特性。

5 結論
在雙饋感應電機的簡(jiǎn)化數學(xué)模型的基礎上，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，提出在轉子電流控制中引入前饋控制，即在轉子電流的參考信號中加入增加系統阻尼的阻尼控制方法，以消除電網(wǎng)電壓波動(dòng)對定子輸出電流的影響，提高系統的動(dòng)態(tài)響應。給出雙饋感應電機控制系統的穩態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗結果，驗證了所提控制策略的正確性。