无刷双馈电机直接功率控制策略的研究

摘  要：文章针对无刷双馈感应发电机统一矢量模型进行理论分析，提出了一种直接功率控制策略，该策略对于无刷双馈感应发电机的有功功率和无功功率的控制效果较好，具有较强鲁棒性。随后在Matlab/Simulink中建立了无刷双馈发电机风力发电控制系统的仿真模型进行仿真试验研究，验证了控制系统有良好的性能。

关键词：无刷双馈感应发电机;统一矢量模型;直接功率控制;仿真验证;风能转换系统

中图分类号：TP391.9       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）36-0012-03

Abstract： In this paper， a Direct Power Control System is proposed for the Brushless Doubly-Fed Induction Generator （BDFIG） based on the theoretical analysis of generalized vector model. The control system can effectively control the performance of the active power and reactive power. Then， an extensive simulation verification， using MATLAB/Simulink， is conducted on a 15 kW BDFIG. Simulink results show that the system has good control performance.

Keywords： Brushless Doubly-Fed Induction Generator; Generalized Vector Model; Direct Power Control; Simulation Verification; Wind Energy Conversion System

引言

近年來，无刷双馈电机由于其在海上风力发电和交流拖动系统（泵和风机类负载）领域的良好应用前景而受到广泛关注[1]。无刷双馈电机定子由两套不同极对数的绕组组成：功率绕组接电网，控制绕组接变流器三相输出。转子有多种结构，本文研究用样机为特殊笼型转子[2]，即无刷双馈感应电机。

本文通过对功率绕组电压定向的统一矢量模型的分析，提出了一种新型的有功和无功功率直接控制策略，该控制策略避免了对电机参数的依赖，且仅有两个PI调节器，使得控制系统更加简化。为了验证直接功率控制的优越性，搭建了Matlab/Simulink仿真实验模型进行控制策略的试验。试验结果表明直接功率控制策略具有良好的动静态性能。

3 仿真试验

为了验证所提出的直接功率控制方法的性能，运用Matlab/Simulink进行了仿真实验。

3.1 稳态运行响应

图2所示为直接功率控制系统稳态运行的有功功率、无功功率、转矩、转速的仿真结果。发电机运行转速为650r/min，转矩为-50N·m，有功功率参考值为-4kW（发电），无功功率参考值为0。由图2可得出，控制系统在稳态运行时对有功和无功功率控制效果良好，脉动较小。

3.2 动态运行响应

图3所示为无刷双馈感应电机由风力机拖动发电时的有功功率、无功功率、转矩、转速动态运行仿真波形。风力机输出功率为无刷双馈感应电机的有功功率参考值，风力机的输出转矩带动无刷双馈感应电机转动，无功功率参考值设定：0～2s为-2000var，2～4s为2000var，4～6s为-2000var，风速为随机给定。

4 结束语

本文在无刷双馈感应发电机的统一矢量模型的基础上提出了直接功率控制策略。通过仿真试验可以看出，控制系统有功功率和无功功率的脉动较小、功率器件的开关频率固定，具有良好动静态响应，并且控制系统只需两个PI调节器。在Matlab/Simulink中建立了无刷双馈感应发电机的仿真模型，通过仿真试验的验证，证明了所提出的控制策略具有良好的动静态性能。

参考文献：

[1]MCMAHON R A，ROBERTS P C，WANG X. Performance of BDFM as generator and motor[J]. Electric Power Applications， 2006，153（2）：289-299.

[2]STROUS T，WANG X，POLINDER H. Brushless Doubly-Fed Induction Machines： Magnetic-Field Analysis[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2016，52（11）：1-1.

[3]BARATI F，ORAEE H，ABDI E. Derivation of a vector model for a Brushless Doubly-Fed Machine with multiple loops per nest[J]. Industrial Electronics Conference，2008：606-611.

[4]ADEMI S，JOVANOVIC M G. Vector Control Methods for Brushless Doubly Fed Reluctance Machines[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62（1）：96-104.

[5]段琦玮，刘石，龙腾. 基于统一矢量模型的无刷双馈电机的转速控制[J].自动化仪表，2017，38（6）：1-5+11.