劉 愉，韋忠朝，高信邁，陳前臣

（1華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074；2武漢豪邁電器設(shè)備有限公司，湖北武漢 430074）

無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的一種標(biāo)量控制方法

劉 愉1，韋忠朝1，高信邁2，陳前臣2

（1華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074；2武漢豪邁電器設(shè)備有限公司，湖北武漢 430074）

隨著無(wú)刷雙饋電機(jī)（BDFM）理論的日趨成熟，該類(lèi)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電等工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越體現(xiàn)出廣泛的前景。分析了無(wú)刷雙饋電機(jī)工作原理以及無(wú)刷雙饋?zhàn)兯俸泐l發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。依據(jù)BDFM在d－q坐標(biāo)系的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，提出變速恒頻運(yùn)行條件下獨(dú)立發(fā)電的標(biāo)量控制策略。最后搭建Matlab／Simulink模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證了該策略的可行性，并提出了一些提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的方法。

無(wú)刷雙饋電機(jī)；標(biāo)量控制；數(shù)學(xué)模型；仿真

上個(gè)世紀(jì)以來(lái)，從“兩臺(tái)異步電機(jī)同軸級(jí)連以獲得一種新的運(yùn)行方式”的發(fā)現(xiàn)，到Hunt電機(jī)的誕生，再到Broadway通過(guò)改進(jìn)Hunt電機(jī)繞組最終誕生了無(wú)刷雙饋電機(jī)雛形，人們已經(jīng)逐漸將無(wú)刷雙饋電機(jī)本體設(shè)計(jì)推向了一個(gè)較成熟的階段。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛展開(kāi)了對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型以及雙軸模型的探究，為無(wú)刷雙饋電機(jī)動(dòng)態(tài)仿真和系統(tǒng)的建立奠定了基礎(chǔ)［1］。

本文分析了BDFM的工作原理以及它在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)BDFM在dq坐標(biāo)系的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，提出了一種變速恒頻運(yùn)行條件下的獨(dú)立發(fā)電的標(biāo)量控制策略。應(yīng)用此控制方法，對(duì)不同轉(zhuǎn)速以及不同負(fù)荷下雙饋電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行仿真，并提出了一些提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的方法。

1 無(wú)刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行原理

無(wú)刷雙饋電機(jī)是由兩臺(tái)同軸級(jí)聯(lián)的繞線式感應(yīng)電機(jī)演變而來(lái)的，兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組反相連接實(shí)現(xiàn)能量的傳遞：電網(wǎng)從第一臺(tái)電機(jī)的定子輸入功率傳遞到轉(zhuǎn)子側(cè)，進(jìn)而通過(guò)轉(zhuǎn)子傳遞到第二臺(tái)電機(jī)的定子側(cè)作為功率輸出。

無(wú)刷雙饋電機(jī)運(yùn)行如圖1所示，兩套定子繞組分別為功率繞組和控制繞組，一般功率繞組接電網(wǎng)，控制繞組通過(guò)可逆變頻器接到電網(wǎng)。定子的兩套繞組是經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的，它們能夠在空間產(chǎn)生兩種不同頻率的磁場(chǎng)，而且兩套繞組之間沒(méi)有直接的電磁耦合。轉(zhuǎn)子部分是雙饋電機(jī)最重要的組成部分，它與兩種不同頻率的磁場(chǎng)耦合，通過(guò)自身的磁場(chǎng)調(diào)制機(jī)理，實(shí)現(xiàn)電磁能量的傳遞。轉(zhuǎn)子通常設(shè)計(jì)為繞線式、特殊籠式或者磁阻式結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子繞組的極對(duì)數(shù)與定子繞組的極對(duì)數(shù)有關(guān)。

圖1 無(wú)刷雙饋電機(jī)發(fā)電接線圖

假定功率側(cè)定子繞組極對(duì)數(shù)是Pp，控制側(cè)定子繞組的極對(duì)數(shù)是Pc，則電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)由

計(jì)算。式（1）中±取決于兩臺(tái)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子相對(duì)相序。當(dāng)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為Pr＝Pp＋Pc時(shí)稱(chēng)為“和調(diào)制”；當(dāng)Pr＝Pp－Pc時(shí)稱(chēng)為“差調(diào)制”。采用“和調(diào)制”時(shí)，等效極數(shù)較多，電機(jī)自然同步速轉(zhuǎn)速較低，整個(gè)電機(jī)的電磁功率為定子兩種極數(shù)繞組提供的電磁功率之和。由于“和調(diào)制”下的電機(jī)具有較好的特性，比較適合低速風(fēng)力或水力發(fā)電，所以通常采用“和調(diào)制”的方式［2］。

1.1 無(wú)刷雙饋電機(jī)的變速恒頻發(fā)電原理

發(fā)電運(yùn)行時(shí)，功率繞組始終接電網(wǎng)。這里規(guī)定功率繞組合成的氣隙磁場(chǎng)的方向始終為逆時(shí)針，原動(dòng)機(jī)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)也選取逆時(shí)針?lè)较?，?jiàn)圖2。

圖2 無(wú)刷雙饋電機(jī)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)示意圖

原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子繞組以轉(zhuǎn)速nr旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在控制繞組中通入頻率為nr的三相對(duì)稱(chēng)交流勵(lì)磁電流，其在空間會(huì)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的電氣角速度為nr（假定逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)椋?，否則為－），在轉(zhuǎn)子繞組中會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)的感應(yīng)電流，電氣角速度為：

同理，功率繞組中流通著頻率為fp的三相交流電流，其電氣角速度為ωp，在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的交流電流，電氣角速度為：

因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組中，兩套繞組是反相序連接，所以有ωrc＝－ωrp，則將式（2）、式（3）代入得：

將定子繞組角速度換算成頻率值，轉(zhuǎn)子角速度換算成轉(zhuǎn)速得

由上式看出，隨著轉(zhuǎn)速的變化，可以通過(guò)變頻器來(lái)調(diào)節(jié)控制繞組電流的頻率fc，使得功率側(cè)輸出電壓保持在工頻50Hz，這樣就實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制。

1.2 無(wú)刷雙饋獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)各轉(zhuǎn)速下的能量流動(dòng)

無(wú)刷雙饋電機(jī)在變速恒頻條件下發(fā)電時(shí)，能量流動(dòng)方向與電機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。借助文獻(xiàn)［3］的分析，可以知道：

2 獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)控制的實(shí)現(xiàn)

無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可被應(yīng)用于大功率風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，這主要是由于其取消了有刷雙饋發(fā)電機(jī)的滑環(huán)和電刷設(shè)計(jì)，具備較好的可維護(hù)性和穩(wěn)定性。事實(shí)上，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域也有一定的發(fā)展前景。要使其得到推廣，該系統(tǒng)需要有良好的變速恒頻特性和較好的穩(wěn)壓特性。本套系統(tǒng)立足于這兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)無(wú)刷雙饋電機(jī)的閉環(huán)控制。

由前面分析知，無(wú)刷雙饋電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，不考慮電磁飽和且負(fù)載一定時(shí)，控制側(cè)定子繞組通入的勵(lì)磁電流越大，功率側(cè)定子繞組輸出電壓幅值就越大，因此可以將功率側(cè)輸出電壓設(shè)定值與實(shí)際反饋值的差值送到電壓PI控制器，將控制器輸出值作為控制側(cè)勵(lì)磁電流的給定值，從而實(shí)現(xiàn)功率繞組恒壓輸出的控制；在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，由推導(dǎo)公式（5）可知，如果對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便可以通過(guò)對(duì)控制側(cè)定子電壓的頻率調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率繞組輸出電壓頻率的恒定。這樣便可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率繞組輸出電壓幅值和頻率的控制?；谶@種分析，得到本套系統(tǒng)的控制框圖見(jiàn)圖3。

圖3 無(wú)刷雙饋獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)控制框圖

2.1 無(wú)刷雙饋電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證上述獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)量控制理論的可行性，下面使用Matlab／Simulink工具搭建系統(tǒng)進(jìn)行仿真和比較。仿真參數(shù)設(shè)定為：功率繞組定子極對(duì)數(shù)Pp為1，電阻Rp為0.274Ω，自感Lsp為0.041 H，與轉(zhuǎn)子互感Mpr為0.035H；控制側(cè)定子極對(duì)數(shù)Pc為3，電阻Rc為0.033Ω，自感Lsc為0.033H，與轉(zhuǎn)子互感Mcr為0.028H；轉(zhuǎn)子側(cè)電阻Rr為0.481 Ω，自感Lr為0.071H；依據(jù)以上分析，這里使用S函數(shù)搭建無(wú)刷雙饋電機(jī)模型，使用Simulink中的SimPowerSystems子模塊搭建外圍控制模塊。

轉(zhuǎn)速擾動(dòng)仿真：將功率側(cè)輸出電壓設(shè)定值設(shè)定為380V，所帶負(fù)載每相設(shè)定值為R＝10Ω，L為0.01H。在第一秒時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速設(shè)定為500r／min的亞同步轉(zhuǎn)速，t＝1s時(shí)刻轉(zhuǎn)速突變?yōu)樽匀煌睫D(zhuǎn)速750r／min，t＝2.5s時(shí)刻轉(zhuǎn)速突變?yōu)?00r／min的超同步轉(zhuǎn)速。圖4、圖5分別為轉(zhuǎn)速擾動(dòng)過(guò)程中電壓幅值、電壓及電流瞬時(shí)值的仿真結(jié)果。

圖4 轉(zhuǎn)速擾動(dòng)下的功率側(cè)電壓幅值

圖5 轉(zhuǎn)速擾動(dòng)下的功率側(cè)電壓與電流瞬時(shí)值

由圖4和圖5知轉(zhuǎn)速擾動(dòng)對(duì)輸出電壓品質(zhì)有一定程度的影響，分析這種波動(dòng)產(chǎn)生的原因，由于控制側(cè)與功率側(cè)輸出功率之比等于二者頻率比［2］，系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的變化會(huì)引起控制側(cè)電壓頻率的變化，而功率側(cè)為恒頻電壓，故知功率側(cè)輸出功率會(huì)隨之改變，表現(xiàn)為功率側(cè)輸出電壓的突變；而又由于系統(tǒng)閉環(huán)，控制側(cè)幅值緊跟著會(huì)做出改變來(lái)維持功率側(cè)輸出電壓幅值的恒定。就此分析可知，要改變動(dòng)態(tài)性能，就要調(diào)節(jié)PI環(huán)節(jié)參數(shù)。

負(fù)載擾動(dòng)仿真：將功率側(cè)輸出電壓設(shè)定值設(shè)為380V，轉(zhuǎn)速定為900r／min，負(fù)載側(cè)L設(shè)為0.01H，R的變化為：初始值為5Ω，而在t＝1s時(shí)突變?yōu)? Ω，t＝2s時(shí)突變?yōu)?0Ω。圖6、圖7分別為轉(zhuǎn)速擾動(dòng)過(guò)程中電壓幅值、電壓及電流瞬時(shí)值的仿真結(jié)果（圖6、圖7）。

由圖6和圖7知負(fù)載擾動(dòng)對(duì)輸出電壓品質(zhì)有一定影響，但是動(dòng)態(tài)過(guò)程中電壓幅值超調(diào)較小，可知該系統(tǒng)輸出抗負(fù)載干擾能力較好。分析這種情況下的電壓波動(dòng)原因：無(wú)刷雙饋電機(jī)功率側(cè)輸出電壓穩(wěn)定時(shí)，負(fù)荷突變，對(duì)應(yīng)的功率定子側(cè)電流會(huì)產(chǎn)生突變，進(jìn)而對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，功率側(cè)輸出電壓會(huì)產(chǎn)生突變；這時(shí)由于閉環(huán)的作用，變頻器對(duì)控制繞組側(cè)定子電壓幅值進(jìn)行調(diào)整，從而調(diào)節(jié)了電機(jī)勵(lì)磁，以維持功率側(cè)電壓幅值的穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)兩種情況下的仿真，初步驗(yàn)證了無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)電壓─電流雙閉環(huán)控制的可行性，為無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)控制提供了一種標(biāo)量控制思路和方法。

圖6 負(fù)載擾動(dòng)下的功率側(cè)電壓幅值

圖7 負(fù)載擾動(dòng)下的功率側(cè)電壓與電流瞬時(shí)值

2.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的調(diào)節(jié)

通過(guò)上述仿真可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)量控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，但是動(dòng)態(tài)響應(yīng)不夠理想，尤其是響應(yīng)時(shí)間以及動(dòng)態(tài)瞬間電壓易存在過(guò)沖的現(xiàn)象。這里提出兩種方法來(lái)提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)：電流前饋補(bǔ)償、在高頻整流側(cè)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

電流前饋補(bǔ)償即將功率側(cè)電流向控制側(cè)進(jìn)行折算，通過(guò)對(duì)控制側(cè)進(jìn)行電流控制來(lái)補(bǔ)償功率側(cè)電流的擾動(dòng)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；在高頻整流側(cè)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，既通過(guò)檢測(cè)功率側(cè)負(fù)載電流中的無(wú)功分量，由高頻PWM整流側(cè)提供無(wú)功電流，這就大大降低了電機(jī)功率繞組負(fù)擔(dān)的無(wú)功。在高頻PWM整流側(cè)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，可以較好地減少感應(yīng)電機(jī)等感性負(fù)載擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提高動(dòng)態(tài)性能。

3 結(jié)論

本文結(jié)合無(wú)刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行原理給出了一種雙閉環(huán)標(biāo)量控制的思路，并結(jié)合仿真驗(yàn)證了該控制方法的可行性。在風(fēng)力發(fā)電等環(huán)境因素有較大影響的領(lǐng)域，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)較普通的有刷雙饋發(fā)電機(jī)有一定的優(yōu)勢(shì)；但由于無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)是建立在兩臺(tái)異步電機(jī)級(jí)聯(lián)理論基礎(chǔ)上的，它不可避免地有著更為復(fù)雜的磁場(chǎng)，因此在實(shí)際應(yīng)用中要得到更為理想的輸出電壓品質(zhì)，還需要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

［1］ 吳 濤.變速恒頻無(wú)刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行控制研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)圖書(shū)館，2009.

［2］ 張鳳閣，王鳳翔，林成武.無(wú)刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)原則［J］，微特電機(jī)，1999，27（03）：21－24.

［3］ 劉航航，王 華，羅 杰.無(wú)刷雙饋電機(jī)功率流向分析［J］，微特電機(jī)，2011，29（01）：21－25.

［責(zé)任編校：張巖芳］

A Scalar Control Method to the Brushless Doubly－fed Generator

LIU Yu1，WEI Zhong－chao1，GAO Xin－mai2，CHEN Qian－chen2
（1 Huazhong Univ.of Sci.and Tech.，Wuhan 430074，China；2 Wuhan Haomai Electrical Equipment co.，LTD，Wuhan 430074，China）

With the maturing of the brushless doubly－fed machine（BDFM）theory，this kind of motor is showing its great expectations in wind power and other industrial applications.This paper analyzes the working principle of the brushless doubly－fed motor and the realization of Variable speed constant frequency（VSCF）double fed wind power generation.The paper puts forward the scalar control strategy of VSCF on the basis of dynamic mathematical model of the BDFM in d－q coordinate system.And finally the author builds the Matlab／Simulink model to simulate and verify the feasibility of this strategy，and puts forward some methods to improve the system dynamic response.

BDFM；Scalar control；mathematical model；simulation

TM359.9

A

1003－4684（2014）01－0029－04

2013－11－28

劉 愉（1989－），男，湖北黃岡人，華中科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器