[发明专利]一种无刷双馈电机的控制方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别涉及无刷双馈电机的控制方法及其应用，适用于无刷双馈电机的变频调速和变速恒频恒压、变频变压控制系统的应用场合。

背景技术

近年来由于对新能源的开发和利用，特别是在对风能的利用上，双馈电机的应用与控制方法的研究得到了人们的极大关注。双馈电机主要包括两种：有刷双馈电机和无刷双馈电机。目前广泛应用的是绕线式有刷双馈电机，其在定子和转子两侧馈电，一般定子侧接工频市电，转子侧通过滑环与逆变器相连，控制方法相对成熟，但有刷双馈电机带有电刷和滑环，维护成本高，可靠性低，使用寿命短。无刷双馈电机为2台绕线式异步电机同轴串联而成，如图1所示，2台绕线式异步电机分别称为功率侧电机和控制侧电机，功率侧电机和控制侧电机的转子绕组反相序连接，等效电路图如图2所示，在多数应用场合，功率侧电机定子接工频市电，功率侧电机的磁链幅值和旋转速度基本恒定，控制侧电机接逆变器，通过对控制侧电机定子供电电压的控制，来实现对控制侧电机磁链和电机转矩的控制。

由于无刷双馈电机功率侧电机和控制侧电机通过反相序连接的转子相互影响，使得无刷双馈电机的模型复杂，难以控制。现有技术中对无刷双馈电机的控制方法主要有以下两种：

方法一：基于双同步坐标系的矢量解耦控制方法，该控制方法把无刷双馈电机分为功率子系统和控制子系统，功率子系统采用功率侧定子磁场定向，控制子系统采用控制侧转子磁场定向，以实现无刷双馈电机转矩和控制侧电机磁链的解耦控制。该控制方法主要包括四种具体实现方案：电磁转矩方程直接求解法利用牛顿迭代法从转矩与电流的非线性函数中求解出转矩电流来实现对转矩的控制，根据逆模型求得励磁电流来实现对控制侧电机转子磁链的控制；电磁转矩估算法把转矩方程表示成电机同步角的三角函数，则由期望的电磁转矩就可以通过解反三角函数得到同步角，再根据同步角与转矩电流的关系求出转矩电流，励磁电流的求法与上一种相同，由得到的转矩电流和励磁电流估算电磁转矩；忽略动态过程中同步角变化的方法利用稳态下功率侧电机的转差角和控制侧电机的转差角数值相等符号相反的特性，忽略同步角的变化得到电机转矩与转矩电流的关系求解转矩电流；基于同步角的方法则避开转矩的计算，直接把转速闭环的输出作为同步角的给定，根据同步角与转矩电流的关系得到转矩电流。

方法二：将两侧电机转换到各自同步速坐标系下，利用稳态情况下功率电机转差角频率和控制电机转差角频率相等的特性将两个电机模型合为一个整体，采用功率侧定子磁场定向对转矩和磁链进行解耦控制。

发明人在实现本发明的过程中，发现上述现有控制方法至少存在以下缺点和不足：

方法一中电磁转矩方程直接求解实现起来复杂，计算量大，对电机参数的依赖性大；电磁转矩估算法和基于同步角的方法在求解过程中会引入误差，无法对转矩和磁链进行精确控制；忽略动态过程中同步角变化的方法和方法二是在稳态情况下得到的，无法实现动态过程中对无刷双馈电机转矩和磁链的控制。

发明内容

为了实现动态和稳态条件下无刷双馈电机磁链和转矩的准确控制，减少对电机参数的依赖性，简化控制算法，本发明提出了一种无刷双馈电机的控制方法及其应用，其内容如下：

(a)根据反馈控制的基本原理构成，视功率侧电机对控制侧电机的影响为扰动，通过磁链观测器和转矩观测器得到控制侧电机磁链的幅值和电机转矩作为磁链和转矩外环的反馈量；

(b)将所述控制侧电机磁链的幅值与磁链的给定值相比较，误差经磁链调节器得到电流内环中磁场同步坐标系下控制侧电机定子电流的直轴分量给定值，将所述控制侧电机定子电流的直轴分量给定值与控制侧电机定子电流的直轴分量测量量相比较，误差经直轴电流调节器得到同步坐标系下控制侧电机定子电压的直轴分量给定值；

(c)将所述电机转矩与转矩给定值相比较，误差经转矩调节器得到电流内环中磁场同步坐标系下控制侧电机定子电流的交轴分量给定值，将所述控制侧电机定子电流的交轴分量给定值与控制侧电机定子电流的交轴分量测量量相比较，误差经交轴电流调节器得到同步坐标系下控制侧电机定子电压的交轴分量给定值；

(d)将所述控制侧电机定子电压的直轴分量给定值和所述控制侧电机定子电压的交轴分量给定值经过旋转变换和2/3变换，得到静止坐标系下控制侧电机定子电压给定值，控制逆变器的逆变电压加载到双馈电机的控制侧电机定子绕组上，实现对控制侧电机磁链幅值和电机转矩的控制。

所述磁链观测器为转子坐标系下的电流观测器或静止坐标系下的电流转速观测器或静止坐标系下的电压电流观测器。