通过输出反馈形成双馈感应电机的动力控制

通过输出反馈形成双馈感应电机的动力控制摘要现在已经提出了双馈感应电机（DFIM）新的输出反馈控制的算法。通过定子电流矢量的有功和无功成分的直接闭环控制获得有功和无功的渐进调整，其中电流矢量体现在线性电压定向参考结构中。为了体现该方法的最大一般性通常忽略定子电阻的假设并没有在这儿采用。全维DFIM控制模式被用作控制算法发展。推荐的控制系统是关于有限及其参数变量和转子位置检测误差的鲁棒。在本文中，同时也提出了如何将建议的电流控制算法加以改进从而在稳定状态下达到渐进有功的电流跟踪以及零值无功的稳定化。也讲述了在激发同步阶段中速度控制目标和EMF控制的拓展。方针和实验结果证明了对于典型运行状态控制算法高的动力学特性和鲁棒性.建议的控制器同时适合于存在有限速度变化范围的发电机和电力驱动应用。1．绪论矩阵控制的双馈感应电机（DFIM）为高性能的有限速度范围的电气传动及发电应用提供了广阔的发展前景。如图1为这种电机的典型连接线路。其中定绕组直接连接到线栅栏上，而动绕组则双向动力转换器提供动力。这种方法适合于所有同步速度附近存在有限速度变化的应用。因为由转子（转差功率）控制的动力与转差成正比，能量转换需要一转子功率转换器，它仅能控制整个系统功率的一小部分。此外，当DFIM用作变速驱动器时，转差功率会在电机运转状态通过转子转换器转到线型栅栏处时重新产生，从而达到高效率的能量转换。与恒速同步感应电机相比，运行在变速状态下的发电系统由一些优点。有柴油机驱动的发电系统中，依赖于产生动力的变速运行状态体现了燃料消耗的减少。在水力电气系统中，这种方法将发电效率提高了10%。在风力发电系统中，作为风速功能对轴速做出调整可以通过最大化涡轮的效率从而获得更高的能量捕获。在动力传动系统中由于扭矩模式回响引起的转矩脉动的减小可以附加地借助于变速控制得到。在Leonhard和Vas中报道的DFIM转矩控制的一个重要特点是在电机和发生器应用中都有可能得到定子有功和无功功率的解耦控制。此外，如果将适当控制的AC/DC转换器用作提供转子的动力，整个系统的功率成分将有定子和转子中的低电流谐波失真来控制。DFIM的基本原理已经在Leonhard(1995)中得以陈述。为了解决DFIM控制问题提出了许多不同的解决方案。其最重要的结论报道在leonhard(1995),Pena,Clare,Asher(1996a),Hopfensperger,Atkinson以及Lakin中•所有这些都是基于经典的磁场定向(定子或者气隙)概念的，此概念用于感应电机控制的转矩解耦技术。由于在DFIM中定子和转子电流能够通过测量得到，从而向量(定子，气隙或转子)变化可以用电流相关的方程计算得到。所以，DFIM的控制问题可以归位典型的非线性状态反馈控制问题。在转子是电流反馈的DFIM以及忽略定子电阻的假设下，如果转子电流定义在磁场定向参考结构中，转矩和定子的有功功率控制问题就转化为转子电流控制问题。转矩(有功功率)或者速度控制的目的以及定子有功功率调节(稳定化)都考虑在内。标准DFIM控制器的结构包括附带PI电流控制器的两轴高增益转子电流控制环，其被用于磁场定向参考系统中。两个转子电流参考被用作转矩和有功功率的放大参考。leonhard(1995),Yamamoto，Motoyoshi(1992),Panaetal.(1996a),Hopfensperger(2000),Walcyzyna(1991)中报道的基于直接定子磁场定向的控制方法取决于一些简化的假设。特别地，定子电阻通常是忽略不计的。这种对于高功率的DFIM系统很典型的假说导致在控制其设计中也忽略掉定子磁场的有阻尼动力，因为定子磁场向量在代线性电压矢量的积分中总是视为恒定不变的。就作者所知，还没有基于定子磁场定向可分析证明的全维控制算法著作出现。状态反馈线性化已经被应用于Bogalecka和Kzreminski中来解决DFIM的控制问题。电流反馈电机的假说用于在控制环节中首先附加的过滤器。在Xu和Cheng(1995),Hopfenspergeretal.(2000)和Bogalecka(1993)中已经考虑到了电机无位置传感器。向量控制的DFIM的运行提供了一个单独的通路已经在Pena,Clare，Asher(1996b)中报道了。DFIM的向量控制的经典方法要求对定子，转子电流及电机位置进行测量。为了与线性电压向量达到同步从而与线性栅栏建立软连接，关于线性电压的信息也是需要的。当然也需要感应电机感应系数的准确知识来从电流中计算通量。在Xu和Cheng(1995)已经陈述了对高精度电机进行位置测试的必要性。在Penaetal(1996a,b)中，作者运用定子电压方程的综合评价定子通量。这种方法需要做特别的调整从而避免由于定子电阻以及测量偏移量引起的开环集成漂移。但必须强调的是，对于DFIM这种效应的补偿并没有典型感应电机的驱动困难。实际上，在固定a,b参考框架中定子通量成分与线性栅栏和定子电阻频率相等的频率成正弦关系。在大型的DFIM中定子电阻通常很小，经常在工业实践中应用。在Hopfenspergeretal.(2000)中已经讨论了定子磁场参考结构实施的不同方法。在Peresada,Tilli,和Tonielli(1998)中，提出了DFIM有功一无功功率动力控制的设计方法。控制器的发展是基于线性电压向量定向的参考结构的应用。由于线性电压向量可忽略误差易于测量，这种参考结构是相对于磁场定向系统的独立参数DFIM.此外，为了在初级激发同步阶段中使DFIM与线性栅栏建立软连接特别需要有关线性电压方面的信息。这种全维算法确保大范围渐进的稳定转矩跟踪以及定子统一的功率因数。有人证明了如果将定子功率因数设为定值，定子磁场定向以及线性电压向量定向的状况是相同的。在Peresada,Tilli,和Tonielli(1998)中，Peresada的方法被拓展为转子电流反馈DFIM的速度跟踪和定子功率因数稳定化的控制问题。转子速度/位置传感器被用在Peresada的算法中了，但是没有特别的精度要求。以上的控制算法运用了间接通量调解的概念(类似于鼠笼感应电机的间接磁场定向控制)。直接和间接定子磁链定向方法都是和输出变量有关的开环，例如转矩和无功功率等。上述有关参数变化以及定子位置测量的控制算法的稳定性是按照双馈感应电动机(doubly-fedinductionmachines,DFIM)电磁辅助系统的自然稳定因素而确定的。为了提高参数变化的稳定性，减少定子位置测定的误差，外定子侧增加了无功线圈和有功线圈。然而，目前还没有得出这些措施的稳定性分析。在Peresada,Tilli,Tonielli(1999b)的工作中，提出了一种新型自适应非线性控制算法。在可测量定子电流、电压，转子位置、速度等条件下，对有功和无功闭合回路的直接控制保证了输出变量和内部稳定性的总体渐进调节。本文的主要工作是对Peresada等（1999b）在转矩和速度控制方面初步结论的概括。对电磁动力学的稳定性分析做了一些工作。基于这些结果，一种利用负荷补偿的新型动态二阶转速监控器已经被开发出来。这种方案保证了在常负荷转矩下，定子侧无功调节和渐进速度调节均可满足要求。此外，提出了新型的闭合回路同步激励控制算法，可以保证DFIM到压线格的瞬时自由连接。利用定子电流（输出）和转子电压（输入）之间的一个DFIM相当的相对次数，确定有关参数。为了达到控制目的不需要有关转子电流的信息，因此，在工业工厂里，对这些变量进作粗略的测量出于保护的目的是必要的。值得观察的是没有转子电流反馈并不意味着这些变量是”不可控”的,实际上，正如在基于李亚甫诺夫控制器的发展中强调的，所有状态变量的大范围渐进稳定化得以保证。提议的非线性输出反馈控制器证明了关于定子和转子电阻/感应系数变化以及转子位置测量误差的强的鲁棒特性。此外，由于闭环控制结构中附带真实的定子电流反馈，控制器补偿了电机磁性结构的非理想性，从而输出改进的定子电流波形。这种控制器适合于驱动应用和发电过程（如在发电厂），其中包括在激发同步阶段作为自发发电机的应用。此篇论文的安排具体如下•在第2部分中，陈述DFIM模式机器控制问题。特别是，较深层次地讨论了线性电压矢量定向地参考结构的选择，也回顾了Peresada（1996b）中考虑的有功/无功功率控制的目的。第三部分设计了定子有功和无功功率的电流控制器。第四部分给出了基于速度控制目的的有效电流控制的拓展。在第五部分陈述了仿真和试验结果。正如第三部分强调的，提议的定子电流控制器的变量在附录A中给出了。这种控制器保证定子有效电流跟踪和稳定化达到稳定状态下的定子无功电流的零值。在附录B中给出了上面提到的激发同步的算法，它体现了在第三部分提出的电流控制器。2.DFIM模型和控制方程在线性磁路和平衡运转状态的假设下，两相对称DFIM模型，在选择坐标系（d—q）下表示为£=r.-）_也=土［耳一邛耳=MW捣-W訶\◎=-曲I叽卜邛讥•卜和。叭I!切■曲％L=-忸-险札I汕札I十心_%讥=7叭\w蚣一小曲qI心“I心

札=一伽一讪d一珅j心MI畑式中，id,iq,屮d,屮q表示定子电流的成分和转子磁场矢量，u2d,u2q是转子电压矢量，而ud,uq表示线性电压成分；£和®是转子角坐标和速度；T是DFIM系统中的外部转矩；Tg是电机产生的转矩；J是总转子惯量;wo和30表示d—q坐标下的角坐标和速度。d—q坐标系下的变量表达为：X[曲r=1& &N]血7: ，其中J "Sr■J "Sr■Sill<_■ 5S.]]lCCOSC式中，xyz表示在普通坐标系（y—z）下的二维向量；下标‘1'表示定子变量而下标‘2'表示转子变量；（u—v）表示转子坐标系，w表示转子角。DFIM中的电参数和机械参数有关的正常数，可表示如下：虽=仁盲心曲丿式中，R1,R2,L1,L2分别表示定子/转子电阻和感应系数，Lm是磁化电感。为不失一般性起见，假定了一个极对。按照DFIM的应用，T有不同的意义。当DFIM用于发电机时，T代表控制主要原动机产生的转矩。DFIM产生的转矩Tg是原动机速度控制系统的扰动。为不失一般性，假定DFIM的机械动力由原动机速度控制器所确定。当DFIM用于电动机，T是外部负荷扭矩。通常，此条件下，需要一个由DFIM产生对转矩Tg起作用的速度控制回路。这一速度控制系统可以在风力设备上得到体现，并且能够作为风速用以调节涡轮速度。考虑到主要的控制目的是D