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)的五階數學模型，建立了以電網側電壓和轉子電流為控制量的簡化數學模型。在此基礎上分析了電網電壓波動時的定子暫態電流的變化機理，提出一種轉子電流前饋控制策略，通過轉子阻尼電流消除電網電壓波動引起的定子輸出電流波動，從而提高DFIG的動態性能。實驗結果證明了所提控制策略的正確性和有效性。
關鍵詞：感應電機；矢量控制；前饋控制

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

2 雙饋感應電機數學模型
利用交直交變頻器勵磁的DFIG風力發電系統如圖1所示。DFIG轉子側通過交直交變頻器進行勵磁控制，定子側通過并網變壓器接入電網。通過對DFIG轉子電流進行適當的勵磁控制，可以實現DFIG的變速恒頻發電。后面討論的DFIG穩態運行狀態均采用該方法。

在同步旋轉d，q坐標系下，DFIG的數學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的數學模型可見，定轉子各電磁物理量之間互相耦合影響。定子電流同時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。同時在采用電網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。基于以上簡化原則，可將式(3)化簡為：

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，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示出開環頻譜。

式(5)表明，由定子電壓至定子電流的傳遞函數是一個二階環節。因此，當電網電壓出現一定波動時，電網電壓的變化將引起定子電流產生一個工頻周期振蕩分量，該振蕩分量將引起定子側輸出功率的振蕩。

因此，通過在轉子電流中引入一個與電網電壓振蕩分量相反的參考值恰好可對由電網電壓波動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產生的電流給定值ird有功，irq無功與暫態阻尼電流irdd，irqd共同組成，即irdref=ird有功+irdd，irqref=irq無功+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。控制系統以TMS320F2812微處理器為核心構成，實現雙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。
實驗中，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為穩態運行時波形。此時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為3．6 kW的動態過程。可見DFIG定子側輸出能很好地跟蹤參考信號，系統動態響應快速，且在電網電壓由于有功輸入增加而出現一定波動時定子電流控制獲得了良好的穩態特性。

5 結論
在雙饋感應電機的簡化數學模型的基礎上，分析了電網電壓波動與定子電流工頻周期振蕩分量之間的關系，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，以消除電網電壓波動對定子輸出電流的影響，提高系統的動態響應。給出雙饋感應電機控制系統的穩態和動態實驗結果，驗證了所提控制策略的正確性。