[发明专利]无刷级联双馈电机的矢量控制方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种特殊电机的控制，特别是对无刷级联双馈电机的变频变压矢量控制方法，实现电机的稳定控制和可靠运行。

背景技术：

双馈感应电机被广泛应用在风力发电领域，并且曾经因为成本和体积上的优势，占据了超过50％的市场份额，然而近几年因为其维护和低电压穿越上的劣势，市场份额有所降低。

无刷级联双馈电机是双馈感应电机的一个改进版本，它保留了双馈感应电机的所有优点，并且除去了维护要求更高的电刷，采用无刷操作，大大降低了其维护成本。

无刷级联双馈电机的原理在20世纪初就被提出，采用两个感应电机级联的方法实现低速运转。90年代初，现代化无刷级联双馈电机的设计基本定型。此电机采用两组独立的定子绕组，采用不同的级对数来防止相互之间的耦合。转子采用特殊的类似鼠笼式设计，可以同时耦合两个定子绕组。电机的速度由两个定子绕组的驱动频率共同决定。

一般而言，一组定子绕组连接固定频率和电压的电网，称为功率绕组；另一组定子绕组连接变频变压的变流器，称为控制绕组。或者说，考虑到功率绕组是固定频率，转子速度最终由控制绕组的频率决定。

现有的技术已经解决了无刷级联双馈电机的设计和制造，但是针对无刷级联双馈电机的控制系统的设计一直没有得到解决，因此无刷级联双馈电机一直因为其控制稳定性上问题，没有被投入实际应用。本专利描述了一套全新的无刷双馈风力发电机控制系统，该控制系统基于矢量控制技术，不仅解决了无刷双馈电机的稳定性问题，而且也实现了典型风力发电机的全部重要功能。

发明内容：

本发明的目的是：提供一种针对无刷级联双馈电机的变频变压调速方法，能在速度或者功率的控制之间切换，并且同时控制功率绕组端的无功功率，从而达到电机的稳定控制。此控制方法适合应用于风力发电系统或者电机拖动系统。

为达到上述目的，本发明的构思是：

此发明采用基于功率绕组磁链坐标的矢量控制系统，所有的控制变量，包括两个定子绕组的电流、电压和磁链都变换到此坐标系上。采用解耦的双环控制策略。第一个控制环称作有功控制环，通过一个比例积分环节(PI)控制q方向的控制绕组电压，反馈可以控制系统的总有功功率(功率控制模式)或者电机的转速(速度控制模式)，两个模式可以视具体应用要求切换。另一个环控制功率绕组的无功功率，称作无功控制环，通过一个比例积分环节(PI)控制d方向的控制绕组电压。

根据上述的发明构思，本发明采用下述措施和技术方案：

本发明所有的运算基于对于功率绕组和控制绕组的三相电压和电流的采集，通过转子位置和功率绕组的磁链位置变换成为基于功率绕组磁链的向量。所有运算基于向量d和q的两轴分解，控制绕组的d电压控制无功环，控制绕组的的q电压控制无功环。最后对控制绕组的d和q的电压进行反变换得到三相电压的参考值，送入脉宽调制(PWM)控制器发出PWM信号来驱动变流器。

本发明采用一个磁链观察器来观测功率绕组的磁链，最终确定控制系统的坐标系。磁链观测器需要功率绕组的电压和电流信息，同时需要定子绕组的电阻值。这个磁链观测器的精确度决定了整个主回路的精确度。

本发明采用一个增量型光电编码器来采集转子的位置信息。通过位置信息可以计算出电机的转子轴速度，转子轴速度是速度控制模式下有功控制环的反馈信息。同时，为了将控制绕组的电压和电流变换到功率绕组磁链坐标系，需要通过光电编码器提供的转子位置和磁链观察器提供的磁链信息。

本发明采用了一个功率观测器，可以估计系统的总有功功率以及功率绕组的无功功率。总有功功率是功率控制模式下有功控制环的反馈输入信息，功率绕组的无功功率是无功控制环的反馈输入信息。

本发明采用了一个稳定监测系统，通过检测速度和控制绕组的电压频率来考察电机是否稳定运行，如果电机运行不稳定，整个控制系统关闭以保证系统的安全。

本发明的PWM控制器中加入死区时间，保证变流器的可靠运行。

本发明提出的矢量控制是一个全新的技术，实现对于无刷级联双馈电机的矢量控制，可以独立控制功率(或者速度)以及无功功率。采用本发明的无刷级联双馈电机相比传统双馈感应电机具有更高的可靠性和更低的维护成本。

附图说明

图1是本发明的无刷级联双馈电机的原理图

图2是坐标轴变换

图3是控制环

图4是磁链观察器

图5是功率观测器

图6是稳定监测系统

具体实施方式

本无刷级联双馈电机的矢量控制方法和原理简述如下：