[发明专利]基于矩阵变换器的无刷双馈电机调速系统及滑模控制方法

说明书

一种基于矩阵变换器的无刷双馈电机调速系统，包括矩阵变换器、无刷双馈感应电机和鼠笼式感应电机，其中无刷双馈感应电机的功率侧定子绕组与电网直接相连，控制侧定子绕组与功率变换器的输出端相连，功率变换器的输入端经输入滤波器连接到电网上；鼠笼式感应电机与无刷双馈感应电机同轴连接，用于提供负载转矩。本发明还包括一种基于矩阵变换器的无刷双馈电机调速系统的滑模控制方法。本发明发明不仅可以保证无刷双馈感应电机调速系统的静态性能，在负载、速度突变的情况下也能保证良好的动态响应性能，且该技术方案对参数的依赖性小，扩大了无刷双馈感应电压的应用范围，有助于推动无刷双馈感应电机的工业应用进程。

技术领域

本发明涉及电机控制技术，具体涉及一种基于矩阵变换器的无刷双馈电机调 速系统及滑模控制方法。

背景技术

目前来说，用于风力发电的发电机主要包括同步发电机、双馈发电机以及异 步发电机三种类型。其中同步发电机又包括有永磁同步发电机以及绕线式转子同 步发电机两种，异步发电机包括有鼠笼式异步发电机以及绕线式转子异步发电机 两种。这几类发电机均有各自的优势与缺点，鼠笼式异步发电机的结构简单且易 于维护，但是鼠笼式异步发电机启动时的浪涌电流很大，因此在使用鼠笼式发电 机时，往往还需要配备一个软启动器；永磁同步发电机的功率密度比高，且不需 要额外的励磁，但是永磁同步电机的转子是由永磁体组成的，成本高，而且还会 存在着退磁的风险，这无疑又增加了维护成本；双馈发电机的无功功率是可控的， 且双馈发电机与永磁同步发电机一样，都通过转子来励磁，与此同时，双馈发电 机有亚同步、同步、超同步三种工作状态，因此，双馈发电机成为了目前在风力 发电领域当中最为广泛应用的一种发电机，但是，双馈发电机需要滑环与电刷， 而电刷与滑环的寿命短，这无疑增加了双馈电机的维护成本。

无刷双馈电机是由两台级联的异步电机发展而来，其不需要电刷与滑环，因 此降低了系统的后期维护成本，同时系统本身的可靠性也得到了提升。与双馈电 机相比，无刷双馈电机在继承了双馈电机的优点的同时，还比双馈电机拥有着更 广的调速范围，且无刷双馈电机的可靠性高，动态性能好，不需要滑环与电刷， 因此，无刷双馈电机在风力发电的领域内有着广阔的应用前景。

当下所采用的驱动无刷双馈电机的变频器多为传统的“交-直-交”变频器， 这种变频器通常前级是一个不控整流级，经过一个中间直流电容与后级的PWM 逆变级相连接。这种变频器的中间需要一个大电容来起到一个稳压的作用，这无 疑是增大了变频器的体积与成本，但是由于前级为不控整流电路，故这种变频器 的输入不可控、能量不能双向流动。因此，在此基础上，衍生出来了一种双PWM 变频器，与传统的“交-直-交”变频器不同，双PWM变频器的前级采用了PWM 整流电路，因此改善了传统“交-直-交”变频器的输入不可控以及能量不能双向 流动的缺点，但是中间直流电容所带来的变频器体积及成本增加的问题却无法解 决。

随着当下电力电子技术的迅猛发展，产生了一种可以直接进行“交-交”变 换的变换器—矩阵变换器(Matrix Converter，简称MC)。矩阵变换器不需要利用 中间的直流环节亦可以实现直接的“AC-AC”变换，因此与双PWM变频器相比， 矩阵变换器的功率密度比高，与此同时，矩阵变换器的开关均采用了双向开关， 故矩阵变换器也具有输入可控，以及保证电机四象限运行等优势。因此，将矩阵 变换器用作为驱动无刷双馈电机的变频器，且通过合理的控制方式对风力发电系 统进行调速控制，将是对风力发电系统的又一次提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种能实现电磁 转矩和无功功率的解耦控制、减小对电机参数依赖性的基于矩阵变换器的无刷双 馈电机调速系统的滑模控制方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，基于矩阵变换器的无刷双馈电机 调速系统，包括矩阵变换器、无刷双馈感应电机和鼠笼式感应电机，无刷双馈 感应电机的功率侧定子绕组“PW”与电网直接相连，控制侧定子绕组“CW”与 功率变换器的输出端相连，功率变换器的输入端经输入滤波器连接到电网上；鼠 笼式感应电机与无刷双馈感应电机同轴连接，用于提供负载转矩。