一种基于等效电路的级联无刷双馈电机控制器设计方法技术

一种基于等效电路的级联无刷双馈电机控制器设计方法。本方法在等效电路的基础上，推导出各绕组之间的电量关系，在此基础上对发电系统电压外环、电流内环进行设计，以转子绕组电流为中间变量实现对系统输出电压的幅值控制，本设计方法以等效电路为基础，在不影响系统控制性能的基础上，简化了控制器设计的复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于等效电路的级联无刷双馈电机控制器设计方法
本专利技术涉及电机控制
，特别涉及一种无刷双馈电机的控制器设计方法。
技术介绍
级联无刷双馈电机(cascadedbrushlessdoubly-fedgenerator，CBDFG)由于采用特殊转子绕组结构取消了传统有刷电机的电刷与滑环，同时又兼顾有刷双馈电机所需变频器仅需转差倍功率容量的优点，在降低了维护和运营成本的同时提升了电机运行可靠性，因此在发电系统中具有广阔的应用前景。目前针对CBDFG独立运行工况，有文献进行了研究。例如名为《Avectorcontrolstrategyofgrid-connectedbrushlessdoublyfedinductiongeneratorbasedonthevectorcontrolofdoublyfedinductiongenerator》，作者S.Hu，出处2016IEEEAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition(APEC),2016:3310-3316的文献采用单环矢量控制思路，直接通过电压环对输出电压幅值进行控制，结构较为简单，但由于采用单环结构其动态响应不够理想。名为《ThescalarcontrolresearchbasedonfuzzyPIDofBDFMstand-alonepowergenerationsystem》，作者T.Wu，出处2011InternationalConferenceonElectricInformationandControlEngineering,2011:2806-2809的文献采用双环标量控制实现了对输出电压的跟踪，因采用标量控制无需坐标变换，其控制较为简单，但因标量控制固有特定发电系统动态性能仍需完善，在动态性能要求较高场合不能满足需求。名为《独立运行无刷双馈发电机给予空间矢量调制的直接电压控制技术》，作者姬凯，出处电工技术学报,2015(12):186-196.的文献在双环的基础上采用直接电压控制对输出电压进行调节，获得了较好的控制效果。名为《Decouplingnetworkdesignforinnercurrentloopsofstand-alonebrushlessdoublyfedinductiongenerationpowersystem》，作者L.Sun，出处IEEETransactionsonPowerElectronics,2018,33(2):957-963.的文献在双环调节下采用矢量控制对输出电压进行调控，在稳态及动态性能上均达到了较为理想的控制效果；名为“一种船舶轴带无刷双馈独立发电系统的矢量控制器及控制方法”，公开号CN105703678B，公开日2018年6月12日的中国专利申请，针对无刷双馈电机独立运行采用双环矢量控制系统对输出电压进行了控制。以上独立运行控制发电系统中均针对电机数学模型进行控制器设计，因CBDFG结构复杂，控制器建模比较繁琐。名为《ModelingandControlofaCascadedDoublyFedInductionGeneratorDedicatedtoIsolatedGrids》，作者N.Patin，出处IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2006,56(10):4207-4219的文献针对DFIG(Doubly-FedInductionGenerator)提出了基于等效电路的控制器设计方法，简化了控制器的设计复杂度，性能较为良好。CBDFG在结构、特性、模型上均与DFIG存在较大差异，并由于特殊的结构其物理特性与数学模型也更为复杂，DFIG控制策略不能直接沿用于CBDFG控制中。目前未有针对CBDFG相关文献基于等效电路的基础上对其控制器进行设计，而CBDFG结构及模型较为复杂，新型的控制器设计将极大简化整个系统的控制复杂度，因此有必要针对CBDFG的新型控制器进行设计。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提出一种基于等效电路下级联无刷双馈电机控制器设计技术，旨在为无刷双馈电机控制器设计提供一种新的解决途径。为实现上述目的，本专利技术提供了一种级联无刷双馈电机在等效电路下基于转子绕组电流为中间变量设计电流内环控制器及电压外环控制器，通过控制绕组电压与转子绕组电流数学关系设计电流内环控制器，通过功率绕组电压与转子绕组电流之间的数学关系设计电压外环控制器，完成对输出电压的控制。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于等效电路的级联无刷双馈电机控制器设计方法，包括以下步骤：(1)检测控制绕组三相相电流ica、icb、icc，对其进行ABC/dq坐标变换后得到控制绕组电流d轴分量icd和q轴分量icq；检测功率绕组三相相电流ipa、ipb、ipc，对其进行ABC/dq坐标变换后得到功率绕组电流d轴分量ipd和q轴分量ipq；检测功率绕组三相线电压并将其转化为相电压upa、upb、upc，对相电压进行ABC/dq坐标变换后得到功率绕组电压d轴分量upd和q轴分量upq；(2)将功率绕组电流d轴分量ipd和q轴分量ipq、功率绕组电压d轴分量upd和q轴分量upq以及控制绕组电流d轴分量icd和q轴分量icq分别以向量形式表示为以及(3)将转子绕组、控制绕组的参数及电量分别根据功率绕组对转子绕组匝比N1与控制绕组对转子绕组匝比N2经绕组折算变换至功率绕组侧；(4)将步骤(3)中所得经绕组折算后参数及电量通过功率绕组与转子绕组之间的转差率sp＝(ωp-ppωr)/ωp、控制绕组与转子绕组之间的转差率sc＝(ωc+pcωr)/ωc，计算得转子绕组与功率绕组之间频率关系ωR＝spωp、控制绕组与功率绕组之间的频率关系ωc＝spωp/sc，将转子绕组电量及控制绕组电量分别经频率关系ωR及ωc通过频率折算折算至功率绕组侧，其中，ωp为功率绕组角频率，ωr为转子角频率，pp为功率绕组极对数，ωc为控制绕组角频率，pc为控制绕组极对数；(5)由经步骤(3)的绕组折算、步骤(4)的频率折算后的电机参数及电量得级联无刷双馈电机等效电路图；(6)由所述等效电路图得功率绕组电压方程、控制绕组电压方程及转子绕组电压方程并根据电路原理依次将阻抗以串并联形式进行综合，依据基尔霍夫电压电流原理由所述等效电路图推导出电路中各支路电压电流之间的关系方程；(7)由所述关系方程推导出转子绕组电流i′r与控制绕组电压u″c的关系作为电流内环控制器的控制方程，其中i″c、u″c分别为控制绕组经步骤(3)、(4)折算到功率绕组侧电流、电压；i′r为转子绕组经步骤(3)、(4)折算到功率绕组侧电流；ip、up分别为控制绕组分别为功率绕组电流、电压；Zc、Zp分别为控制绕组、功率绕组等效电抗；同理，由所述关系方程推导出转子绕组电流i′r与功率绕组电压up的关系作为电压外环控制器的控制方程(8)由电流内环控制器和电压外环控制器获得控制绕组dq轴电压参考值u*cd、u*cq，将其经dq/ABC坐标变换获得控制绕组电压的三相参考值(9)根据三相参考值由SVPWM算法生成三相驱动信号至变换器实现对输出电压的控制。步骤(1)具体包括：(21本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于等效电路的级联无刷双馈电机控制器设计方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)检测控制绕组三相相电流ica、icb、icc，对其进行ABC/dq坐标变换后得到控制绕组电流d轴分量icd和q轴分量icq；检测功率绕组三相相电流ipa、ipb、ipc，对其进行ABC/dq坐标变换后得到功率绕组电流d轴分量ipd和q轴分量ipq；检测功率绕组三相线电压并将其转化为相电压upa、upb、upc，对相电压进行ABC/dq坐标变换后得到功率绕组电压d轴分量upd和q轴分量upq；(2)将功率绕组电流d轴分量ipd和q轴分量ipq、功率绕组电压d轴分量upd和q轴分量upq以及控制绕组电流d轴分量icd和q轴分量icq分别以向量形式表示为

【技术特征摘要】
1.一种基于等效电路的级联无刷双馈电机控制器设计方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)检测控制绕组三相相电流ica、icb、icc，对其进行ABC/dq坐标变换后得到控制绕组电流d轴分量icd和q轴分量icq；检测功率绕组三相相电流ipa、ipb、ipc，对其进行ABC/dq坐标变换后得到功率绕组电流d轴分量ipd和q轴分量ipq；检测功率绕组三相线电压并将其转化为相电压upa、upb、upc，对相电压进行ABC/dq坐标变换后得到功率绕组电压d轴分量upd和q轴分量upq；(2)将功率绕组电流d轴分量ipd和q轴分量ipq、功率绕组电压d轴分量upd和q轴分量upq以及控制绕组电流d轴分量icd和q轴分量icq分别以向量形式表示为以及(3)将转子绕组、控制绕组的参数及电量分别根据功率绕组对转子绕组匝比N1与控制绕组对转子绕组匝比N2经绕组折算变换至功率绕组侧；(4)将步骤(3)中所得经绕组折算后参数及电量通过功率绕组与转子绕组之间的转差率sp＝(ωp-ppωr)/ωp、控制绕组与转子绕组之间的转差率sc＝(ωc+pcωr)/ωc，计算得转子绕组与功率绕组之间频率关系ωR＝spωp、控制绕组与功率绕组之间的频率关系ωc＝spωp/sc，将转子绕组电量及控制绕组电量分别经频率关系ωR及ωc通过频率折算折算至功率绕组侧，其中，ωp为功率绕组角频率，ωr为转子角频率，pp为功率绕组极对数，ωc为控制绕组角频率，pc为控制绕组极对数；(5)由经步骤(3)的绕组折算、步骤(4)的频率折算后的电机参数及电量得级联无刷双馈电机等效电路图；(6)由所述等效电路图得功率绕组电压方程、控制绕组电压方程及转子绕组电压方程并根据电路原理依次将阻抗以串并联形式进行综合，依据基尔霍夫电压电流原理由所述等效电路图推导出电路中各支路电压电流之间的关系方程；(7)由所述关系方程推导出转子绕组电流i′r与控制绕组电压u″c的关系作为电流内环控制器的控制方程其中，i″c、u″c分别为控制绕组经步骤(3)、(4)折算到功率绕组侧电流、电压；i′r为转子绕组经步骤(3)、(4)折算到功率绕组侧电流；ip、up分别为控制绕组分别为功率绕组电流、电压；Zc、Zp分别为控制绕组、功率绕组等效电抗；同理，由所述关系方程推导出转子绕组电流i′r与功率绕组电压up的关系作为电压外环控制器的控制方程；(8)由电流内环控制器和电压外环控制器获得控制绕组dq轴电压参考值u*cd、u*cq，将其经dq/ABC坐标变换获得控制绕组电压的三相参考值(9)根据三相参考值由SVPWM算法生成三相驱动信号至变换器实现对输出电压的控制。2.根据权利要求1所述的基于等效电路的级联无刷双馈电机控制器设计方法，其特征在于：步骤(1)具体包括：(21)检测控制绕组三相电流ica、icb、icc，通过Clark-Park坐标变换将控制绕组电流从静止ABC坐标变换到两相旋转dq参考坐标系下得控制绕组电流d轴分量icd和q轴分量icq；(22)检测功率绕组三相电流ipa、ipb、ipc，通过Clark-Park坐标变换将功率绕组电流从静止ABC坐标变换到两相静止dq参考坐标系下得功率绕组电流d轴分量ipd和q轴分量ipq；(23)检测功率绕组三相线电压upab、upbc、upca，经过线电压变换到相电压upa、upb、upc，通过Clark-Park坐标变换将功率绕组电压从静止ABC坐标变换到两相静止dq参考坐标系下得功率绕组电压d轴分量upd和q轴分量upq。3.根据权利要求1所述的基于等效电路的级联无刷双馈电机控制器设计方法，其特征在于：步骤(3)具体包括：(31)通过电机参数估计出功率绕组对转子绕组的等效匝比N1＝Lsp/Lspr其中，Lsp＝Lσp+Lmp，Lσp为功率绕组自感，Lmp为功率绕组激磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：于宁，张德斌，洪玮，戎兵，
申请(专利权)人：浙江永宏电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33