刘军，叶冬颖

(西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安710048)

    摘要：针对无刷双馈风力发电机直接转矩控制转矩脉动较大的问题，提出一种对控制绕组磁链旋转角进行模糊控制与空间矢量调制(svPwM)技术相结合的控制方法，调制合成合适的控制电压，对常规直接转矩控制进行改进，使直接转矩控制中的脉动转矩明显减小。该控制方法易于实现，仿真结果表明系统转矩脉动大大减小，控制性能得到了改善。

    关键词：无刷双馈风力发电机；直接转矩控制；

    模糊控制与矢量控制相比，直接转矩控制具有控制方式简单、转矩响应快等优点，已经成功应用于异步电机控制。本文针对基于直接转矩控制无刷双馈风力发电机****风能跟踪控制中转矩脉动较大的问题，提出一种基于模糊控制和空间矢量调制技术相结合的直接转矩控制策略，即根据转矩偏差和偏差的变化率进行模糊推理得到无刷双馈风力发电机定子控制绕组磁链位置角变化量，再根据控制绕组磁链误差确定合适的控制电压矢量。利用空间矢量调制技术来合成相应的电压矢量，实现对无刷双馈风力发电机****风能转速的跟踪控制。

    1  无刷双馈风力发电机直接转矩控制

    在静止坐标系下，无刷双馈风力发电机功率绕组磁链、控制绕组磁链及电磁转矩的表达式分别为式中：Pd，Pc分别为功率绕组和控制绕组的极对数；rsp，rsc。分别为功率绕组和控制绕组电阻；Lsp，Lsp分别为功率绕组和控制绕组的自感；Mpc为功率绕组和控制绕组的互感；usp，usc分别为功率绕组和控制绕组电压；isp，isc分别为功率绕组和控制绕组电流；ψsp，ψsc分别为功率绕组和控制绕组磁链；|ψsp|，|ψsc|分别为功率绕组和控制绕组磁链值；δ为功率绕组和控制绕组磁链之间的夹角。

    由式(3)可以看出，无刷双馈风力发电机的转  矩不仅与功率绕组磁链幅值、控制绕组磁链幅值有关，还与两磁链之间的夹角有关。无刷双馈风力发电机功率绕组接在电网上，所以电压‰的幅值不变，另外功率绕组的电阻压降相对较小，可以忽略不计，因此由式(1)可得功率绕组磁链ψsd近似不变。由式(2)可知，通过控制电压usc可以控制磁链ψsc的大小与旋转速度，即可以控制磁链值|ψ|和两磁链之间的夹角δ的大小．即可实现对转矩的控制。当转矩小于给定转矩，通过选择保持控制绕组磁链同方向旋转的电压矢量，使夹角δ增大，转矩随之增大。反之，当转矩大于给定转矩，通过选择使磁链反方向旋转的电压矢量，使夹角δ减小，转矩也就随之减小。

    2基于模糊控制的无刷双馈风力发电机

    直接转矩控制常规的直接转矩控制系统中转矩及磁链的控制器均为滞环比较器。由于滞环比较器对在滞环宽度范围内的偏差，无论其大小，都具有相同的输出，因此会造成电机转矩的剧增或剧减，产生较大的转矩脉动。为了抑制脉动转矩，提高系统的控制性能，本文将模糊控制与空间电压矢量调制技术相结合应用到无刷双馈风力发电机直接转矩控制。

    系统包括控制绕组磁链观测器、转矩观测器、转速控制器、模糊控制器、参考磁链计算模块、控制电压计算模块及空间矢量调制模块。控制绕组磁链观测器通过测量控制绕组电压和电流，根据式(2)可计算出。坐标系下的控制绕组的磁链分量值ψRC，ψDC，从而计算出控制绕组磁链值ψRc和其位置角θC。根据下式控制绕组磁链与转子

    2．1基于空间矢量调制技术控制绕组电压矢量Usc的实现

    已知三相电压型逆变器不同开关组合时的电压矢量为一个模为2Vdc／3的空间电压矢量，6个非零电压矢量将两相静IL坐标系平面均分成6个扇区，任何一个扇区中的电压矢量均可由该扇区两边的非零电压矢量及零电压矢量合成得到。

    根据式(8)计算出来的控制绕组参考电压矢量‰，可由其所在的扇区两边的空间电压矢量及零电压矢量合成得到。假设控制绕组电压矢量为扇区I中的电压矢量USC则其由扇区两边的电压矢量V，

    2．2模糊控制器设计

    本文中模糊控制器的输入分别为转矩偏差E和转矩偏差的变化率CE，输出为控制绕组磁链的位置角变化量(旋转角)△ψc。

    取转矩偏差的模糊论域为[-n，+n]．转矩偏差变化率和磁链位置角变化量的模糊论域均为[一m，+m]，为简便起见，模糊控制器输入、输出变最的模糊语言值均取为NB，Ns，zE．PS，PB，转矩偏差隶属度函数转矩偏差反映了应作用在控制绕组上的电压矢量，而转矩偏差变化率则反映了采样时刻实际作用在控制绕组上的电压矢量。综合考虑转矩偏差和转矩偏差变化率便能确定控制绕组实际作用电压矢量与应选择电压矢量的角度差，结合磁链和电压的关系，也便确定了磁链旋转角度变化量。

    控制绕组磁链所在的直线M将空间电压矢量坐标系分为两部分，假设转矩偏差为正大(PB)、偏差变化率也为正大时，由转矩偏差正大可知控制绕组应选择直线M上方靠近垂直ψc的电压矢量，使转矩迅速增大；由偏差变化率正大可知控制绕组实际作用电压矢量使转矩正在快速的减小，可确定实际作用电压矢量在直线M下方靠近垂直ψc的方向上。为了使转矩增大，在下一周期控制绕组磁链的转角应为正方向较大的角，磁链的位置角变化量应为正大(PB)；若转矩偏差为正大(PB)，偏差变化率为负大(NB)则控制绕组实际电压为在直线M上方靠近垂直ψC的电压矢量，在下一周期内磁链的转角应维持不变，因此磁链的位置角变化量为零(zE)。

    3基于模糊控制无刷双馈风力发电机

    直接转矩控制仿真本文分别对无刷双馈风力发电机直接转矩控制和基于模糊控制无刷双馈风力发电机直接转矩控制的****风能跟踪进行了仿真研究。

    对比仿真结果可得：基于模糊控制无刷双馈风力发电机直接转矩控制转矩脉动显著减小，转速、磁链及功率曲线平滑，系统性能得到明显改善。

    4结论