基于模糊PI調(diào)節(jié)的BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)矢量控制的研究

姜忠山，王賽，史曉陽(yáng)

（1. 海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東煙臺(tái)264001；2. 海軍西安局駐興平地區(qū)代表室，陜西興平713106）

基于模糊PI調(diào)節(jié)的BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)矢量控制的研究

姜忠山1，王賽1，史曉陽(yáng)2

（1. 海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東煙臺(tái)264001；2. 海軍西安局駐興平地區(qū)代表室，陜西興平713106）

在雙同步速M(fèi)T坐標(biāo)系模型[1]的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入功率繞組定子磁場(chǎng)定向控制的思想，給出了一種適合獨(dú)立電源系統(tǒng)的矢量控制策略，系統(tǒng)可以根據(jù)獨(dú)立運(yùn)行所帶負(fù)載特性的變化調(diào)整勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立電源系統(tǒng)的變速恒頻恒壓發(fā)電，并間接地實(shí)現(xiàn)對(duì)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)；鑒于BDFG模型復(fù)雜，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和魯棒性差的特點(diǎn)，通過(guò)引入模糊PI調(diào)節(jié)器，改善了系統(tǒng)的特性；最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制策略的正確性和有效性。

無(wú)刷雙饋電機(jī) 獨(dú)立電源系統(tǒng) 矢量控制 模糊PI

0 引言

先進(jìn)設(shè)備不斷發(fā)展對(duì)類(lèi)似航空、船舶等獨(dú)立電源系統(tǒng)的供電性能提出了更高的要求。無(wú)刷雙饋電機(jī)（Brushless Double-Fed Generator, BDFG）具有降低變頻器容量，無(wú)電刷和滑環(huán)，能夠運(yùn)行于亞同步速、同步速、超同步速上實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電等諸多優(yōu)勢(shì)[2]。而目前針對(duì)BDFG控制策略的研究現(xiàn)多集中在風(fēng)力、水力發(fā)電等領(lǐng)域[3-4]，并網(wǎng)型BDFG電源系統(tǒng)的矢量控制多采用了通過(guò)功率解耦的最大功率跟蹤控制[5]或者直接轉(zhuǎn)矩控制[6-7]；而獨(dú)立電源系統(tǒng)與前者相比不同的是，其輸出無(wú)須與電網(wǎng)同步，只須保證其幅值和頻率的恒定，其有功無(wú)功的輸出由所帶負(fù)載決定。

本文提出了一種基于模糊PI控制的BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)矢量控制策略。矢量控制采用定子磁鏈定向的矢量控制，能夠根據(jù)負(fù)載特性的變化，對(duì)控制繞組定子側(cè)電壓進(jìn)行解耦，并且可以間接實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)的功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；BDFG由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和強(qiáng)耦合性，獨(dú)立運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速與負(fù)載突變時(shí)對(duì)系統(tǒng)沖擊較大，采用模糊PI控制提高

了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和魯棒性[8]。

1 基于定子磁鏈定向的矢量控制策略

采用發(fā)電機(jī)慣例，控制繞組側(cè)采用電動(dòng)機(jī)慣例，則BDFG在雙同步速M(fèi)T坐標(biāo)系中數(shù)學(xué)模型為：

在式中，下標(biāo)p、c、r分別表示功率繞組、控制繞組、轉(zhuǎn)子參數(shù)；下標(biāo)m、t分別表示m軸分量和t軸分量；ωp-ppωr=ωc+pcωr=ωs，ωp、ωc分別為功率繞組和控制繞組的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，ωr為轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速，pp、pc為功率繞組端和控制繞組端的極對(duì)數(shù)；p表示微分算子。

其電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式：

矢量控制是一種現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)，它將對(duì)稱(chēng)三相交流矢量變換成獨(dú)立的直流標(biāo)量進(jìn)行解耦控制，可以獲得與直流電機(jī)相近的控制效果，這使其成為BDFG這種高階和強(qiáng)耦合系統(tǒng)較為理想的控制方法。

獨(dú)立電源系統(tǒng)定子端無(wú)須與電網(wǎng)同步，輸出電壓只有頻率、幅值的要求，因此采取定子磁鏈定向的矢量控制策略。即

對(duì)于并網(wǎng)型BDFG來(lái)說(shuō)，其功率繞組定子側(cè)電壓不可控且所帶負(fù)載無(wú)法分析；而當(dāng)BDFG獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，在功率繞組端，要保持其電壓恒定，且由于獨(dú)定子側(cè)所帶負(fù)載特性易于分析，可以計(jì)算得到定子側(cè)電流ipms*、ipts*。

從式(8)中我們可以看出，經(jīng)過(guò)上述的解耦計(jì)算，得到了控制繞組輸入電壓的給定值，從而實(shí)現(xiàn)了控制繞組側(cè)輸入電流的解耦控制并且可以根據(jù)系統(tǒng)所帶負(fù)載的情況間接地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率因數(shù)。前半部分作為解耦的控制端定子電壓的解耦控制部分，后半部分是控制端定子電壓的前饋補(bǔ)償項(xiàng)。其控制框圖如下（見(jiàn)圖1）。

2 模糊PI控制器的設(shè)計(jì)

BDFG由于其模型的復(fù)雜性和強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)，其PI電流調(diào)節(jié)器中參數(shù)對(duì)整個(gè)電機(jī)的參數(shù)依賴(lài)性強(qiáng)。模糊PI控制器有參數(shù)自整定功能，能夠智能調(diào)節(jié)PI的參數(shù)，減小對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴(lài)，既有模糊控制器的魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快、超調(diào)量小的特點(diǎn)，又具有PI控制器的良好的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。

以電流誤差e和誤差變化ec為輸入，PI參數(shù)的調(diào)整值△kp、△ki為輸出。經(jīng)過(guò)多次仿真分析，定義{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}7個(gè)模糊子集，隸屬函數(shù)的選擇如圖2。

3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)矢量控制的動(dòng)態(tài)仿真。給出BDFG參數(shù)如下：lcs=0.158 H，lcm=0.147H，lr=0.298H，rcs=5.3Ω，rr=7.6Ω，lps=0.178H，lpm=0.169H，rps=3.46Ω，pp=3,pc=1。

給定輸出為220 V，50 Hz三相交流電，過(guò)程中的仿真參數(shù)如下：在0～1 s時(shí)刻，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在亞同步速600 r/min，接入負(fù)載阻抗為Zl=500Ω純阻性負(fù)載；在1 s時(shí)轉(zhuǎn)速增加至同步速750r/min；2 s時(shí)再次增加轉(zhuǎn)速至超同步速800 r/min；3 s時(shí)突加感性負(fù)載，負(fù)載阻抗為ZL=600∠33.75°Ω，轉(zhuǎn)速保持不變。

仿真結(jié)果如圖所示。

圖3分別為功率繞組與控制繞組雙同步速M(fèi)T軸電流的PI調(diào)節(jié)情況，可以看出模糊PI調(diào)節(jié)可以加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)并且可以提高系統(tǒng)的魯棒性，另外可以看出通過(guò)對(duì)功率繞組電流的控制，可以據(jù)負(fù)載的變化間接調(diào)整系統(tǒng)輸出電能的功率因數(shù)。

圖4-6為用模糊PI調(diào)節(jié)器后輸出相電壓和電流波形以及輸入相電流波形。從圖4-5中可以看出，通過(guò)矢量控制策略，可以實(shí)現(xiàn)BDFG獨(dú)立運(yùn)行的變速恒壓恒頻發(fā)電；從圖6中可以看出通過(guò)調(diào)節(jié)控制繞組輸入電流的大小可以控制功率繞組輸出電壓的大小，驗(yàn)證了變速恒頻是通過(guò)調(diào)節(jié)控制繞組輸入電流的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，期間當(dāng)運(yùn)行于同步速時(shí)，控制繞組輸入電流的頻率為0。

4 結(jié)論

本文研究了基于模糊PI調(diào)節(jié)的BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)的矢量控制策略。在BDFG雙同步速M(fèi)T坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)的矢量解耦控制策略，通過(guò)對(duì)控制繞組輸入電壓的解耦，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變速恒壓恒頻發(fā)電，并且可以根據(jù)系統(tǒng)所帶負(fù)載間接調(diào)節(jié)功率因數(shù)；在BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和魯棒性差的情況下，采用模糊PI調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)控制加以改進(jìn)；最后通過(guò)仿真研究，驗(yàn)證了該控制策略的準(zhǔn)確性和有效性。

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[8] 石辛民，郝整清. 模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

Research on Vector Control for Stand-alone BDFG System Based on Fuzzy-PI Regulator

Jiang Zhongshan1，Wang Sai1，Shi Xiaoyang2
（1. Department of Control Engineer, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, Shandong ,China；2. Xingping Military Representatives Office of The Naval Xi’an Bureau, Xingping 713106, Shanxi ,China）

Based on MT mode at double synchronous speed of the brushless double-fed generator(BDFG) in stand-alone power supply system, an effective vector control strategy which is based on power winding stator field orienting for this system is proposed. By adjusting the excitation current, this system can realize variable speed constant frequency(VSCF) and supply constant voltage and indirectly regulate the power factor. Considering the complex model, poor dynamic characteristic and robustness, and the control strategy obviously improves the performances of the system through the introduction of fuzzy-PI regulator, and the simulation results verify its correctness and effectiveness

BDFG; stand-alone power supply system; vector control; fuzzy-PI

TM310

A

1003-4862（2014）03-0069-04

2013-09-12

姜忠山(1963-)，男，博士研究生，副教授。研究方向：現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)。