Matlab在双馈调速系统中的设计和实现

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　　1.双馈调速系统的构成

　　众所周知，当绕线式异步电动机定子由工频电源供电，而转子由三相零式无环流交-交变频器供电时，可组成从低同步到超同步变速的双馈调速系统。这时，交-交变频器中的晶闸管要完成两种性质不同的换流：一种是同组晶闸管之间的换流，它是由电网电压的自然换相实现；另一种是晶闸管组之间的换流，实现组间换流有不同的方法。当采用输出电流的过零信号作为三相零式无环流交-交变频器的换组信号时，可靠地检测出输出电流极性和输出电流过零点是防止晶闸管直通，确保系统正常、安全运行的重要条件。

　　2.矢量控制的理论基础

　　采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。鉴于电机参数有可能发生变化，会影响变频器对电机的控制性能，目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。

　　为达到良好的调速性能对双馈电机采取先进的矢量控制技术。矢量控制的实质是在交流电机里构建出直流电机的模型，用直流电机的调速方法对其调速，而为了对真实的可控量进行控制，又须将其变换到原来所在坐标系的坐标。具体的实现方法是先求出定子磁链的方向，并以该方向为同步旋转坐标系的dc轴，超前其90o的方向为qc轴，这样就构成了dc-qc同步旋转坐标系。对转子电流进行了从三相到两相变换后，再将其变换到同步坐标系下，转子电流就被解耦成了一对转矩分量和激磁分量。前者位于qc轴，电磁转矩只和该值有关；后者位于dc轴，起到激磁的作用，可改善定子侧的功率因数。

　　反之若维持定子侧电压幅值恒定，则

　　恒定。则由电磁转矩统一公式知T=

　　在保证Us（即

　　）恒定的条件下，控制

　　即可实现转矩的调节。

　　3.控制系统结构

　　转子电流经过解耦后，就可用直流调速的方法对其进行控制。在控制系统中，给定量是转速，受控量是电磁转矩（转子电流的转矩分量）。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串级联接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管变流器的触发装置。转速调节器的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅值决定允许的最大电流。电流调节器的作用是电流跟随，过流保护和及时抑制。

　　为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器。两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器ASR的输出限幅（饱和）电压是Uin*,它决定了电流调节器给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压是Uctm,它限制了晶闸管变流器输出电压的最大值。

              
2 F* L2 i9 f7 t) j$ k                       图 1双闭环比例-积分调节示意图

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　　4.Matlab 仿真模型的建立

　　MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

　　双馈系统的仿真模型包括电机模块、控制系统模块、变频器模块。

　　（1）电机模块

　　Matlab中已经建立了异步电机模型，转子方面的各参量均折合到定子侧，并用上标撇号表示，其等效电路模型为

                     

                     

　　该对话框里没有电机定、转子电压变比关系一项，在此数学模型中这一信息也无法体现。比如，定转子的额定电压分别是6000伏、1640伏，但当仿真定子侧接6000伏电压、转子侧开路这种状态时，转子侧的电压也是6000伏，因此不宜将模型的转子直接与变频器模型直接相连。为了体现定转子之间电压、电流的变比关系，在转子输出端接一近似理想的三相两绕组变压器，该变压器副边的输出作为转子的输出，变压器的变比为定子侧额定电压与转子侧额定电压的比值。

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                                 图 3修正过的电机模型

　　（2）控制模块

　　控制系统由磁场定向、坐标变换、直流调节、交流调节和电压前馈模块综合而成。经过磁场定向与坐标变换，转子电流解耦成一对转矩分量和激磁分量。下图为转子两相电

　　进行了旋转变换得到定子磁链坐标系下的直流

　　Te只与

　　有关，两者成一线性关系，另一分量

　　起到激磁的作用。

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　　对转矩分量和激磁分量进行直流调节后进行坐标反变换和从两相到三相的变换输出变频器控制信号。

　　（3）变频器模块

　　变频器的英文译名是VFD（Variable-frequency Drive），这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。（但VFD也可解释为Vacuum fluorescent display,真空荧光管，故这种译法并不常用）。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。

　　变频器一相的供电流回路模型如图6所示，主要由两组反并联的晶闸管变流器和控制正负组封锁与开通的逻辑判断电路联接而成。变频器正负组交替工作输出交流电流，且两组不可同时开通，否则在正负组间形成很大的环流会将变频器烧坏，为此需有可靠工作的控制正负组封锁与开通的逻辑判断电路，即图中的DLC模块。在无环流交-交变频器供电回路中，转子电流过零点检测是实现变频调速的重要一环，若不能准确检测出转子电流过零，交流电流就不能正确输出，导致转子电流频率不能追随实际的转差频率，力矩电流偏离给定值，变频调速失败。

      
8 j$ s/ b% s: x! b( q- Y, Z                     图 6变频器一相供电回路模型

　　当转子电流大于0.5安培时，判断电流没到零；小于0.5安培时须过1e-5 秒的延时后再次检测电流，若仍小于0.5安，则认为电流到零了否则认为是干扰信号。判断电流到零后需先封锁当前工作的变流器后再开通另一组变流器，中间设置了1e-3秒的死区时间以防止在正负变流器之间出现环流。下图是该变频器模块输出的仿真波形（时间以秒为单位）。

  

　　将修正了的电机模型、控制系统和变频器连接起来便构成了双馈调速系统的模型如下图8所示。速度的设定在Constant2方框中填写， Constant1可填写转子电流的激磁分量，设定为转子电流的2%。

   

　　5.对实际系统的仿真分析

　　应用该模型对实际双馈调速系统进行仿真分析以验证模型的合理性。该双馈调速系统是中国环流器2号（HL-2A）的环向场电源供电系统。由两套80MVA交流脉冲发电机组组成。每套机组由同轴的一台6kV 2500kW 4极绕线式异步电动机，一个飞轮，一台隐极式、4极、双Y相移30o的3kV 80MVA脉冲同步发电机和一台励磁发电机组成，系统GD2为287 t·m2.环向磁场供电电源的工作原理是，由电动机以低功率拖动整个轴系转到高转速，将电网电能转化成轴系的转动动能，然后对发电机进行快速励磁并进行适当控制，发电机通过变流器以大功率放电，同时伴随着轴系转速迅速下降，轴系的转动动能转化为电能放出。

　　为增加该供机组的储能与释能，为这两套机组的电动机配备了在转子侧进行变频调速的交-交变频器，以使电动机以双馈调速的方式将机组超同步运行至1650rpm.机组的启动过程是，先由盘车机构盘动到2rpm,从2rpm到1476rpm则由电动机并借助液体电阻滑差调节器来完成，当转速稳定在1476rpm时，将转子从液体电阻切换到交-交变频器，电动机以双馈变频调速的方式将机组继续加速至1650rpm.

　　已知实际系统的电动机参数为：定、转子额定电压6000、1640伏，额定电流284、933安，额定转速1476rmp.仿真中将转速给定设为1515rmp,要求升速过程中定转子电流、力矩为额定值，定子侧功率因数95%以上。因为受仿真时间与计算机内存、仿真模型大小的限制，每次仿真时间最多可设为6秒钟，因此只仿真了从1476~1477rmp、1498.5~1500.5rmp两段，借此说明投入变频器和超同步两段过程。仿真的结果如下图所示：（以下仿真图形的纵轴均以秒为时间单位）

  

　　从图9-11可以观测到0.6秒时转子电流、电磁转矩升到0.7（标幺值），1秒钟时升到1,并保持该转矩加速。在超同步过程中定、转子电流和转矩仍保持在额定值1并测得定、转子电流幅值为390安、1280安，与实际系统的定、转子幅值401安、1319安非常接近，从图12可以看出定子绕组的电流、电压其相位几乎一致，说明功率因数很高。这些验证了该模型的正确性与参数选择的合理性。

　　HL-2A装置的极向场供电电源的结构与环向场的类似，该套机组原产日本，设计额定转速就是3600rpm、电动机工作频率60Hz,但在我国的电网条件下只能运行在最高转速2991rpm,为充分利用该套机组的容量，也拟为其配备类似的变频装置，所以这套双馈调速系统的建模及仿真分析对125 MVA机组的双馈调速系统容量等选取来说具有直接的指导意义。

　　结束语

　　Matlab是当今广泛使用的仿真工具但实际使用中也会遇到一些诸如联接不匹配的问题，应分析具体的原因找出解决的办法。本文中的措施是行之有效的。

　　双馈变频调速系统可以有效提高定子侧功率因数到1,另外双馈变频调速所需变频器容量相对较小，在变频器输出频率不高的场合有很高的应用价值。

　　这套双馈调速系统模型对研究类似的问题有一定的参考价值，仿真的结果可作为系统设计的参考，如变频器容量、变频器的供电电压、电抗器的值、加速转矩等有关量的设计。

leetan

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