无刷双馈电机的研究现状与最新进展

无刷双馈电机(brushless doubly-fed machine, BDFM)是由串级感应电机发展来的。由两台绕线式感应电机同轴串接,转子绕组直接相连构成,取消了电刷和滑环。通过改变电机外接电阻使得转差功率改变,来控制电机的转速。BDFM是一种既可做电动机,又可做发电机的新型电机,具有结构简单、可靠性强、功率因数可调等优点,可实现同步运行、异步起动、双馈运行等多种运行方式,在变频调速系统、变速恒频发电、船用轴带发电、风力和水力发电系统等领域中有广泛的应用。

20世纪初,Hunt对串级感应电机进行了改进[1],将两个感应电机合二为一,利用先进的电磁理论对该电机进行了进一步的改进。改进后的电机是由一套转子绕组和一套定子绕组构成,但是定子绕组上的两套不同极对数共用一套磁路。它既能通过改变外接电阻来改变起动转矩和转速,又实现了电机的无刷化。此后Creedy对Hunt电机的结构进行了进一步的简化和改进[2],但受到定、转子绕组极数配合及绕组设计的诸多约束,电机没有得到实用化。同时,受到当时电力电子技术的限制,BDFM的发展一度处于停滞状态。

20世纪70年代,Broadway等人对Hunt电机作出了更深层次的改进[3],将转子结构设计成笼型,在满足BDFM对转子磁场极数转换的要求的前提下,对转子绕组进行了简化,推动了级联式BDFM的理论发展。

20世纪90年代,学者们逐渐建立了BDFM的数学模型——d-q轴系模型和双同步轴系模型,为BDFM的动态特性仿真和控制性能优化提供了理论基础。伴随着电力电子技术的快速发展,进一步推动了BDFM的发展。

近年来,国内外一些高校和科研机构都对BDFM展开了深入的研究,在不同的研究方向上取得了许多重要的研究成果,参见表1。随着人们对BDFM的进一步研究和技术的逐渐成熟,BDFM将在未来具有很大的发展前景。

表1 部分高校BDFM的研究概况 Tab. 1 Research overview of BDFM in some universities

无刷双馈电机的本体结构中有两个起主要作用的磁场,根据这两个磁场在空间中是否隔离,可将其分为级联式和磁场调制式两类。级联式结构是由两台磁场互不干涉的感应电机同轴连接而成,感应电机之间不存在磁场耦合,只有电气连接[4-7],如图1所示。磁场调制式结构的定子上有功率和控制两套极数不同的绕组,由转子的磁导或磁动势谐波对定子不同极数的旋转磁场进行调制,从而实现机电的能量转换[8]。改变控制绕组的接线方式与电源频率、幅值和相位,可实现电机的多种运行方式,如图2所示。

对于级联式BDFM,当电机的转速发生改变时,需要通过改变输入励磁电压的频率才能使得电机输出的电压频率恒定。文献[6]提出了一种不需要

图1 级联式和磁场调制式BDFM结构示意图 Fig. 1 Structure diagram of cascade and magnetic field modulation BDFM

变频器就能实现变速恒频的方法,如图2(a)所示。采用该方法,不论两个转子绕组连接相序是否相同,也不论转子转速与同步转速的大小,励磁机绕组电流的相序与主发电机绕组电流的相序总是相同的,频率保持恒定。

为了减小机组损耗,文献[7]提出一种功率绕组侧并联电容辅助励磁的方法,如图2(b)所示。该结构功率绕组与外接电容器形成闭合回路,电容器组向功率绕组提供无功电流辅助。此时,励磁电流不完全是由控制绕组提供的,这提高了机组的运行 效率。

对于磁场调制式BDFM,国内外学者对其磁场调制机理、电磁设计进行了大量研究,包括磁场调制效果、电机主要尺寸的确定和电磁负荷选取,以及定转子绕组结构设计特点和原则等。沈阳工业大学张凤阁、王凤翔教授分别在文献[8-9]中详细介绍

图2 新型级联式BDFM示意图 Fig. 2 Structure diagram of new type cascade BDFM

了BDFM的磁场调制机理。在此基础上,文献[10]以普通凸极转子BDFM为例,研究了定子两套绕组的极数配合对电机磁场调制效果的影响,合适的转子极数和极数配合可以改进BDFM的耦合能力,进而提高电机功率密度,改善性能指标。文献[11]讨论了电机计算功率与主要尺寸的确定、电机电磁负荷与定子两套绕组极对数的选取等问题。文献[12]详细阐述了电磁设计理论和设计方法。综上所述,这些研究为BDFM的电磁设计、模型建立和参数优化提供了理论依据。由于磁场调制效果关系到BDFM的运行性能及制造成本等方面,因此有必要进行BDFM磁场调制机理的研究,进而提高其磁场调制效果。

无刷双馈电机定子上嵌有两套极数不同的绕组。在运行时,功率绕组与电网直接相连,控制绕组通过变频器与电网相连。当电机工作时,对两套绕组施加励磁电压后,磁路中就会产生不同的磁场,但它们之间不能直接耦合,必须通过转子来间接耦合。定子绕组一般分为单绕组和双绕组两种结构。表2为两种绕组结构的电机的优缺点[13-15]。

华南理工大学杨向宇教授等在文献[16]中对单

表2 单绕组和双绕组的比较 Tab. 2 Comparison of single and double winding

套定子绕组分别采用“3Y/3Y”接法和“4Y/3Y”接法进行设计,如图3所示。该绕组在两种极数连接形式下各并联支路电压相等,不会在绕组中产生环流,提高了BDFM的运行效率。

图3 单绕组的连接方法 Fig. 3 Single winding connection method

基于60°相带划分法,文献[12]分析了定子交叉式短距绕组的连接方式。该方式中每个绕组元件的节距相同,有效地抑制了高次谐波。文献[17]介绍了定子双套绕组设计方法。功率绕组虽为多路并联接法,但各支路感应电动势相等,支路之间无环流。两套绕组间无互感电势,没有直接的电功率传递。

美国Oregon州立大学P. Rochelle等人在文 献[18]中从单一的定子绕组中引出两组端口,提出一种双星型连接方法,如图4所示。基于此连接方

图4 单绕组双星型接法 Fig. 4 Double star connection of single winding

式,文献[19-20]介绍了功率绕组与控制绕组的极数比为3:1时的单套定子绕组的双星型连接方式。但该连接方式对于控制绕组端来说,每相并联的3个线圈组之间具有40°的相位差,会产生环流。

东南大学程明教授团队在文献[21-22]中介绍了一种同心共轴方式布置的双定子结构,如图5所示。该结构转矩密度大,转矩能力强。与级联式BDFM相比,轴向长度任意,转子内部空间被有效利用,功率密度高。与磁场调制式BDFM相比,极对数配合不受限制,振动和噪声不明显。相比于现有结构,新型双定子结构具有明显优势,在电动汽车和风力发电等方面具有广阔的应用前景[23-25]。

图5 双定子结构示意图和实物图 Fig. 5 Dual-stator structure diagram and physical map

转子在BDFM运行中起着“极数转换器”的作用,其结构性能决定了BDFM的功率密度和效率。BDFM的转子对于定子绕组电流产生磁场的调制作用有三种方式﹕1）通过转子绕组感应电流产生磁场对定子绕组电流磁场的调制;2）通过转子铁心的磁路结构限定定子绕组电流磁场在转子铁心中的路径;3）通过综合利用转子绕组电流和转子磁路结构产生的磁场,对定子绕组电流磁场的调制。由此产生了三种不同类型的转子结构：1）基于电路设计的转子绕组结构(包括笼型和绕线型转子);2）基于磁路设计的磁阻转子结构(磁阻型转子);3）基于电路和磁路相结合的复合转子结构(包括磁阻型和笼型绕组相结合的复合转子,以及磁阻型与绕线型绕组相结合的复合转子)。

笼型转子是基于电路设计的绕组结构。该结构由多组同心式短路环构成,具有较好的起动能力和异步运行性能,结构和制造工艺简单,与传统感应电机转子制造工艺相同。笼型转子主要有四种类型结构,如图6所示。每一组同心式线圈中,各回路的节距不等,外环线圈比内环线圈节距大,相应地所产生的感应电势也大,因此外环线圈是电机能量转换的主要中枢。但是,该结构的绕组分布系数低,谐波含量高,同时由于转子电流主要通过外环线圈,相当于转子导体的等效截面积变小,因此转子等效电阻较大,电机的损耗较大,稳定性较差,限制了该结构的应用。

图6 笼型转子结构 Fig. 6 Cage rotor structure

太原理工大学张爱玲教授团队在文献[26]中研究了笼型转子BDFM的能量传输和功率因数特性。文献[27]对比了三种笼型转子BDFM异步运行的磁场调制特性。英国学者E. Abdi等人在文献[26-27]的基础上分析了导线数目和跨度对笼型转子阻抗参数的影响。同时,设计并制造了一台效率达到90%以上的250kW的笼型BDFM[28-29]。文献[30]阐述了笼型转子磁动势的特点及其对磁场调制作用的影响,还分析了该结构对转子的影响。文献[31]提出一种等距笼型的转子结构,如图7所示。该结构具有公共端环和独立叠式转子导体回路,转子电阻和漏电抗小,效率较高。

图7 等距转子结构 Fig. 7 Isometric rotor structure

绕线型转子是基于电路设计的绕组结构。接线方式灵活,主要包括变极法和齿谐波法两种。通过利用交流电机绕组理论,对两种极对数的磁势相对转向和强弱、绕组分布系数、谐波含量等进行“人工”控制。另外,其能提高转子槽导体的利用率,使转子槽导体“重复利用”。然而,该结构绕组嵌线需要变极距、变匝,使得电机加工过程复杂。

华中科技大学王雪帆教授团队提出绕线型结构,并从谐波分析的角度探讨了BDFM的结构特点和设计要求。依据“变极”原理,在文献[32]中提出一系列绕线转子绕组,使得两种极数下的绕组分布系数得以提高,谐波含量降低,如图8所示。文献[33-35]提出一种转子绕组采用星-环形接法,如图9所示。该结构可以提高绕组的导体利用率,减小铜耗,降低发热量,增大输出功率。同时,制作了10kW的试验样机,如图10所示。

根据齿谐波原理,笔者所在课题组在文献[36]中提出一种采用不等匝线圈设计的转子结构。该结构能够调整转子绕组磁动势的基波和谐波含量,有

图8 绕线转子绕组不同连接方式 Fig. 8 Wound rotor winding different connections

图9 星-环形连接 Fig. 9 Star-ring connection

图10 10 kW试验样机 Fig. 10 10 kW prototype

效提高转子绕组在两种不同极对数下的导体利用率,从而使得谐波的含量降低、损耗变小、电机效率提高。在此基础上,文献[37]提出了一种采用不等匝数同心式的转子绕组。同时,设计了一台64 kW的4/8极绕线转子无刷双馈发电机,制作了样机并搭建了实验平台,如图11所示。文献[38-39]中将正弦绕组结构引入到BDFM转子绕组中,该结构在增强磁场调制效果和降低气隙谐波方面具有一定的优越性。笔者所在课题组还在文献[40-41]的基础上,提出了转子呈弓形对称分布的同心式绕线转子结构的BDFM,该转子结构进一步提高了导体利用率,降低了转子磁动势谐波含量。这些结构改善了

图11 64kW样机和实验平台 Fig. 11 64 kW prototype and experimental platform

转子磁场分布,在风力发电、船用轴带等领域具有良好的应用前景。

磁阻型转子是基于磁路设计的结构。通过磁导谐波的调制作用,来实现定子上两套不同极数绕组之间的电磁耦合。该结构耦合能力强、效率高,同步和双馈调速特性良好。专家学者们对转子结构进行了不断改进,使得磁阻型转子由普通凸极转子发展出ALA型、径向叠片磁障型等多种转子结构形式。磁阻转子的设计理论不断完善,性能也逐渐提高[42-44]。表3对几种不同的磁阻型转子作了比较。在此基础上,韩国学者Salman Khaliq等在文献[45]中提出了一种轴向磁通无刷双馈磁阻电机的转子磁极的优化设计,其具有更高的转矩和功率密度。

表3 不同的磁阻型转子的比较 Tab. 3 Comparison of different reluctance type rotors

复合转子是基于电路和磁路相结合的结构,包括磁阻和笼型绕组相结合的复合转子,以及磁阻与绕线相结合的复合转子。该结构综合利用了转子磁动势和磁阻对于定子绕组电流磁场的调制作用,不仅提高了转子的机电能量转化能力,同时使转子结构和制造工艺得以简化,在大功率BDFM上应用广泛。目前,复合转子结构已在百千瓦级无刷双馈电机产品样机上获得应用[46-53]。

沈阳工业大学张凤阁教授团队为了更好地发挥磁阻类转子和笼型转子的综合优势,在磁阻转子的基础上,增加短路笼条,从而设计出了复合型转子类型[51-52],结构如图12所示。在此基础上,文

图12 两种磁阻式转子结构 Fig. 12 Two kinds of reluctance rotor structure

献[53]提出了一种新型隔磁磁阻和短路笼条复合转子结构,以磁障转子为基础,在径向叠片磁阻转子铁心中加入隔磁层,在构成的磁障式转子的非导磁层加入一定数量对成分不一的短路笼条,两个端部分别短路连接。该结构在一定程度上综合了磁阻转子和笼型转子的优点,具有结构简单、制造方便、损耗较小、起动性能和动态运行能力很强等优点。

合肥工业大学黄长喜博士等在文献[54-55]中通过将磁阻型与绕线型转子结构相结合,提出一种具有磁阻式BDFM的复合转子结构。该转子结构既保持了绕线式转子绕线接线方式的灵活性,又发挥了磁阻式转子对磁通的导向作用,改善了电机的磁场调制效果,实现了转子与定子两套绕组耦合能力的最大化。

无刷双馈电机的结构分析是基于参数计算,建立数学模型和等效电路。因此,参数计算与测定是研究BDFM特性主要解决的问题。数学模型是BDFM研究控制策略的关键。等效电路是对BDFM特性分析的一种基本和通用的方法。通过建立数学模型和等效电路,能较好地反映BDFM的运行状态。同时,也为分析计算提供了有利的工具。

BDFM绕组的电阻和电感是决定电机运行的主要参数,电阻计算简单,但电感的计算非常复杂。针对BDFM电感参数的计算与测定,学者们进行了大量工作,并取得了一些成果。文献[8-9]利用磁场分析和绕组函数法对笼型和磁阻式BDFM进行了电感参数计算,并用静测法和动测法两种方式进行了样机测试。文献[43,56]介绍了新型磁障转子和复合结构电机参数的测定与准确计算。在此基础上,文献[57]提出一种改进的能量摄动法来计算微分电感,该方法具有非线性方程的求解次数少,使用一阶导数求解直接计算能量增量等优点,为BDFM的仿真提供了一种实用的电感计算方法。文献[58-60]通过采用分段函数来描述绕组函数及反气隙函数,来计算BDFM定子两套绕组的自感及互感。

三相静止坐标系数学模型是根据交流电机的基本理论,分别得出两套不同绕组的系统的电压方程、磁链方程和转矩方程。然后,根据转子绕组的相互作用,分析并建立两个子系统与转子的关系。文献[61]详细分析了BDFM三相静止坐标系中的数学模型。文献[62]对级联式BDFM建立了4种不同的动态数学模型：三相静止坐标系数学模型、任意速度两相旋转坐标系数学模型、转子速度两相旋转坐标系数学模型、双同步速度两相旋转坐标系数学模型,并对它们各自的特点进行了介绍。

20世纪80年代末,美国Oregon州立大学A.K.wallace等在文献[63]中首次将交流电机多回路模型运用于BDFM,该模型以一相绕组为单元,按照所研究电机的回路联接情况,建立描述回路电压和电流关系的微分方程。多回路模型的关键问题是如何计算定转子各回路之间的电感系数。这种模型不仅能分析不对称绕组的电机问题,还适用于定子绕组连接方式多变的单相异步电机和转子绕组特殊端接的BDFM的仿真研究。但是,该模型不适用于调速系统和控制算法的研究[64]。在此基础上,文献[64-65]在假定磁路线性,忽略定子上两套不同极数绕组之间的直接耦合,仅考虑定子绕组和转子回路间互感的基波分量等前提下,对笼型转子的BDFM分析建立了多回路模型,得到的电压方程如式(1)所示。此外,还指出该模型适用于分析BDFM的稳态和动态性能,对电机设计具有重要的指导 作用。

在多回路模型的基础上,美国Oregon州立大学的A. K. wallace、R. Li、Renespen等学者建立了无刷双馈电机的d-q轴模型。与多回路模型相比,该模型消除了定转子之间的时变互感抗,降低了多回路模型方程组的阶数,更适用于控制系统的研究。R. Li等在文献[66]中推导出了(6+2)极的BDFM的d-q轴模型。在此基础上,M. S. Boger在文献[67]中将文献[66]中的电机模型改造成适合任意极数的通用形式,为BDFM的动态仿真和控制算法提供条件。文献[68]从BDFM的基本方程式出发,通过坐标变换,建立了BDFM在转子速旋转坐标系下的d-q模型。文献[69]在静止a-b-c轴数学模型的基础上,推导出电机的d-q轴数学模型。文献[70-71]通过回路电压方程和坐标变换,建立了BDFM在转子速旋转坐标系下的d-q轴模型,推导出该模型的电压方程、磁链方程和转矩方程如式(2)—(4)所示。

\(\left\{ \begin{array}{*{35}{l}} {{\psi }_{\text{qp}}}={{L}_{\text{sp}}}{{i}_{\text{qp}}}+{{L}_{\text{spr}}}{{i}_{q\text{r}}} \\ {{\psi }_{\text{dp}}}={{L}_{\text{sp}}}{{i}_{\text{dp}}}+{{L}_{\text{spr}}}{{i}_{d\text{r}}} \\ {{\psi }_{\text{qc}}}={{L}_{\text{sc}}}{{i}_{\text{qc}}}+{{L}_{\text{scr}}}{{i}_{q\text{r}}} \\ {{\psi }_{\text{dc}}}={{L}_{\text{sc}}}{{i}_{\text{dc}}}-{{L}_{\text{scr}}}{{i}_{d\text{r}}} \\ {{\psi }_{q\text{r}}}={{L}_{\text{spr}}}{{i}_{\text{qp}}}+{{L}_{\text{scr}}}{{i}_{\text{qc}}}+{{L}_{\text{r}}}{{i}_{q\text{r}}} \\ {{\psi }_{d\text{r}}}={{L}_{\text{spr}}}{{i}_{\text{dp}}}-{{L}_{\text{scr}}}{{i}_{\text{dc}}}+{{L}_{\text{r}}}{{i}_{d\text{r}}} \\\end{array} \right.\) (3)

\({{T}_{\text{e}}}={{p}_{\text{p}}}{{L}_{\text{spr}}}({{i}_{q\text{p}}}{{i}_{d\text{r}}}-{{i}_{d\text{p}}}{{i}_{q\text{r}}})-{{p}_{\text{c}}}{{L}_{\text{scr}}}({{i}_{q\text{c}}}{{i}_{\text{d}r}}+{{i}_{\text{dc}}}{{i}_{q\text{r}}})\) (4)

式中：uqp、udp、iqp、idp、ψqp、ψdp分别为功率绕组电压、电流和磁链的q轴和d轴分量;uqc、udc、iqc、idc、ψqc、ψdc分别为控制绕组电压、电流和磁链的q轴和d轴分量;Rc、Rr和Rp分别为功率绕组、控制绕组和转子的电阻;Lsp、Lsc、Lr分别为功率绕组、控制绕组和转子的自感;Lspr、Lscr分别为功率绕组和转子、控制绕组和转子之间的互感;pp、pc分别为功率绕组、控制绕组的极对数;ωr为转子 机械角速度;D表示微分算子。然而,由于d-q轴模型无法合成矢量方程,使其在理论分析中仍有一定的不便。

统一坐标系数学模型的形式简单,将多回路数学模型写成空间矢量的形式,然后利用一个坐标系

中任意物理量变换到另一个坐标系的转换公式,将所有绕组上的电压方程和磁链方程统一到功率或控制绕组上,得到BDFM的统一坐标系。文献[72]利用该模型对BDFM的直接转矩控制方法进行了研究。英国剑桥大学S. Shao博士等基于此模型,在文献[73]中通过在功率绕组同步坐标系模型中采用功率绕组磁链定向的BDFM的矢量控制,实现了有功功率和无功功率的解耦控制,获得了良好的稳态和动态性能。

统一坐标系模型在推导过程中需要进行多次旋转变换,在理论分析中各物理量频率和旋转方向的统一带来很多优势。另外,还可以根据不同的需要将功率或者控制绕组数学模型写成静止坐标系、同步旋转坐标系的形式。

无刷双馈电机的电磁关系比传统交流电机复杂,建立合适的等效电路对电机的工作特性和性能分析尤为重要。文献[74]分析了笼型转子电机的基本电磁关系,提出了利用电动势来等效机械负载的频率折算方法,并建立了适用于电动和发电状态通用的等效电路。文献[75]忽略铁心磁压降、磁路非线性的影响,从基本电磁关系推导出磁阻和笼型转子BDFM的统一等效电路,如图13所示,并得出了电磁转矩的统一表达式。

图13 磁阻和笼型短路绕组转子结构的等效电路 Fig. 13 Equivalent circuit of reluctance and cage short circuit winding rotor structure

华南理工大学孙国伟等在文献[76]中从电机的电压方程出发,经过频率和绕组归算,得出通用等效电路。基于该等效电路,文献[77]得出BDFM在自然同步和异步特殊运行模式下的等效电路,如 图14所示。当控制绕组通入直流时,BDFM工作在自然同步状态,对应的等效电路如图14(a)所示。当控制绕组的变频器发生故障或者开路状态时,电机运行处于异步状态,等效电路变成图14(b)所示。

华中科技大学王雪帆教授团队在文献[78-80]中对绕线转子结构BDFM建立了链型和‘π’型等效电路,如图15所示。文献[81]通过同步运行时的等效电路,将各电量分解为实部和虚部,推导出同步运行时的非线性数学方程,并探讨了方程的求解方法。

图14 自然同步和异步特殊运行模式下的等效电路 Fig.14 Equivalent circuit in natural synchronous and asynchronous special operating modes

图15 链型和‘π’型等效电路 Fig. 15 Chain and 'π' equivalent circuit

由于BDFM定子上一套绕组与电网直接相连,另一套绕组通过变频器与电网相连,因此控制系统相对于传统异步电机更加复杂。BDFM运行时具有异步电机的特点,可以将异步电机的控制策略应用于BDFM的控制,包括经典控制策略和一些新型控制策略。经典的控制方法主要包括标量控制、矢量控制、直接转矩控制。新型控制策略主要是把非线性控制理论运用到BDFM控制中,包括智能控制、模糊控制、无源性控制、自抗扰控制等。

标量控制的控制方式相对简单,主要包括开环控制、闭环控制和相角控制等。闭环控制是通过测量得到的转速、功率因数与设定值相比较,进而调节BDFM的电压、电流的频率和幅值的大小,从而实现对电机的控制。

华中科技大学王雪帆教授团队在文献[82]中设计了一套简单的闭环电流标量控制系统,设计方案如图16所示。在此基础上,文献[83]提出跟踪电网电压矢量定向控制的BDFM的并网运行控制方法,在电网与BDFM的功率绕组之间加上一个缓冲电抗器,减小电机发出的电能对电网的冲击力,实现了BDFM的标量并网控制。文献[84]提出了改进的标量控制算法,在逆变侧加入电流前馈补偿来提高动态响应速度。

图16 闭环电流标量控制系统 Fig. 16 Closed-loop current scalar control system

基于闭环标量电流控制系统,文献[85]提出一种自适应PI的标量控制策略,该方案功率绕组电压和电流实行双闭环调节,使得系统更加快速和稳定。加上频率闭环,功率绕组输出频率恒定不变,保证了BDFM稳态性。文献[86]对BDFM进行了稳定性分析。文献[87]介绍了开环电压控制下对BDFM的稳定性分析方法,并据此建立了考虑负载的动态特性的小信号模型。

矢量控制是利用解耦控制的思想,使得被控变量在可控的参数上不存在耦合,主要有以下两种控制方法：1）利用稳态情况下两套绕组的转差频率关系,将各绕组的变量置于统一的坐标系下,并利用功率绕组定子侧磁场定向进行解耦控制,该控制方法较为简单,但其只考虑了静态过程,而不能对动态过程中的电磁转矩和磁链进行精确控制;2）基于双同步坐标系的矢量控制方法,但其调速范围较窄,不适合用于电动汽车驱动。

由于BDFM的定子上两套不同极数绕组所产生的磁场旋转速度不同,文献[88]提出了一种双同步坐标系定向方法来控制BDFM。文献[89]提出一种双旋转同步坐标系的矢量控制方法,并以此为依据推导出矢量控制算法,建立了BDFM双同步矢量控制系统,如图17所示。

图17 双同步坐标系矢量控制系统 Fig. 17 Vector control system of dual-synchronous coordinate system

为了实现对有功和无功功率的解耦控制,以及获得与绕线式转子感应电机相同或更高的性能,文献[90]提出了一种功率绕组磁场定向矢量控制,如图18所示。在此基础上,文献[91]提出了能够控制电机的转速和提高功率因数的矢量控制方案,该方案具有良好的运行性能。文献[92]对绕线型BDFM提出了直接功率矢量控制,在无转子位置传感器的

图18 功率绕组磁场定向矢量控制系统 Fig. 18 Vector control system for magnetic field orientation of power winding

情况下,对BDFM的功率进行调节。该方案具有较高的控制精度,且具有快速的跟踪能力。文献[93]将滑模结构运用到BDFM风力发电控制中,能够调节有功和无功功率,实现风能的最大功率跟踪。

矢量控制调速范围宽,不仅能实现连续控制,还能实现对电机转矩以及功率因数等的独立控制。但该方法对所需参数的精度要求更高,计算更为复杂,这使得电机的动态响应速度在一定程度上受到影响。

直接转矩控制是在假定功率绕组电压和磁通恒定的情况下,利用电机参数、输入量和反馈量,对控制绕组的磁链和转矩进行估算,将转化得到的电压和电流与测量值相比较,并通过改变其大小实现对电机的控制。

针对BDFM直接转矩控制计算量较大、转矩脉动较大、难以实现等问题。文献[94]提出了转速、转矩双闭环控制方案,如图19所示。该方案具有结构简单、目标明确、计算量小、控制准确和实时性好等特点,在亚同步电动状态和超同步电动状态下均可适用。文献[95]提出了转矩预测法,构建了BDFM直接转矩控制系统,采用该方法可以减小转

图19 直接转矩控制系统 Fig. 19 Direct torque control system

矩脉动,改善了控制绕组的电流的波形,提高了电机的静、动态性能。文献[96]对经典直接转矩控制策略电压矢量表进行改进,通过分别使用磁通和转矩优先的单变量控制条件实行直接转矩控制。文 献[97]对于磁阻式BDFM提出了改进的直接转矩控制方法,并将其应用于在风力发电系统中,该方法不仅可以减小转矩和磁链的脉动,同时还保持了逆变器的开关频率恒定。

基于传统的直接转矩控制策略,文献[98]将无功功率控制理论引入到BDFM直接转矩控制系统中,实现对无功功率的控制,如图20所示。该系统在无功功率保持恒定不变的条件下,实现了抗干扰性和调速性。文献[99]将模糊控制引入到BDFM的直接转矩控制系统中,如图21所示。在此基础上,文献[100-101]提出了基于DSP的模糊直接转矩控制策略,解决了传统直接转矩存在的开关频率不固定等问题。文献[102]提出了基于定子磁链定向的模糊直接转矩控制结构,并引入不考虑磁链和转矩的优先级的算法,该算法通过减小转矩和磁链的脉动来提高系统的运行性能。

为了进一步提高BDFM直接转矩控制系统磁

图20 带无功功率的直接转矩控制系统 Fig. 20 Direct torque control system with reactive power

图21 模糊直接转矩控制系统 Fig. 21 Fuzzy direct torque control system

链辨识精确性和系统的稳定性,文献[103]提出基于自适应辨识的直接转矩控制系统,如图22所示。该系统磁链辨识精确,解决了低速工作时系统不稳定的问题,提高了系统的调速性能。文献[104]将速度辨识和磁链观测相结合,提出一种磁链、速度自适应观测器。该观测器采用波波夫超稳定性理论来确定速度自适应性,提高了定子磁链、速度的辨识精确性。文献[105]利用指数趋近率的方法设计BDFM滑模控制器,以转矩和磁链两个滑模控制器代替传统的滞环控制器,如图23所示。该控制方案不仅能有效减小转矩脉动,还能提高系统的稳定性和鲁棒性。文献[106]提出了无速度传感器的直接转矩控制方案,该方案适用于磁阻式BDFM的低变频率操作,具有很强的稳定性和可靠性。

图22 基于自适应辨识的的直接转矩控制系统 Fig. 22 Direct torque control system based on adaptive identification

图23 基于滑模变结构的直接转矩控制系统 Fig. 23 Direct torque control system based on sliding mode variable structure

直接转矩控制策略结构简单,动、静态性能良好,在调速控制系统中得到广泛应用。但该方法也存在磁链和转矩脉动大,低速运行时难以控制、过程复杂、计算量太大等问题。

为了进一步提高BDFM的运行性能,国内外学者对新型的控制策略展开了研究。文献[107]介绍了模糊自适应PID控制、模糊神经网络控制、专家自适应PID控制等三种智能控制策略,这些控制方案加快了系统响应,提高了系统的鲁棒性。文献[108]提出一种基于直接功率的控制策略,并采用功率补偿方法来提高电能的质量。该控制策略可以对功率实现灵活调节,有效地解决了不平衡电网电压的稳定问题。

针对BDFM系统多变量、非线性、强耦合的特点,为了简化控制结构,并进一步提高控制性能,文献[109]基于能量分析了笼型BDFM系统的无源性,提出一种转矩和转速控制结构,并设计相应的非线性控制器,如图24所示。该结构能够精确地对转矩、转速进行跟踪控制,提高了动态响应性能和鲁棒性,减小了转矩脉动。文献[110]对比分析了开环控制、基于降阶模型无转矩估计的转子磁场定向控制、直接转矩控制、无源性控制等不同控制策略的动态特性,经分析可知无源性控制具有更为优良的动态控制性能。

图24 无源性控制结构 Fig. 24 Passive control structure

广东工业大学杨俊华教授团队在文献[111]中利用自抗扰控制器(active disturbance rejection control,ADRC)分别控制BDFM的控制绕组磁链、转速和定子电流,应用扩张状态观测器估算出系统的状态变量及其广义导数,从而实现精确解耦。文献[112]采用自抗扰控制方法,实现风力发电系统功率的解耦控制。文献[113]采用模糊控制器整定自抗扰中的非线性控制参数,能快速实现参数整定,控制框图如图25所示。文献[114]在笼型转子BDFM的转速控制中引入无源性非线性控制方法,设计了BDFM的转矩和转速的无源性控制器。文献[115]提出无源性控制策略,解决了BDFM非线性PID

图25 自抗扰控制器结构图 Fig. 25 Structure diagram of active disturbance rejection control

控制方案中转速和负载转矩动态响应性能差,负载突变时易引起振荡等问题。文献[116]提出了一种BDFM模糊自适应控制器,可实现最大功率跟踪和变速恒频。文献[117]提出一种基于模型参考自适应的BDFM定子磁链辨识方法,该方法有效地减少了

BDFM定子电阻变化对系统特性的影响,提高了系统的稳定性和鲁棒性。文献[118]基于同步旋转坐标系的BDFM的矢量解耦控制策略实时控制存在外部干扰、参数变化和非线性等不确定问题,提出一种使用自抗扰控制器来调节转速的系统。该系统可以实现转速环和磁链环的准确解耦和完全线性化,提高了系统的动静态性能和鲁棒性。

太原理工大学张爱玲教授团队在文献[119]中提出一种间接转矩控制(indirect stator-quantities control,ISC)策略,它是在两个静态的坐标系中实现的,不需要建立旋转坐标系,且该策略的控制器结构对电机参数的依赖程度较低,如图26所示。文献[120]提出了用ISC方案对BDFM进行无功功率的动态控制,该方法不仅能够控制转速和转矩,而且还可以控制无功功率。

图26 ISC系统的原理图 Fig. 26 ISC system schematic

BDFM是一种结构特殊、运行性能良好的新型交流励磁电机,其未来发展方向概括如下：

1）抑制谐波含量,减小损耗,提高电机效率。

BDFM变频调速是通过改变变频器的电压和频率。电机在工作时,改变电压和频率的瞬间,电机的转矩和转速波动大,变频器输出的电流等参数谐波含量大。大量的谐波含量导致电机的损耗大、运行效率低[121-122]。

2）降低电机的发热量,提高参数测定的精 确性。

BDFM的结构复杂,发热量要比普通异步电机大。电机的参数如电阻、电感等容易受到外界环境的影响,参数的变化和测定的精确性成为BDFM数学模型和等效电路是否可行的基础。同时,在参数计算和测定时应充分考虑定转子绕组分布、转子铁心、开槽效应、磁路饱和程度等的影响。

3）优化转子的设计方法,提高电磁耦合能力。

目前,电机的运行受到转子绕组的设计、加工、制造工艺复杂等方面的影响,电机功率密度普遍较低。转子设计时应充分考虑笼型、磁阻型、绕线型结构的特点,改进电机转子结构,以提高电磁耦合能力。

4）进一步深入研究和改进数学模型。

目前,国内外学者对于BDFM的的数学模型和等效电路的研究基本上都是在忽略谐波和磁路饱和非线性影响下推导的。而由于BDFM的特殊结构,在忽视磁动势谐波和磁路饱和时,会导致理论计算与实际情况存在偏差,不能准确地反映BDFM的运行特性。

5）优化控制策略,提高策略的应用性。

目前已有的众多控制策略,多限于理论研究,应用性尚不够成熟。如风力发电用BDFM系统,需要研究优化矢量控制策略以提高系统调节功率精度,以及新型的控制策略以解决BDFM在不同风速下保持功率输出平稳性等问题。

根据BDFM的原理及特性,其研究成果主要集中在以下两个方面：

1）作为电动机应用于变频调速。

BDFM作为变频调速电机,既具有感应电机良好的自起动性能,又具有同步电机的优良的运行性能。当它被作为变频调速电机应用于电气传动系统时,可以降低变频器容量和调速成本,可获得优异的节能效果。在风机泵类负载的节能调速方面具有很好的应用前景,比如在许多生产应用领域,如发电厂和钢铁企业中,水泵和通风机等负载面广量大,如果采用交流变频调速装置替代阀门、挡板来调节流量、风速等,可获得很好的节能效果。另外,用BDFM取代普通的感应电机,其定子功率绕组直接由工频电网供电,变频器只需为定子控制绕组提供“转差功率”,即使在变频器发生故障的情况下,电机仍然可以运行于感应电动机状态下,有效地解决了电机变频调速系统中存在的技术难题[123-124]。

2）作为发电机应用于变速恒频。

BDFM作为发电机主要应用于风力、水力、轴带等发电领域,不仅可以实现变速恒频恒压运行,还能提高发电机组的运行可靠性及效率。水力或风力发电机一般极数较多,其特殊的运行工况对发电机的可靠性提出了很高的要求。采用无刷双馈发电机的变速恒频发电系统除了具有交流励磁发电机的优点之外,还实现了无刷化,提高了系统运行的可靠性,是变速恒频发电技术未来发展的重要方向。目前,已有多个大型BDFM运行的案例,如英国剑桥大学与风能科技公司合作研究的250 kW NLR-BDFIG、沈阳工业大学仿真研究的兆瓦级无刷双馈风力发电机等[125-129]。

因此,BDFM无论在变频调速领域还是在变速恒频领域均具有较好的应用前景,今后将有望在船舶、冶金、石化、能源水利、交通以及风电产业的发展和技术的创新方面发挥更大的作用。

无刷双馈电机作为一种新型交流励磁电机,不论是在变频调速领域还是在变速恒频领域均具有较好的应用前景。本文依据BDFM的磁场调制机理、定子结构、转子结构、控制策略等不同研究方向来分类,并对该类电机的研究成果进行分析与归纳,总结出如下观点：

1）与传统的感应电机相比,BDFM系统所需变频器容量小,仅需提供滑差功率,对电网的污染小,成本低。

2）BDFM不同的定、转子绕组结构和定转子槽配合对电机性能指标影响很大。其中,复合转子逐渐成为重要的研究方向。

3）鉴于电机定、转子绕组中存在多种不同频率的电流,电机磁场较为复杂,寻求电机铁心损耗精确计算方法,从而获得电机优化设计的方案,是目前提升BDFM效率的关键共性问题。

4）BDFM的设计和参数计算需综合考虑谐波和磁路饱和非线性的影响,目前多采用场路耦合或场路结合的动态特性仿真方法。

5）BDFM的动态特性和稳定性与控制绕组电压、负载转矩等因素有关,致使其稳定性的因素及其判据复杂。目前,对运行稳定性的研究较少,尚需对此展开研究。

6）目前的控制策略,多数仅限于原理性研究。尽快提供可在产品上实际应用的控制技术,是目前BDFM推广应用中亟待解决的问题。

7）目前BDFM的研究不再是停留在仿真和实验室模型样机研究阶段,尤其是近年来我国节能减排和风力发电等社会需求,正在推动BDFM研发走向推广应用和产业化阶段。

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