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清 华 大 学 学 报

(

自 然 科 学 版

)

2010 ,50 (1)

方案 ,并据此实现了一套 2 MW 对拖式双馈电机
试验台 。试验表明 ,本文提出的设计方案和控制
方法能够满足双馈发电机的型式试验和出厂试验
的需要 。

1

 双馈电动调速系统控制原理

本文设计的对拖式双馈电机试验平台的结构如

图 1 所示 。陪试用双馈电动机和变流器系统通过由
三个辅助开关 Q F2 、Q F3 和 Q F4 组成的切换装置
连接 ,组成双馈电动机调速系统 。

1

 对拖式双馈电机试验平台

11  两种运行模式

双馈电动机调速系统可以工作在两种运行模式

下 : 一种是定子变频运行模式 ,一种是双馈运行模式。

当系统运行在定子变频运行模式时 ,辅助开关

Q F3 、Q F4 闭合 , Q F1 、Q F2 断开 ,电机的转子绕组

被直接短路或经起动电阻短路 ,变流器作为一台全
功率通用变频器与双馈电动机的定子绕组相接 ,直
接驱动双馈电机做异步运行 ,此时的调速系统等效
为一个异步电机变频调速系统 ,可实现对拖机组的
转子从静止到超过同步转速一定范围内的无极调

速 ,以满足双馈风力发电机空载和超速试验等的要
求 。在起动过程中可采用开环变压变频控制或闭环

矢量控制 ,在保证起动转矩的同时可有效限制起动
冲击电流 ,实现机组平滑起动 。

为了节省成本 ,转子变流器的容量通常只有双

馈电动机的 1/ 3 左右 ,因此 ,定子变频运行时电动机
输出的机械功率有限 ,不能用于双馈发电机功率曲
线及温升试验等要求满载运行的试验场合 ,为此 ,需
要将电动机的控制切换到双馈运行模式 。此时 ,将

Q F3 和 Q F4 断开 ,然后控制 Q F1 和 Q F2 闭合 ,通

过变流器调节双馈电机转子电流的频率 、

幅值和相

位 ,实现双馈电动机的并网和带载调速运行 。切换
过程需要快速的并网控制策略 ,以避免电机转速跌

落出变流器所允许的转速范围 。

12  双馈电动机矢量控制

为了控制双馈电动机的功率因数 ,并取得较好

的转矩 、

转速调节动态特性 ,本文采用了定子电压定

向矢量控制方法 ,对双馈电动机的转速及无功功率
进行闭环控制 。

定子电压定向坐标系下可令

u

sd

= 0

,

此时旋转

坐标系下的双馈电动机数学模型如下 。

电压方程

:

0

= R

s

i

sd

+ p

ψ

sd

-

ω

s

ψ

sq

,

(

1

)

u

sq

= R

s

i

sq

+ p

ψ

sq

+

ω

s

ψ

sd

,

(

2

)

u

rd

= R

r

i

rd

+ p

ψ

rd

-

ω

sl

ψ

rq

,

(

3

)

u

rq

= R

r

i

rq

+ p

ψ

rq

+

ω

sl

ψ

rd

.

(

4

)

  磁链方程

:

ψ

sd

= L

s

i

sd

+ L

m

i

rd

,

(

5

)

ψ

sq

= L

s

i

sq

+ L

m

i

rq

,

(

6

)

ψ

rd

= L

r

i

rd

+ L

m

i

sd

,

(

7

)

ψ

rq

= L

r

i

rq

+ L

m

i

sq

.

(

8

)

  电磁转矩方程

:

T

e

= n

p

L

m

( i

sq

i

rd

- i

sd

i

rq

) .

(

9

)

  运动方程

:

p

ω

r

= n

p

( T

e

- T

L

) / J .

(

10

)

其中

: R

i

ψ

u

分别表示电阻 、

电流 、

磁链和电压

;

下标 s 、r 分别表示定子量和转子量

;

下标 d 、q 分

别表示旋转坐标系下 d 轴 、q 轴分量

;

ω

s

表示同步

旋转频率

;

ω

sl

为滑差频率

;

ω

r

为电机转速

; p

为微

分算子

; L

m

L

r

L

s

分别为双馈电动机的互感 、

子电感和定子电感

; n

p

为极对数

; T

e

为电磁转矩

,

T

L

为负载转矩

, J

为转动惯量 。

由于双馈电动机定子绕组直接与电网相连

,

子电阻压降的影响可以忽略

,

稳态时定子磁链ψ

s

位落后定子电压

u

s

90°

,

在定子电压定向坐标系下

,

对应ψ

sq

= 0

,

此时定子磁链 、

电磁转矩及无功功率

的表达式可以简化为

:

ψ

sd

L

m

i

ms

=

ψ

s

= U

s

/

ω

s

,

(

11

)

i

sq

= - L

m

i

rq

/ L

s

,

(

12

)

T

e

= - n

p

i

ms

i

rq

L

2
m

/ L

s

,

(

13

)

Q

s

= U

s

( i

ms

- i

rd

) L

m

/ L

s

.

(

14

)

其中

i

ms

为广义励磁电流 。可以看出

,

若保持定子磁

ψ

s

恒定

,

则双馈电机

T

e

i

rq

成线性关系

, Q

s

i

rd

成线性关系

,

对转子电流 d 、q 轴分量分别控制即

可实现转矩和无功功率的解耦调节 。双馈电动机矢
量控制框图如图 2 所示 。

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