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1、毕业设计（论文）专用纸摘要目前，双馈电机最大的优点在于可以将转差功率馈送至电网中，或者是由电网馈入。双馈电动机调速系统由于具有可靠性高、成本低等优点，并且能够通过调节转子侧变频器的幅值、相位以及频率来调节双馈电动机定子侧无功功率，因此被广泛应用于交流电机调速领域。 本文主要研究双馈电动机调速系统控制策略及其仿真。本文首先简单地介绍了双馈电动机调速系统的基本工作原理，分析、讨论了双馈电动机在不同工况下运行时的功率流动关系，接着详细地推导出双馈电动机在三相静止坐标系上的数学模型。然后采用定子磁链定向，推导出双馈电动机在同步旋转坐标系 MT 上的数学模型。本文采用双馈电动机转速与定子侧无功功率作为外
2、环控制目标、转子电流在 M、T 轴上的分量作为内环控制目标的双闭控制系统。该控制策略能够独立地调节双馈电动机转速与定子侧无功功率，且能够实现双馈电动机在次同步、超同步状态下运行。然后在 MATLAB 中的 simulink 环境下搭建了双馈电动机调速系统的仿真模型并进行仿真分析，验证了所用控制策略的可行性。关键词： 双馈电动机，矢量控制，仿真毕业设计（论文）专用纸IAbstractAt present, the biggest advantage of doubly-fed electric machine is that it can make the slip power feed to
3、the grid, or eed it from grid. The double-fed electric machine speed control system has high reliability and low cost advantages, and it can change the double-fed electric machine stator side reactive power by adjusting the amplitude, phase and frequency of the rotor side converter, so it is widely
4、used in the field of motor control. This paper mainly studies the control strategy of double-fed electric machine speed control system and its simulation.This paper first briefly describes the basic working principle of the double-fed electric machine speed control system, analyzes and discusses the
5、 power flow of the doubly-fed electric machine in the run-time under different conditions ,then deduces the mathematical model of the doubly-fed electric machine in three-phase stationary coordinate system in detail.It uses the double-loop control system of using the speed of the double-fed electric
6、 machine and reactive power of the stator-side s control targets in the outer ring and the component of rotor current in the M, T-axis as inner control objectives. And this control method can independently adjust the motor speed and the reactive power of the stator side of double-fed electric machin
7、e ,and double-fed electric machine can achieve running in the sub-synchronous and super-synchronous state.Then it builds a double-fed electric machine speed control system simulation 毕业设计（论文）专用纸IImodel in MATLAB simulink environment, simulation results are analyzed to verify the feasibility of the c
8、ontrol strategy used.Key Words: doubly-fedelectric machine, field oriented control,simulation 目 录1 1 绪论绪论 11.1 双馈电机的发展状况 .11.2 双馈电机控制策略 .21.3 本文的主要内容 .32 2 双馈电机的数学模型及其功率流程分析双馈电机的数学模型及其功率流程分析 42.1 双馈电机调速的工作原理 .42.2 变频器 52.3 双馈电机调速的运行工况分析 .62.4 三相异步电动机的多变量非线性数学模型 72.5 坐标变换 113 3 双馈电机的矢量控制技术双馈电机的矢量控制技术
9、 .153.1 矢量控制简介 153.2 定子磁链定向下的双馈电机矢量控制 163.3 基于定子磁链定向的双馈电机的控制策略 .203.4 双馈电机整个系统的控制策略 .224 4 双馈电机调速系统的仿真双馈电机调速系统的仿真 .244.1 Simulink 下仿真模型的搭建 .244.2 仿真结果及分析 265 5 总结总结 .30毕业设计（论文）专用纸III致谢致谢 .31参考文献参考文献 .32毕业设计（论文）专用纸01 绪论1.1 双馈电机的发展状况 目前，随着电力电子技术、控制理论的发展，交流电机调速在电力电子与电气传动领域得到了广泛的应用，从而逐步取代了直流电机调速的地位。所谓双馈
10、电机是指将异步电机的定子绕组、转子绕组都与交流电网或含电动势的回路相连接，使它们可以进行能量的双向流动。双馈电机也称交流励磁电机，它是由电机本体与交流励磁自动控制系统构成的。双馈电机是电机技术、电力电子与电力传动技术、以及现代控制技术发展而来的产物。双馈电机的定子端与 50Hz 的大电网直接相连接，而转子端与幅值、相位以及频率均可调节的交流电源相连接。通过调节转子端励磁电流幅值大小、相位以及频率，可以使得双馈电机在电动状态或发电状态下运行，同时转速的大小也可以调节，且定子端输出的电压和频率可以保持不变，因此，它在提高系统的稳定性时又可以调节电网的功率因数。 双馈电机同时具备同步电机的特点与异步
11、电机的特点，可以在同步速上下运行，而且能够有效地调节无功功率，因此用途非常地广泛。在双馈调速系统中，由于通过变频器的转差能量只是被控能量的一部分,所以所需变频器的容量可以小于电机的容量,这样可以大大地提高双馈调速系统的效率、节约成本。双馈电机的调速范围可以达到 10%至 60%，因此具备提高系统的工作效率、节约电能等优点。当其作为电动机运行时，在不同的带载情况下，可以灵活地调节系统的无功功率和转速。德国西门子、日本东芝和三菱、俄罗斯哈尔科夫电机制造公司已经制造了一系列的双馈电动机，例如：哈尔科夫公司已经生产了毕业设计（论文）专用纸1315kW 至 2000kW 的不同种类的双馈电动机，而且已经
12、大量运用于各种交流调速传动领域中(如风机、泵类等负载)。目前，美国、俄罗斯、澳大利亚等国家在创造无刷双馈电机，并能应用于交流调速或其他电力电子与电力传动领域。 双馈电机既可以实现变速恒频恒压发电，又能够实现调节功率因数，因此被广泛地应用于电力工业中。80 年代中期，前苏联开发了一台 50MW 水轮双馈发电机与一台 200MW 的汽轮双馈电机，并分别能够被应用在实际生活中。在 80年代末 90 年代初，日本日立公司与东芝公司开发出不同种类的大功率的双馈发电机，并且已经投入到大型抽水蓄能电站中运用。另外，国外也研究了风能电站、潮汐电站双馈发电机。1.2 双馈电机控制策略双馈电机控制策略是双馈电机调
13、速系统的关键技术之一。双馈电机主要有以下几种控制策略：矢量控制、直接转矩控制、直接功率控制等。 （1）采用矢量控制 双馈电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量复杂系统。如果不对其进行解耦控制，而在三相静止坐标系下直接对交流电流进行闭环控制，效果很不理想。因此，很多学者开始对矢量控制进行研究。在双馈电机调速系统中，矢量控制的基本方法是通过对双馈电机的定子电流进行分解，即分解为励磁电流与转矩电流，同时对这两个量的幅值与相位独立地控制，从而实现定子电流矢量的控制。通俗地说，矢量控制为了达到对双馈电机高性能的调速，因此将磁链与转矩进行解耦控制，这样很容易设计两者的调节器。矢量控制成功地解决了
14、交流电动机定子电流转矩分量和励磁分量的耦合的难题，从而实现了可以实时地控制交流电动机的电磁转矩，急剧地提高了交流电动机变压变频调速系统的动态性能。目前，交流电动机矢量控制系统的性能已经可以与直流调速系统的性能相媲美，甚至超过了直流调速的性能。在双馈电机调速系统中可以作为定向矢量的主要有定子电压矢量、转子电压矢量、定子电流矢量、转子电流矢量、定子磁链矢量、转子磁链矢量，共 6 个基本矢量。其中，定子电压定向和定子磁链定向比较常用。 （2）采用直接转矩控制 毕业设计（论文）专用纸2与矢量控制不一样的在于直接转矩控制不是通过控制磁链、电流等量来间接控制转矩的，它是把转矩直接作为需要控制的量，并结合定
15、子磁链定向控制，实现直接控制定子磁链和电磁转矩的。此策略不需要复杂的坐标变换，而是在定子坐标轴上直接计算磁链的大小和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪来实现 PWM 脉宽调制、提高系统的高动态性能。此方法缺点是低速性能较差，调速范围受到限制。 （3）采用直接功率控制 在直接功率控制中，转子侧的开关动作是依靠检测定子侧的量来控制的，但没有对转子侧电压进行积分，并且该方法不需要使用位置传感器，因此该控制方法可使系统稳定工作，鲁棒性强。直接功率控制可以通过调节有功和无功的 PI 调节器来跟踪参考值，从而控制发电机输出的有功和无功。但也存在着一些不足之处，电网电压的波动会影响其控制的动态性能；在轻
16、载时容易产生振荡，并且扰动观测法，即便在稳态时其功率的平滑度也会受到影响；有功功率判断的准确性会影响到对双馈发电机运行状态的判断。根据以上分析及作者所学知识影响，决定采用矢量控制技术。1.3 本文的主要内容在文中，选用定子磁链定向的矢量控制，采用双馈电动机转速与定子侧无功功率作为外环控制目标、转子电流在 M、T 轴上的分量作为内环控制目标的双闭环控制系统。双馈电机最大的优点在于可以将转差功率馈送至电网中，或者是由电网馈入。第二章首先介绍了双馈电机的工作原理，分析了双馈电机在不同工况下的的功率分布情况。然后在此基础上建立双馈电机的数学模型，利用坐标变换简毕业设计（论文）专用纸3化数学模型，最后推导出在 dq 坐标系下双馈电机的数学模型，为后面研究控制策略奠定了基础。第三章首先通过分析对比采用不同的量作为定向矢量时对双馈电机控制策略的影响，为了选择简单的、最佳的控制策略，于是采用定子磁链定向矢量控制策略对双馈电机进行双闭环控制，然后推导出双馈电机在同步旋转坐标系 MT上的数学模型，并计算出双馈电动机的有功功率、无功功率、转速与定子电流、转子电流的关系，得出双
