基于模糊PI调节的BDFG独立电源系统矢量控制的研究

姜忠山，王赛，史晓阳

（1. 海军航空工程学院控制工程系，山东烟台264001；2. 海军西安局驻兴平地区代表室，陕西兴平713106）

基于模糊PI调节的BDFG独立电源系统矢量控制的研究

姜忠山1，王赛1，史晓阳2

（1. 海军航空工程学院控制工程系，山东烟台264001；2. 海军西安局驻兴平地区代表室，陕西兴平713106）

在双同步速MT坐标系模型[1]的基础上，通过引入功率绕组定子磁场定向控制的思想，给出了一种适合独立电源系统的矢量控制策略，系统可以根据独立运行所带负载特性的变化调整励磁电流，实现独立电源系统的变速恒频恒压发电，并间接地实现对功率因数的调节；鉴于BDFG模型复杂，动态响应特性和鲁棒性差的特点，通过引入模糊PI调节器，改善了系统的特性；最后通过仿真验证了该控制策略的正确性和有效性。

无刷双馈电机 独立电源系统 矢量控制 模糊PI

0 引言

先进设备不断发展对类似航空、船舶等独立电源系统的供电性能提出了更高的要求。无刷双馈电机（Brushless Double-Fed Generator, BDFG）具有降低变频器容量，无电刷和滑环，能够运行于亚同步速、同步速、超同步速上实现变速恒频发电等诸多优势[2]。而目前针对BDFG控制策略的研究现多集中在风力、水力发电等领域[3-4]，并网型BDFG电源系统的矢量控制多采用了通过功率解耦的最大功率跟踪控制[5]或者直接转矩控制[6-7]；而独立电源系统与前者相比不同的是，其输出无须与电网同步，只须保证其幅值和频率的恒定，其有功无功的输出由所带负载决定。

本文提出了一种基于模糊PI控制的BDFG独立电源系统矢量控制策略。矢量控制采用定子磁链定向的矢量控制，能够根据负载特性的变化，对控制绕组定子侧电压进行解耦，并且可以间接实现对电源系统的功率因数进行调节；BDFG由于结构复杂性和强耦合性，独立运行时转速与负载突变时对系统冲击较大，采用模糊PI控制提高

了系统的动态响应和鲁棒性[8]。

1 基于定子磁链定向的矢量控制策略

采用发电机惯例，控制绕组侧采用电动机惯例，则BDFG在双同步速MT坐标系中数学模型为：

在式中，下标p、c、r分别表示功率绕组、控制绕组、转子参数；下标m、t分别表示m轴分量和t轴分量；ωp-ppωr=ωc+pcωr=ωs，ωp、ωc分别为功率绕组和控制绕组的磁场转速，ωr为转子机械转速，pp、pc为功率绕组端和控制绕组端的极对数；p表示微分算子。

其电磁转矩的表达式：

矢量控制是一种现代电机控制技术，它将对称三相交流矢量变换成独立的直流标量进行解耦控制，可以获得与直流电机相近的控制效果，这使其成为BDFG这种高阶和强耦合系统较为理想的控制方法。

独立电源系统定子端无须与电网同步，输出电压只有频率、幅值的要求，因此采取定子磁链定向的矢量控制策略。即

对于并网型BDFG来说，其功率绕组定子侧电压不可控且所带负载无法分析；而当BDFG独立运行时，在功率绕组端，要保持其电压恒定，且由于独定子侧所带负载特性易于分析，可以计算得到定子侧电流ipms*、ipts*。

从式(8)中我们可以看出，经过上述的解耦计算，得到了控制绕组输入电压的给定值，从而实现了控制绕组侧输入电流的解耦控制并且可以根据系统所带负载的情况间接地调节系统的功率因数。前半部分作为解耦的控制端定子电压的解耦控制部分，后半部分是控制端定子电压的前馈补偿项。其控制框图如下（见图1）。

2 模糊PI控制器的设计

BDFG由于其模型的复杂性和强耦合性等特点，其PI电流调节器中参数对整个电机的参数依赖性强。模糊PI控制器有参数自整定功能，能够智能调节PI的参数，减小对电机参数的依赖，既有模糊控制器的鲁棒性强、动态响应好、上升时间快、超调量小的特点，又具有PI控制器的良好的动态跟踪品质和稳态精度。

以电流误差e和误差变化ec为输入，PI参数的调整值△kp、△ki为输出。经过多次仿真分析，定义{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}7个模糊子集，隶属函数的选择如图2。

3 系统仿真及结果分析

在Matlab/Simulink环境下进行BDFG独立电源系统矢量控制的动态仿真。给出BDFG参数如下：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。

给定输出为220 V，50 Hz三相交流电，过程中的仿真参数如下：在0～1 s时刻，发动机转速在亚同步速600 r/min，接入负载阻抗为Zl=500Ω纯阻性负载；在1 s时转速增加至同步速750r/min；2 s时再次增加转速至超同步速800 r/min；3 s时突加感性负载，负载阻抗为ZL=600∠33.75°Ω，转速保持不变。

仿真结果如图所示。

图3分别为功率绕组与控制绕组双同步速MT轴电流的PI调节情况，可以看出模糊PI调节可以加快系统动态响应并且可以提高系统的鲁棒性，另外可以看出通过对功率绕组电流的控制，可以据负载的变化间接调整系统输出电能的功率因数。

图4-6为用模糊PI调节器后输出相电压和电流波形以及输入相电流波形。从图4-5中可以看出，通过矢量控制策略，可以实现BDFG独立运行的变速恒压恒频发电；从图6中可以看出通过调节控制绕组输入电流的大小可以控制功率绕组输出电压的大小，验证了变速恒频是通过调节控制绕组输入电流的频率来实现的，期间当运行于同步速时，控制绕组输入电流的频率为0。

4 结论

本文研究了基于模糊PI调节的BDFG独立电源系统的矢量控制策略。在BDFG双同步速MT坐标系数学模型的基础上，提出了BDFG独立电源系统的矢量解耦控制策略，通过对控制绕组输入电压的解耦，可以实现系统的变速恒压恒频发电，并且可以根据系统所带负载间接调节功率因数；在BDFG独立电源系统动态响应特性和鲁棒性差的情况下，采用模糊PI调节对系统控制加以改进；最后通过仿真研究，验证了该控制策略的准确性和有效性。

[1] 卞松江，贺益康，潘再平.级联式无刷双馈电机的建模与仿真[J]. 中国电机工程学报，2001，21(12)：34-37.

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[5] 黄守道. 无刷双馈电机的控制方法研究[D].长沙：湖南大学博士论文，2005，(2)17-35.

[6] 金石. 变速恒频无刷双馈风力发电机的直接转矩控制技术研究[D]. 沈阳工业大学博士论文，2011：75-88.

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[8] 石辛民，郝整清. 模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京：清华大学出版社，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：现代电力传动技术。