[發明專利]基于矩陣變換器的無刷雙饋電機調速系統及滑模控制方法

在審

• 申請號: 202111258728.0
• 申請日: 2021-10-27
• 公開（公告）號: CN114584025A
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 狄政璋;朱沛寧;鄒強;劉智磊;胡盛青;熊朝陽
• 申請（專利權）人: 湖南航天磁電有限責任公司
• 主分類號: H02P21/13
• 分類號: H02P21/13;H02P21/14;H02P21/18;H02P21/22;H02P9/00
• 代理公司: 長沙星耀專利事務所(普通合伙) 43205
• 代理人: 楊雄;寧星耀

一種基于矩陣變換器的無刷雙饋電機調速系統，包括矩陣變換器、無刷雙饋感應電機和鼠籠式感應電機，其中無刷雙饋感應電機的功率側定子繞組與電網直接相連，控制側定子繞組與功率變換器的輸出端相連，功率變換器的輸入端經輸入濾波器連接到電網上；鼠籠式感應電機與無刷雙饋感應電機同軸連接，用于提供負載轉矩。本發明還包括一種基于矩陣變換器的無刷雙饋電機調速系統的滑模控制方法。本發明發明不僅可以保證無刷雙饋感應電機調速系統的靜態性能，在負載、速度突變的情況下也能保證良好的動態響應性能，且該技術方案對參數的依賴性小，擴大了無刷雙饋感應電壓的應用范圍，有助于推動無刷雙饋感應電機的工業應用進程。

技術領域

本發明涉及電機控制技術，具體涉及一種基于矩陣變換器的無刷雙饋電機調 速系統及滑模控制方法。

背景技術

目前來說，用于風力發電的發電機主要包括同步發電機、雙饋發電機以及異 步發電機三種類型。其中同步發電機又包括有永磁同步發電機以及繞線式轉子同 步發電機兩種，異步發電機包括有鼠籠式異步發電機以及繞線式轉子異步發電機 兩種。這幾類發電機均有各自的優勢與缺點，鼠籠式異步發電機的結構簡單且易 于維護，但是鼠籠式異步發電機啟動時的浪涌電流很大，因此在使用鼠籠式發電 機時，往往還需要配備一個軟啟動器；永磁同步發電機的功率密度比高，且不需 要額外的勵磁，但是永磁同步電機的轉子是由永磁體組成的，成本高，而且還會 存在著退磁的風險，這無疑又增加了維護成本；雙饋發電機的無功功率是可控的， 且雙饋發電機與永磁同步發電機一樣，都通過轉子來勵磁，與此同時，雙饋發電 機有亞同步、同步、超同步三種工作狀態，因此，雙饋發電機成為了目前在風力 發電領域當中最為廣泛應用的一種發電機，但是，雙饋發電機需要滑環與電刷， 而電刷與滑環的壽命短，這無疑增加了雙饋電機的維護成本。

無刷雙饋電機是由兩臺級聯的異步電機發展而來，其不需要電刷與滑環，因 此降低了系統的后期維護成本，同時系統本身的可靠性也得到了提升。與雙饋電 機相比，無刷雙饋電機在繼承了雙饋電機的優點的同時，還比雙饋電機擁有著更 廣的調速范圍，且無刷雙饋電機的可靠性高，動態性能好，不需要滑環與電刷， 因此，無刷雙饋電機在風力發電的領域內有著廣闊的應用前景。

當下所采用的驅動無刷雙饋電機的變頻器多為傳統的“交-直-交”變頻器， 這種變頻器通常前級是一個不控整流級，經過一個中間直流電容與后級的PWM 逆變級相連接。這種變頻器的中間需要一個大電容來起到一個穩壓的作用，這無 疑是增大了變頻器的體積與成本，但是由于前級為不控整流電路，故這種變頻器 的輸入不可控、能量不能雙向流動。因此，在此基礎上，衍生出來了一種雙PWM 變頻器，與傳統的“交-直-交”變頻器不同，雙PWM變頻器的前級采用了PWM 整流電路，因此改善了傳統“交-直-交”變頻器的輸入不可控以及能量不能雙向 流動的缺點，但是中間直流電容所帶來的變頻器體積及成本增加的問題卻無法解 決。

隨著當下電力電子技術的迅猛發展，產生了一種可以直接進行“交-交”變 換的變換器—矩陣變換器(Matrix Converter，簡稱MC)。矩陣變換器不需要利用 中間的直流環節亦可以實現直接的“AC-AC”變換，因此與雙PWM變頻器相比， 矩陣變換器的功率密度比高，與此同時，矩陣變換器的開關均采用了雙向開關， 故矩陣變換器也具有輸入可控，以及保證電機四象限運行等優勢。因此，將矩陣 變換器用作為驅動無刷雙饋電機的變頻器，且通過合理的控制方式對風力發電系 統進行調速控制，將是對風力發電系統的又一次提升。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，克服現有技術的不足，提供一種能實現電磁 轉矩和無功功率的解耦控制、減小對電機參數依賴性的基于矩陣變換器的無刷雙 饋電機調速系統的滑模控制方法。

本發明解決其技術問題采用的技術方案是，基于矩陣變換器的無刷雙饋電機 調速系統，包括矩陣變換器、無刷雙饋感應電機和鼠籠式感應電機，無刷雙饋 感應電機的功率側定子繞組“PW”與電網直接相連，控制側定子繞組“CW”與 功率變換器的輸出端相連，功率變換器的輸入端經輸入濾波器連接到電網上；鼠 籠式感應電機與無刷雙饋感應電機同軸連接，用于提供負載轉矩。