（内蒙古电力（集团）有限责任公司阿拉善电业局 内蒙古阿拉善盟 750300）
摘要：在传统直接转矩（DTC）基础上，采用SVPWM控制技术，并将其应用于风电模拟系统电机控制中，试验结果表明，和传统DTC相比，DTC-SVPWM更能减小低速运行时极易出现的转矩和磁链脉动，在稳定性、动态响应、鲁棒性和实时性方面都有了较为明显的改善。
关键词：风力机模拟；异步电动机；直接转矩控制（DTC）；电压空间矢量（SVPWM）
1引言
地球资源枯竭，风能是地球上储存较丰富的新能源，如何高效利用风能，人们一直在研究。由于风电现场地处偏远、条件恶劣等一系列的问题，实际研究中需依靠风电试验平台。这样不仅克服了现实中的困难，同时也加快了风电的研究[1-2]。
风电模拟平台中，目前较多采用异步电动机作为原动机，依靠异步电动机自身特性的变化进行模拟。本文采用变频调速的异步电动机作原动机，与永磁同步发电机相连，构成一套小型风电模拟系统[2]。从现有成熟的风电模拟平台运行概况可以看出，直接转矩控制（DTC）以其优异的表现而得到广泛的应用。
直接转矩控制的实质是将磁链数据与转矩模型所确定观测值和参考值之间的差值，经过滞环调节单元，对参考值进行跟踪，对跟踪差值进行矢量分析、计算，并根据结果提供电子开关器件的触发脉冲，最终实现对电机控制。直接转矩控制无需在不同坐标系下的复杂运算以及电流调节单元，因此其结构简单，此外，由于具有良好的动态性能优良，在电机变频调速领域具有很好的应用。
为了克服风电模拟平台中异步电动机转速不均匀特性，本文基于传统直流转矩控制理论，加入电压空间矢量（SVPWM）控制环节，因此大幅提升了风力电机的转速稳定性和匀速特性。并对所采用的方案进行仿真与试验，结果显示基于传统DTC的电压空间矢量控制具有较好的静态稳定和动态性能。
2传统直接转矩控制
DTC理论对定子的磁场进行定向分析，量化空间矢量，运用bang-bang原理对电流及电压的滞环跟踪控制，将磁链及转速调节参考与测量值进行实时比对生成目标控制脉冲，对逆变器进行最优控制，从而具有较高的动态特性。已知定子电阻，测量定子电流以及定子电压，通过公式（1）计算，即可算出定子磁链矢量。
如图1为传统直接转矩控制图，其控制基本过程为：首先对定子电压和电流经过派克变换，作为转矩观测器的输入值，再对磁链与转矩进行估算运算，根据定子磁链做扇区判断，结合比较器输出，从而输出理想的PWM信号，最终实现对定子电流、电压以及电机转速变化的控制。但在每个开关状态下，都会产生瞬时磁链误差和转矩误差[3]。此外由于DTC对转矩进行控制时，并非对电子电流进行直接控制，所以无法保证定子电流中的励磁分量与转矩分量的夹角为90°，因此导致过流情况增加。
由于DTC控制中电压矢量过程不是停止于磁链（转矩值）的给定值，而是会一直持续至磁链值（转矩）和磁链（转矩）额定值的误差磁链（转矩）容差值，因此产生了较大的磁链和转矩脉动。当模拟风速突变即发电出力骤升或骤降时，会降低风电模拟平台系统中永磁同步发电机运行参数的精确度和灵敏度，降低试验数据的说服力。
3改进型直接转矩控制
空间矢量脉宽调制SVPMW（Space Vector Pulse Width Modulation）实际上是对于三相电压源逆变功率器件的一种特殊开关出发顺序和脉宽大小的组合，典型的三相功率转换器（逆变器）桥臂的上下开关在任意时刻不能同时导通，每一路逆变桥的上桥臂开通而下桥臂关断的状态为1，反之上桥臂关断而下桥臂开通的状态为0，在不考虑死区的情况下，上下桥臂的各个开关呈导通-关断互补状态，这使得逆变器具备8种相互区别的开关模式。
比较图6和图7，可知在负载转矩恒定以及线性变化时引入SVPWM –DTC的转矩脉动得到了较为明显抑制。
如图8所示，当转矩负载初始值为零，0.3s之后，当电机转速达到300r/min时，此变化过程中异步电机的磁链轨迹。
由图8可知，采用DTC-SVPWM，电机启动达到给定转速时，定子磁链轨迹接近于圆形，减小了磁链幅值脉动。
5结论
综上所述，将DTC-SVPWM的思想运用到风电试验平台当中，估算参考定子电压矢量，驱动变频器开关电源，对异步电机进行调速，产生更加逼近圆形的旋转磁场，能有效抑制转矩和磁链脉动，从而提高机电转换效率。因此采用DTC-SVPWM控制的异步电机在小型风力发电模拟试验平台中具有卓越的表现。
参考文献：
[1]刘钰山，葛宝明，毕大强，王文亮.基于改进的直接转矩控制的风力机模拟系统[J].电力系统保护与控制，2010，38（18）：140.
[2]王新新，惠晶.基于模糊神经网络DTC的风力机特性模拟.[J].电力电子技术.2011，45（9）
[3]Z.Koutsogiannis，G.Adamidis，and A.Fyntanakis.Direct Torque Control using Space Vector Modulation and dynamic performance of the drive，via a Fuzzy Logic controller for speed regulation.[J].Power Electronics and Applications，2007 European Conference on.Publication Year：2007，Page（s）：1 – 10.
[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统.[M].北京.机械工业出版社，2008
[5]李实求，郝帅，马旭，程咏梅.异步电动机三闭环模糊PI矢量控制方法研究.[J].电力电子技术.2011，45（5）
[6]张令霞.异步电动机的无差拍直接转矩控制研究.[D].南京工业大学，2011.
论文作者:吴文博,张玉平,王飞,马立春
论文发表刊物:《电力设备》2015年第10期供稿
论文发表时间:2016/4/20
标签：转矩论文; 定子论文; 矢量论文; 电压论文; 风电论文; 电流论文; 转速论文; 《电力设备》2015年第10期供稿论文;