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基于虚拟磁链与固定开关频率的双馈异步电机直接功率控制技术探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球能源需求持续增长以及对可持续能源追求的大背景下，高效的发电与电机控制技术成为了能源领域的关键研究方向。双馈异步电机（DoublyFedInductionGenerator,DFIG）凭借其独特优势，在风力发电、水力发电等可再生能源发电系统以及工业驱动等领域中占据着重要地位。

在风力发电场景中，风速时刻处于动态变化之中。双馈异步电机能够依据风速的波动灵活调整自身转速，通过改变励磁电流的幅值与相位，实现对输出有功功率和无功功率的精准调节，从而确保风力发电机在不同风速条件下都能保持高效运转，发出恒定频率的电力。举例来说，当风速较低时，电机可以通过调节励磁电流，提高自身的发电效率，捕获更多的风能；而在风速过高时，又能及时调整功率输出，保护电机和发电系统的安全稳定运行。在水力发电领域，水流的不稳定同样需要电机具备良好的适应性，双馈异步电机也能够通过类似的控制方式，有效应对水流变化，保障发电的稳定性和高效性。

传统的双馈异步电机控制方法，如基于坐标变换的电流矢量控制，虽然在一定程度上实现了对交流电机转速与磁链控制的解耦，但其存在着诸多难以忽视的弊端。在实际运行中，转子磁链的准确测量面临着极大的困难，微小的测量误差都可能导致控制精度的下降。电机参数会随着运行时间、温度、负载等因素的变化而发生改变，这使得依赖电机参数的传统控制方法的系统特性变得不稳定，难以满足日益增长的高精度控制需求。而且，基于矢量旋转变换的技术涉及到复杂的数学计算，对控制器的运算能力提出了很高的要求，增加了硬件成本；同时，复杂的结构设计也使得系统的调试和维护难度大幅提升。

为了克服传统控制方法的局限性，直接功率控制技术应运而生。这种控制方法摒弃了传统控制方法中复杂的电流控制回路，直接以有功功率和无功功率变量作为控制对象，能够更加直接、快速地对电机的功率输出进行控制，有效提升了系统的动态响应性能。然而，在实际的电网环境中，电压波动是不可避免的常见问题，这会对直接功率控制的效果产生显著影响。为了解决这一问题，引入虚拟磁链技术成为了一种有效的途径。虚拟磁链技术通过对电机内部电磁关系的巧妙处理，能够有效减少电网电压波动对系统的干扰，提高系统的抗干扰能力和稳定性。并且，借助虚拟磁链的特性，在测量有功功率和无功功率的过程中可以省去电压传感器，不仅降低了系统成本，还减少了因传感器故障带来的潜在风险。

在实际应用中，开关频率的变化会对电机的运行性能产生多方面的影响。过高或过低的开关频率都可能导致电机输出功率的波动、效率下降以及产生额外的电磁干扰和噪音。固定开关频率的控制策略能够使电机在稳定的开关频率下运行，有效减少上述问题的出现。通过精确控制开关频率，可以降低功率器件的开关损耗，提高电机的效率和可靠性；同时，稳定的开关频率有助于减少电机运行过程中的电磁噪音，为电机的稳定运行创造良好的条件。

综上所述，基于虚拟磁链且开关频率固定的双馈异步电机直接功率控制研究，对于提升双馈异步电机的性能、增强其在复杂工况下的适应性、提高能源利用效率以及降低系统成本等方面都具有重要的现实意义，有望为可再生能源发电和工业驱动等领域带来新的技术突破和发展机遇。

1.2国内外研究现状

双馈异步电机直接功率控制技术的研究在国内外均受到了广泛关注，取得了一系列具有重要价值的成果，且研究仍在不断深入拓展。

在国外，早在20世纪90年代，直接功率控制技术就被提出并应用于双馈异步电机的控制领域。一些学者通过对电机数学模型的深入研究，揭示了直接功率控制的基本原理，为后续的研究奠定了坚实的理论基础。随着电力电子技术和控制理论的快速发展，研究重点逐渐转向如何提升直接功率控制的性能和稳定性。例如，部分研究致力于减小传统直接功率控制中开关频率不固定所导致的电流和功率波动问题，通过改进控制策略，实现了对开关频率的有效控制，显著提高了电机的运行性能。在虚拟磁链技术方面，国外学者通过大量的实验和仿真分析，深入探究了虚拟磁链的特性及其在减少电网电压波动影响方面的作用机制。他们提出了多种基于虚拟磁链的直接功率控制方法，如基于空间矢量调制的虚拟磁链直接功率控制，该方法通过优化调制策略，进一步提升了系统的动态响应性能和稳态精度。

在国内，对双馈异步电机直接功率控制技术的研究也在积极开展。众多高校和科研机构投入了大量的人力和物力，在理论研究和工程应用方面都取得了丰硕的成果。在理论研究层面，国内学者对直接功率控制的算法进行了深入研究和改进。例如，有的学者针对传统直接功率控制中功率计算精度不高的问题，提出了一种基于改进算法的直接功率控制方法，该方法通过引入新的功率计算模型，有效提高了功率计算的准确性，进而提升了系统的控制性能。在虚拟磁