1.3 无刷双馈电机控制方法研究概述

BDFM既可以作为电动机应用于变频调速系统，也可以作为发电机应用于变速恒频发电系统。在BDFM的变频调速控制方法方面，国内外已经有许多学者进行了研究。相继有学者提出了开环标量电压控制^[79]、闭环标量电流控制^[80]、相角控制^[81]、闭环频率控制^[71]等，这些都属于标量控制方法。另外，Poza等人在单同步旋转坐标系动态模型^[70]的基础上提出了一种根据PW磁链定向的矢量控制方法，并进行了实验验证^[82]。Barati等人提出了一种不需要进行PW磁链定向的通用矢量控制方法^[83，84]，参考文献[85，86]分别提出了BDFM的直接转矩控制方法和间接转矩控制方法，参考文献[87]提出了BDFM的转子磁链定向控制方法，参考文献[75]建立了基于转差频率旋转坐标系的矢量控制方法。

在BDFM变速恒频发电控制方法方面，美国俄勒冈州立大学的C. S. Brune和R. Spee等人较早地提出了一种无刷双馈并网风力发电系统的标量控制方法^[88，89]，该方法通过调节PW电流的幅值和频率实现对发电系统的有功功率和无功功率的控制。随后，又有若干学者提出了BDFM变速恒频发电的矢量控制方法。参考文献[90]提出了磁阻转子BDFM并网风力发电的一种磁场定向控制方法，为了实现最大风能追踪，该控制方法对发电机的转矩和无功功率进行解耦控制，控制过程中采用了单同步旋转dq坐标系，并将其按照PW磁链进行定向。由于PW直接与电网相连，于是可以近似认为PW磁链恒定，在此条件下可以通过调节CWq轴电流控制转矩，调节CWd轴电流控制无功功率，进而实现对发电系统有功功率的控制^[91]。参考文献[92]建立了磁阻转子无刷双馈并网风力发电机的一种变结构控制方法，其中对BDFM的建模采用了双同步旋转dq坐标系（即PW同步旋转dq坐标系和CW同步旋转dq坐标系）。这两个坐标系的旋转速度分别为PW和CW的电角速度，并将PW同步旋转dq坐标系按照PW磁链进行定向，再考虑到PW直接与电网相连，于是可以认为PW磁链近似恒定。在忽略PW电阻的情况下进而对BDFM的模型进行降阶处理，然后再结合滑膜控制方法对电机的转矩和无功功率进行控制。然而，参考文献[90，92]中都只有仿真结果，作者并未进行相应的实验验证。剑桥大学的S. Shao等人针对同心环式笼型BDFM提出了一种定子磁场定向矢量控制方法^[93-95]，他们根据参考文献[70]中所提出的BDFM矢量模型，将单同步旋转dq坐标系的d轴与PW定子磁链对齐，进一步通过数学推导得出调节CW的d轴电压即可控制电机的无功功率，调节CW的q轴电压即可控制电机转速，最终达到了最大风能追踪并网发电的控制目标。从参考文献[94]中的仿真和实验结果来看，S. Shao等人所提出的方法并未达到很快的响应速度，其原因是该方法中省去了CW电流环，这虽然简化了控制方法，但无法精确和快速地调节CW电流。

国内也有许多学者对BDFM变速恒频发电控制方法进行了深入研究。参考文献[96]提出了无刷双馈风力发电机的一种变结构功率解耦控制方法，也采取了PW磁链定向的方法，但具体的控制方法中涉及PW同步旋转dq坐标系、CW旋转dq坐标系和转子速旋转dq坐标系之间的相互转换，控制方法较复杂。参考文献[97]针对无刷双馈风力发电机提出了一种模糊自适应控制方法，通过模糊控制器调节BDFMCW电流的频率、幅值和相位进而对电机的转速和功率进行控制以实现最大风能追踪功能，其本质是一种标量控制，虽然使用模糊控制器改善了系统的鲁棒性，但是标量控制的本质使得控制系统不可能具有很快的响应速度。参考文献[98]提出的控制方法与参考文献[94]的方法类似，不同之处在于其比参考文献[94]的方法多了一个CW电流环。参考文献[99，100]针对BDFM在并网风力发电中的应用，提出了静止ABC坐标系下和双同步旋转dq坐标系下的无速度传感器矢量控制方法。参考文献[101]采用了直接转矩控制方法，通过控制无刷双馈发电机的转速和电磁转矩来实现并网风力发电中的最大功率跟踪控制，并根据PW端最大功率因数原则计算CW磁链给定值。

参考文献[88-101]都是针对并网发电所提出的BDFM控制方法，其中既有标量控制方法也有矢量控制和直接转矩控制方法，其最根本的控制目标都是PW的有功功率和无功功率。在并网发电系统中PW直接与电网相连，其电压幅值与频率都强制为与电网一致，因此在忽略PW电阻的前提下，前述矢量控制方法中认为PW磁链恒定是合理的。对于BDFM独立发电系统来说，BDFM不与电网相连，其控制目标是当电机转速或用电负载变化时必须维持PW电压的幅值和频率恒定，这与BDFM并网发电的控制目标完全不同。在独立发电系统中，电机转速或负载的突变会使得PW电压的幅值和频率产生瞬态波动；并且，当三相负载不对称时PW电压也会变得不对称，因此BDFM独立发电系统中PW的磁链不能看作是恒定的，这一点也与并网发电系统完全不同。总之，BDFM并网发电控制方法不能适用于独立发电控制。

目前对BDFM独立发电控制方法进行研究的文献较少，参考文献[102]针对BDFM独立发电系统提出了一种标量控制方法和一种矢量解耦控制方法。其中所提出的标量控制方法是基于BDFM的稳态模型，因此不可能具有很好的动态响应性能。所提出的矢量解耦控制方法是基于BDFM的双同步旋转dq坐标系模型，使PW子系统同步坐标系的d轴与PW磁链重合，并忽略了PW的电阻；控制过程中还需要估算转子电流以及多次的坐标变换，计算复杂度高；而且转子电流估算的准确性高度依赖于电机的电感参数，降低了系统的鲁棒性，这些都使得该方法难以在实际应用中实现。在参考文献[102]中，仅对所提出的矢量解耦控制方法进行了仿真，而未进行实验验证。参考文献[103]提出了一种基于模糊PID的BDFM独立发电系统标量控制方法，虽然模糊PID在一定程度上改善了系统性能，但该方法的核心仍然是与参考文献[102]中相同的标量控制方法。