1.3 無刷雙饋電機控制方法研究概述

BDFM既可以作為電動機應用于變頻調速系統，也可以作為發電機應用于變速恒頻發電系統。在BDFM的變頻調速控制方法方面，國內外已經有許多學者進行了研究。相繼有學者提出了開環標量電壓控制^[79]、閉環標量電流控制^[80]、相角控制^[81]、閉環頻率控制^[71]等，這些都屬于標量控制方法。另外，Poza等人在單同步旋轉坐標系動態模型^[70]的基礎上提出了一種根據PW磁鏈定向的矢量控制方法，并進行了實驗驗證^[82]。Barati等人提出了一種不需要進行PW磁鏈定向的通用矢量控制方法^[83，84]，參考文獻[85，86]分別提出了BDFM的直接轉矩控制方法和間接轉矩控制方法，參考文獻[87]提出了BDFM的轉子磁鏈定向控制方法，參考文獻[75]建立了基于轉差頻率旋轉坐標系的矢量控制方法。

在BDFM變速恒頻發電控制方法方面，美國俄勒岡州立大學的C. S. Brune和R. Spee等人較早地提出了一種無刷雙饋并網風力發電系統的標量控制方法^[88，89]，該方法通過調節PW電流的幅值和頻率實現對發電系統的有功功率和無功功率的控制。隨后，又有若干學者提出了BDFM變速恒頻發電的矢量控制方法。參考文獻[90]提出了磁阻轉子BDFM并網風力發電的一種磁場定向控制方法，為了實現最大風能追蹤，該控制方法對發電機的轉矩和無功功率進行解耦控制，控制過程中采用了單同步旋轉dq坐標系，并將其按照PW磁鏈進行定向。由于PW直接與電網相連，于是可以近似認為PW磁鏈恒定，在此條件下可以通過調節CWq軸電流控制轉矩，調節CWd軸電流控制無功功率，進而實現對發電系統有功功率的控制^[91]。參考文獻[92]建立了磁阻轉子無刷雙饋并網風力發電機的一種變結構控制方法，其中對BDFM的建模采用了雙同步旋轉dq坐標系（即PW同步旋轉dq坐標系和CW同步旋轉dq坐標系）。這兩個坐標系的旋轉速度分別為PW和CW的電角速度，并將PW同步旋轉dq坐標系按照PW磁鏈進行定向，再考慮到PW直接與電網相連，于是可以認為PW磁鏈近似恒定。在忽略PW電阻的情況下進而對BDFM的模型進行降階處理，然后再結合滑膜控制方法對電機的轉矩和無功功率進行控制。然而，參考文獻[90，92]中都只有仿真結果，作者并未進行相應的實驗驗證。劍橋大學的S. Shao等人針對同心環式籠型BDFM提出了一種定子磁場定向矢量控制方法^[93-95]，他們根據參考文獻[70]中所提出的BDFM矢量模型，將單同步旋轉dq坐標系的d軸與PW定子磁鏈對齊，進一步通過數學推導得出調節CW的d軸電壓即可控制電機的無功功率，調節CW的q軸電壓即可控制電機轉速，最終達到了最大風能追蹤并網發電的控制目標。從參考文獻[94]中的仿真和實驗結果來看，S. Shao等人所提出的方法并未達到很快的響應速度，其原因是該方法中省去了CW電流環，這雖然簡化了控制方法，但無法精確和快速地調節CW電流。

國內也有許多學者對BDFM變速恒頻發電控制方法進行了深入研究。參考文獻[96]提出了無刷雙饋風力發電機的一種變結構功率解耦控制方法，也采取了PW磁鏈定向的方法，但具體的控制方法中涉及PW同步旋轉dq坐標系、CW旋轉dq坐標系和轉子速旋轉dq坐標系之間的相互轉換，控制方法較復雜。參考文獻[97]針對無刷雙饋風力發電機提出了一種模糊自適應控制方法，通過模糊控制器調節BDFMCW電流的頻率、幅值和相位進而對電機的轉速和功率進行控制以實現最大風能追蹤功能，其本質是一種標量控制，雖然使用模糊控制器改善了系統的魯棒性，但是標量控制的本質使得控制系統不可能具有很快的響應速度。參考文獻[98]提出的控制方法與參考文獻[94]的方法類似，不同之處在于其比參考文獻[94]的方法多了一個CW電流環。參考文獻[99，100]針對BDFM在并網風力發電中的應用，提出了靜止ABC坐標系下和雙同步旋轉dq坐標系下的無速度傳感器矢量控制方法。參考文獻[101]采用了直接轉矩控制方法，通過控制無刷雙饋發電機的轉速和電磁轉矩來實現并網風力發電中的最大功率跟蹤控制，并根據PW端最大功率因數原則計算CW磁鏈給定值。

參考文獻[88-101]都是針對并網發電所提出的BDFM控制方法，其中既有標量控制方法也有矢量控制和直接轉矩控制方法，其最根本的控制目標都是PW的有功功率和無功功率。在并網發電系統中PW直接與電網相連，其電壓幅值與頻率都強制為與電網一致，因此在忽略PW電阻的前提下，前述矢量控制方法中認為PW磁鏈恒定是合理的。對于BDFM獨立發電系統來說，BDFM不與電網相連，其控制目標是當電機轉速或用電負載變化時必須維持PW電壓的幅值和頻率恒定，這與BDFM并網發電的控制目標完全不同。在獨立發電系統中，電機轉速或負載的突變會使得PW電壓的幅值和頻率產生瞬態波動；并且，當三相負載不對稱時PW電壓也會變得不對稱，因此BDFM獨立發電系統中PW的磁鏈不能看作是恒定的，這一點也與并網發電系統完全不同。總之，BDFM并網發電控制方法不能適用于獨立發電控制。

目前對BDFM獨立發電控制方法進行研究的文獻較少，參考文獻[102]針對BDFM獨立發電系統提出了一種標量控制方法和一種矢量解耦控制方法。其中所提出的標量控制方法是基于BDFM的穩態模型，因此不可能具有很好的動態響應性能。所提出的矢量解耦控制方法是基于BDFM的雙同步旋轉dq坐標系模型，使PW子系統同步坐標系的d軸與PW磁鏈重合，并忽略了PW的電阻；控制過程中還需要估算轉子電流以及多次的坐標變換，計算復雜度高；而且轉子電流估算的準確性高度依賴于電機的電感參數，降低了系統的魯棒性，這些都使得該方法難以在實際應用中實現。在參考文獻[102]中，僅對所提出的矢量解耦控制方法進行了仿真，而未進行實驗驗證。參考文獻[103]提出了一種基于模糊PID的BDFM獨立發電系統標量控制方法，雖然模糊PID在一定程度上改善了系統性能，但該方法的核心仍然是與參考文獻[102]中相同的標量控制方法。