Feedback linearizing field-oriented control of induction generator: theory and experiments

Abstract

A novel field-oriented vector control for induction generators is presented. Design procedure is based on indirect field orientation concept and exploits output-feedback linearizing technique for voltage controller design. Proposed solution guarantees asymptotic rotor flux and DC-link voltage regulation together with linear nominal dynamics of the DC link voltage error. Decomposition into voltage and current-flux subsystems, based on the two-time scale separation, allows to use a simple controllers tuning procedure. Results of comparative experimental study with standard indirect field-oriented control, having linear PI voltage controller, are presented. It is shown that designed controller, in contrast to standard solutions, provides system performances stabilization when speed is varying. Proposed control algorithm is suitable for standalone and grid connected (via suitable inverter) energy generation systems with variable speed operation.

Представлено нову систему векторного керування асинхронними генераторами. Процедура проектування базується на концепції непрямої орієнтації за вектором потокозчеплення ротора і використовує метод лінеаризації зворотнім зв’язком для проектування регулятора напруги. Запропоноване рішення гарантує асимптотичне регулювання потокозчеплення ротора і напруги в ланці постійного струму, забезпечуючи лінійну динаміку похибки регулювання напруги. Завдяки розділенню контурів регулювання в часі досягається декомпозиція на підсистему напруги і підсистему струму-потокозчеплення, що дозволяє використовувати просту процедуру налаштування регуляторів. У роботі представлені результати порівняльного експериментального дослідження запропонованого алгоритму і стандартного, який базується на алгоритмі з непрямою орієнтацією за потокозчепленням ротора і використовує лінійний ПІ регулятор напруги. Показано, що розроблений контролер, на відміну від стандартних рішень, забезпечує стабілізацію показників якості системи при зміні кутової швидкості ротора генератора. Запропонований алгоритм керування може застосовуватися в системах генерування зі змінною робочою швидкістю, які працюють в автономному режимі чи підключені до мережі через відповідний інвертор.

Представлена новая система векторного управления асинхронными генераторами. Процедура проектирования базируется на концепции косвенной ориентации по вектору потокосцепления ротора и использует метод линеаризации обратной связью для проектирования регулятора напряжения. Предложенное решение гарантирует асимптотическое регулирование потокосцепления ротора и напряжения в звене постоянного тока, обеспечивая линейную динамику ошибки регулирования напряжения. Благодаря разделению контуров регулирования во времени достигается декомпозиция на подсистему напряжения и подсистему тока-потокосцепления, что позволяет использовать простую процедуру настройки регуляторов. В работе представлены результаты сравнительного экспериментального исследования предложенного алгоритма и стандартного, который основан на алгоритме с косвенной ориентацией по потокосцеплению ротора и использует линейный ПИ регулятор напряжения. Показано, что разработанный контроллер, в отличие от стандартных решений, обеспечивает стабилизацию показателей качества системы при изменении угловой скорости ротора генератора. Предложенный алгоритм управления может применяться в системах генерирования с переменной рабочей скоростью, которые работают в автономном режиме или подключены к сети через соответствующий инвертор.