一种双级式矩阵变换器-同步发电机系统的控制方法

摘要

本发明公开了一种新型的双级式矩阵变换器-同步发电机系统的控制方法，通过对单向开关级电压调制比进行闭环控制，自动调节发电机励磁电流，在负载功率较小时减小发电机反电势幅值，使系统能够正常工作，拓宽负载功率范围，同时使变换器工作在较佳状态，提高系统运行性能。本发明控制思路简单，无需增加硬件电路，具有较高的创新意义与实用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双级式矩阵变换器-同步发电机系统，尤其涉及一种新型的 双级式矩阵变换器-同步发电机系统的控制方法，属于矩阵变换器领域。

背景技术

与工业中广泛应用的交-直-交变换器相比，矩阵变换器具有能量双向流动、 输入输出电流正弦、输入功率因数可控、结构紧凑易于集成等优点，具有“绿色 变换器”的称号。其中，双级式矩阵变换器的换流控制和箝位电路均较简单，易 于实现，是目前极具发展前景的交-交变换器之一。

由双级式矩阵变换器和同步发电机构成的发电系统结构如图1所示，包括负载1、 LC滤波器2、双级式矩阵变换器3、同步发电机4、励磁变换器5、位置传感器 6、电机电枢电流采样和电机励磁电流采样电路7、负载电压采样电路9、系统控 制器8、驱动电路11。其中，LC滤波器由滤波电感L_f21和滤波电容C_f22构成， 双级式矩阵变换器由双向开关级31、箝位电路32和单向开关级33构成，同步 发电机4特指电励磁同步发电机，发电机可用电压源101（电机反电势u_s）和电 感102（电枢电感L_s）串联的等效模型10表示。

这种结构将负载和LC滤波器置于双向开关级31，将电机置于单向开关级33， 利用电机本身具有的电枢电感作为单向开关侧滤波电感，以简化系统的硬件组 成，适合于起动/发电系统的发电状态。

该系统目前常采用的控制方法如图2所示，通过检测三相负载电压，进行abc/αβ 变换并计算出负载电压幅值，与给定的负载电压幅值作差，偏差经过PI调节器 得到q轴电流给定i_q^*。给定d轴电流i_d^*＝0，通过检测电机三相电枢电流并经过 dq变换得到d轴电流i_d和q轴电流i_q，分别与各自的给定值作差，偏差经过PI 调节器得到u_Id和u_Iq，再经过dq/abc变换得到三相相电压u_IA、u_IB、u_IC，进而计 算出三相线电压u_ILA、u_ILB、u_ILC，再经过abc/αβ变换得到u_ILα、u_ILβ，计算出单 向开关级调制比m_v和单向开关级调制信号的相角θ_v，给定双向开关级调制比 m_c=1和双向开关级调制信号相角θ_c，结合m_v和θ_v，经过双空间矢量调制算法产 生变换器所需的PWM信号。电机位置传感器提供电机侧dq变换所需的角度信 息。

双级式矩阵变换器采用双空间矢量调制算法时，具有如下电压约束关系：

其中，U_Im为单向开关级相电压幅值，m_c为双向开关级电流调制比，m_v为单向开 关级电压调制比，U_Rm为双向开关级相电压幅值，为双向开关级功率因数角。 滤波电容22产生容性无功电流，当负载有功功率较小时，功率因数很小， 则U_Im很小，若电机反电势u_s较大，则电枢电感102承受较大压差，使电枢电流 过大，若不减小u_s幅值，将限制负载功率范围。

因此，图2所示的控制方法在负载较轻时，系统容易出现过流故障，无法 正常运行。为保证系统正常运行，需调节电机励磁电流以减小电机反电势u_s。本 发明提出一种新型的控制方法，该控制方法可以自动调节发电机励磁电流，在负 载较小时降低励磁电流以减小电机反电势u_s，拓宽了负载功率范围。同时单向开 关级的电压调制比给定为较佳值，提高系统运行性能。

发明内容

本发明的目的在于基于一种双级式矩阵变换器-同步发电机系统，针对其在 较轻负载时需调节励磁电流的特点，提出一种新型的自动调节励磁电流的控制方 法，以拓宽负载功率范围，同时使变换器工作在较佳状态。

本发明的具体技术方案如下：

一种双级式矩阵变换器-同步发电机系统的控制方法，该方法包括以下步骤：

1）负载电压幅值闭环控制；

2）发电机电枢电流闭环控制；

3）双向开关级和单向开关级调制；

其特征在于还包括：

4）单向开关级调制比m_v闭环控制；

5）发电机励磁电流闭环控制；

其中步骤4）过程为：给定双级式矩阵变换器单向开关级的电压调制比m_v^*，与 原系统闭环控制产生的实际m_v作差产生Δm_v，经PI调节得到励磁电流给定值i_f^*：

$i_f^{*}=(k_{\mathrm{mp}}+\frac{k_{\mathrm{mi}}}{s})\Delta m_v$

其中，k_mp和k_mi为PI调节器的参数，s为复频域算子。

步骤5）过程为：检测发电机励磁电流i_f，与给定值i_f^*作差，经PI调节器得到励 磁电压给定值u_f^*：

$u_f^{*}=(k_{\mathrm{fp}}+\frac{k_{\mathrm{fi}}}{s})\Delta i_f$

其中，k_fp和k_fi为励磁电流PI调节器参数，s为复频域算子。再经过励磁变换器 的PWM调制产生发电机所需的励磁电压u_f。

上述双级式矩阵变换器-同步发电机系统的控制方法，

步骤4）中调制比给定值m_v^*与最小占空比d_min有关，两者的关系如下：

$m_v^{*}=1-k{d}_{\min }$

式中，k取2，d_min为系统受实际条件约束所限制的占空比最小值。

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

（1）本发明通过闭环控制调节电机励磁电流，在较轻负载时自动减小励磁电流， 降低电机反电势u_s幅值，实现系统正常工作，从而拓宽负载功率范围。

（2）本发明通过对单向开关级电压调制比进行闭环控制，使变换器工作在较佳 状态，提高了系统波形质量和发电运行的性能。

附图说明

图1双级式矩阵变换器-电励磁同步电机发电系统结构；

图2发电系统现有的控制框图；

图3本发明提出的系统控制框图；

图4单向开关级调制比给定值m_v^*与d_min的关系图；

图5负载从1kW切换至100W时系统波形：(a)负载三相电压波形；(b)负载电 压幅值波形；(c)发电机电枢电流波形；(d)单向开关级调制比波形；(e)发电机 反电势波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提出的控制方法如图3所示，该方法对图1系统的具体控制过程分为以下 5个部分：

（1）负载电压幅值闭环控制81：检测三相负载电压u_La、u_Lb、u_Lc，对其进行abc/αβ 变换计算出u_Lα和u_Lβ，随后计算电压幅值u_Lm：

$u_{\mathrm{Lm}}=\sqrt{u_{\mathrm{L\alpha }}^2+u_{\mathrm{L\beta }}^2}---\left(1\right)$

将其与给定值u_Lm^*（期望的输出电压幅值）作差，偏差Δu_Lm经负载电压PI调节 器后得到发电机q轴电流给定值i_q^*：

$i_q^{*}=(k_{\mathrm{vp}}+\frac{k_{\mathrm{vi}}}{s})\Delta u_{\mathrm{Lm}}---\left(2\right)$

其中，k_vp和k_vi为电压环PI参数，s为复频域算子。

（2）发电机电枢电流闭环控制82：d轴电流给定值i_d^*为0，检测发电机的三相 电枢电流i_A、i_B、i_C，经过abc/dq变换后得到d轴电流i_d和q轴电流i_q，i_d和i_q分别与给定值i_d^*和i_q^*作差产生Δi_d和Δi_q，经发电机电枢电流PI调节器得到单向 开关级调制信号相电压dq分量u_Id和u_Iq：

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Id}}=(k_{\mathrm{ip}}+\frac{k_{\mathrm{ii}}}{d})\Delta i_d\\ u_{\mathrm{Iq}}=(k_{\mathrm{ip}}+\frac{k_{\mathrm{ii}}}{s})\Delta i_q\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中，k_ip和k_ii为电流环PI参数，s为复频域算子。经过dq/abc变换计算出调制 信号的三相相电压u_IA、u_IB、u_IC，并计算三相线电压u_ILA、u_ILB、u_ILC：

三相线电压再经abc/αβ变换计算出u_ILα和u_ILβ，随后计算出单向开关级电压空间 矢量的电压调制比m_v及相角θ_v：

$m_v=\frac{\sqrt{u_{\mathrm{IL\alpha }}^2+u_{\mathrm{IL\beta }}^2}}{u_{\mathrm{dc}}},{\theta }_v=\arctan \frac{u_{\mathrm{IL\beta }}}{u_{\mathrm{IL\alpha }}}---\left(5\right)$

其中，m_v即为单向开关级目标电压矢量的长度与直流母线电压大小的比值，θ_v为目标电压矢量在αβ坐标系下的相角。u_dc为直流母线电压，可由下式估算：

m_c（一般可取1）为双向开关级电流调制比，为双向开关级功率因数角。

（3）双向开关级和单向开关级调制83：双向开关级采用电流空间矢量调制 算法，变换器的控制自由度多，给定电流调制比m_c=1（一般可取1）可简化调制 算法，给定相角θ_c：

θ_c＝2πf_Lt              (7)

其中，f_L为给定的负载电压频率，t为时间。m_c=1表明目标电流矢量的长度与直 流母线电流大小相等。θ_c即为双向开关级电流矢量在αβ坐标系下的相角。

由θ_c判断出电流矢量所在的扇区，并计算出电流矢量扇区角θ_cm，进而计算 出双向开关级电流矢量所在扇区与之相邻的非零矢量和零矢量作用的占空比：

$\left(\begin{array}{c}{d}_{m1}=m_c\sin (\frac{\pi }{3}-{\theta }_{\mathrm{cm}})\\ d_{n1}=m_c\sin {\theta }_{\mathrm{cm}}\\ d_{01}=1-m_c\sin (\frac{\pi }{3}+{\theta }_{\mathrm{cm}})\end{array}\right)---\left(8\right)$

d_m1、d_n1、d₀₁分别为电流矢量所在扇区与之相邻的非零矢量和零矢量作用的占空 比。

单向开关级采用电压空间矢量调制算法，单向开关级的调制过程与双向开关 级的类似，由（2）中得到的θ_v判断出电压矢量所在的扇区，并计算出电压矢量 扇区角θ_vm，进而计算出单向开关级电压矢量所在扇区与之相邻的非零矢量和零 矢量作用的占空比：

$\left(\begin{array}{c}{d}_{m2}=m_v\sin (\frac{\pi }{3}-{\theta }_{\mathrm{vm}})\\ d_{n2}=m_v\sin {\theta }_{\mathrm{vm}}\\ d_{02}=1-m_v\sin (\frac{\pi }{3}+{\theta }_{\mathrm{vm}})\end{array}\right)---\left(9\right)$

d_m2、d_n2、d₀₂分别为电压矢量所在扇区与之相邻的非零矢量和零矢量作用的占空 比。

经过双空间矢量调制后，双向开关级和单向开关级的PWM信号经过驱动电 路提供给IGBT。

（4）单向开关级调制比m_v闭环控制84：

给定一个m_v^*将发电机电流闭环控制产生的m_v与m_v^*作差产生Δm_v，经单向开 关级调制比PI调节器得到励磁电流给定

$i_f^{*}=(k_{\mathrm{mp}}+\frac{k_{\mathrm{mi}}}{s})\Delta m_v---\left(10\right)$

其中，k_mp和k_mi为单向开关级调制比PI调节器的参数，s为复频域算子。

由于系统受IGBT非理想特性的影响，IGBT驱动信号的占空比不能低于某个值， 否则系统的稳定性会受到影响，输出波形质量也会变差。当调制比m_v接近于0 时，非零矢量作用的时间很短，系统稳定性和输出波形质量会变差；当m_v接近 于1时，零矢量作用的时间很短，系统稳定性和输出波形质量同样也会变差。所 以，单向开关级调制比给定值m_v^*应该取一个较为合适的值，既不能过大，也不 能过小。单向开关级电压调制比给定值m_v^*与系统受实际条件约束所限制的占空 比最小值有关。设d_min为系统受实际条件约束所限制的占空比最小值，d_min值可 以如何确定。不同的d_min对应不同的m_v^*借助Matlab软件可作出两者的关系图， 如图4所示。由图4可知，m_v^*与d_min近似成一次函数关系：

$m_v^{*}=1-k{d}_{\min }---\left(11\right)$

其中系数k约为2，m_v^*的值可由式(11)确定。

（5）发电机励磁电流闭环控制85：检测发电机励磁电流i_f，与（4）获得的给定 值i_f^*作差产生Δi_f，经励磁电流PI调节器得到励磁电压给定值u_f^*：

$u_f^{*}=(k_{\mathrm{fp}}+\frac{k_{\mathrm{fi}}}{s})\Delta i_f---\left(12\right)$

其中，k_fp和k_fi为励磁电流PI调节器参数，s为复频域算子。再经过励磁变换器 的PWM调制产生发电机所需的励磁电压u_f。

经过这样的系统闭环控制，无论负载如何变化，单向开关级的实际电压调制比 m_v均能达到给定值m_v^*当负载较轻时系统能够自动减小励磁电流进而减小发电 机反电势电压u_s幅值，使系统能够正常工作。若m_v^*的值由式(11)所得，此时变 换器工作在较佳状态，从而提高了系统波形质量和系统发电运行的性能。

下面介绍本发明的一个仿真实例。

在Matlab/Simulink中搭建如图1所示的仿真模型，并对本发明方法进行仿真验 证。

m_v^*取0.8，负载相电压幅值给定值u_Lm^*为162.6V。在0.7s时负载从1kW切换为 100W。仿真结果如图5所示，其中图5(a)为三相负载电压波形，图5(b)为负载 电压幅值，图5(c)为发电机电枢电流波形，图5(d)为单向开关级电压调制比，图 5(e)为发电机反电势波形。

由仿真结果可知，负载从1kW切换为100W时，负载电压幅值u_Lm依然能够达 到给定的162.6V，发电机反电势幅值自动减小，单向开关级的调制比m_v在负载 切换前后均能达到给定的0.8。

仿真结果表明：本发明提出的控制方法，能够使得系统在负载较轻时正常工作， 拓宽了负载功率范围，同时使变换器工作在较佳状态，提高了系统运行性能。