定子双绕组异步电机发电系统的瞬时功率直接控制方法

摘要

一种涉及定子双绕组异步电机发电系统的瞬时功率直接控制方法。该系统包括定子双绕组异步发电机(1)、滤波电感(2)、功率变换器(3)、整流桥(4)和励磁电容(5)、蓄电池(6)、二极管(7)、电流传感器(8)、电压传感器(9)(10)(11)、数字信号处理器(12)、驱动电路(13)；去掉了转速传感器和电流闭环线路；其功率直接控制方法是，以控制绕组的瞬时功率作为直接控制对象，通过优化电压矢量的选取，将控制绕组的瞬时功率限定在给定的误差范围内，达到输出电压恒定的目的。该控制方法结构简单、计算量小，能够适应原动机转速和发电机输出负载大范围的变化，可广泛应用于风力发电和诸如飞机、坦克车辆等独立电源系统中。

说明书

技术领域

本发明所涉及的是一种基于控制绕组瞬时功率直接控制的定子双绕组异步电机发电系统的电压控制方法。

背景技术

电力电子和现代控制技术为基础的鼠笼型异步电机发电系统，其励磁无功连续可调，发电系统电能品质大幅提升，加之发电机自身结构简单、维护方便、可靠性高等诸多优势，使该系统逐渐成为小型水力、风力等新能源发电系统和飞机、电动汽车等独立电源系统的研究和应用的热点。不过该类发电机也存在不足：将变换器串联于三相异步电机与负载之间时，所需的变换器容量较大，并且变换器的开关谐波容易注入负载；将变换器通过隔离电感与负载共同并联于发电机端时，所需的隔离电感体积较大，且发电机输出电压品质受到负载的大小和性质影响很大。

2000年前后提出的定子双绕组异步发电机系统，对上述系统的不足进行了改进。该电机定子上放置两套绕组，一套为功率绕组，可以为三相，也可为多相，经整流后输出直流电；另一套为控制绕组，接电力电子变换器以调节发电机内部磁场，稳定功率绕组输出电压。两套绕组极对数相同，没有电气连接，仅通过电机内部磁场关联；发电机的转子为鼠笼结构或实心结构。

发电系统的运行性能很大程度上取决于所采用的控制策略。目前该系统主要采用“电压外环、电流内环”的方法，即根据外环两套绕组的电压状态得到内环控制绕组指令电流值，电流内环调节器通过适当的调制方法控制功率变换器，使控制绕组电流跟踪指令电流。显然，这种以电流环为基础的控制策略要求控制绕组具有快速的电流响应和低的谐波电流，以保证系统的动静态品质。从现今公开发表的文献资料来看，电流内环主要有三角波载波PWM(SPWM)和滞环PWM控制两种。对于前者，该方法虽然开关频率固定，但有功电流和无功电流没有得到解耦。对于后者，由于控制绕组每相绕组存在耦合，尽管由电压外环得到了解耦的指令电流值，但经过电流内环的滞环控制器后，最终施加在变换器上的开关信号中也融入了相与相间的耦合信息，影响了控制性能。

发明内容

本发明的目的是：克服现有定子双绕组异步电机发电系统控制方法的不足，对定子双绕组异步发电机系统提供一种结构简单、计算量小、具有良好地动静态性能的输出电压控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是，包括主回路、低压小功率辅助电源、检测回路和控制回路。主回路由定子双绕组异步发电机1、滤波电感2、功率变换器3、整流桥4和励磁电容5组成；低压小功率辅助电源由蓄电池6和二极管7组成；检测回路由电流传感器8和电压传感器9、10、11组成；控制回路由数字信号处理器12和功率变换器的驱动电路13组成。在控制回路中删除了常用的转速传感器，同时删除了定子双绕组异步发电机控制系统中常用的电流闭环线路。

本发明针对定子双绕组异步电机发电系统所提出的电压控制方法是，以控制绕组的瞬时功率作为直接控制对象，保持发电机内部瞬时无功功率与电机工况(包括转速、负载)变化时的无功需求相平衡；同时也保持控制绕组从电机吸收的有功功率与功率变换器的有功损耗相平衡；这样便可以使系统在转速或负载大范围变化时向外提供稳定的直流电。具体的方法是，在每个控制周期中，直接选取最优的变换器电压矢量作用于控制绕组上，来调节控制绕组中的瞬时功率有功和无功功率。

本发明提出的电压控制方法，与现有控制方法相比的优点在于：受电机参数影响小，计算简单，无需复杂的坐标变换和三角函数计算，易于单片机或数字信号处理器实现。在通过优化开关表揭示基本电压矢量对控制绕组瞬时功率的影响的基础上，根据系统状态直接挑选出最优的电压矢量来控制功率变换器，具有清楚的物理概念。由于去掉了转速传感器和电流闭环线路，不仅使系统结构简单，而且提高了系统可靠性。

附图说明

图1为定子双绕组异步发电机系统原理图。

图1中标号名称：1.定子双绕组异步发电机，2.滤波电感，3.功率变换器，4.整流桥，5.励磁电容器组，6.蓄电池，7.功率二极管，8.为电流传感器，9、10与11为电压传感器，12.数字信号处理器，13.为驱动电路，14.直流负载，15.原动机，16.连轴器，。

图2为基本电压矢量(U₁、U₂、U₃、U₄、U₅、U₆)与扇区划分。

图3为基本电压矢量对控制绕组磁链ψ_s的作用。

图4为控制绕组瞬时有功与无功功率的运动轨迹。

图5是定子双绕组异步发电机系统的功率直接控制方法原理图。

图5中17和18分别为指令无功功率q_s^*和指令有功功率p_s^*生成单元，19为控制绕组瞬时无功功率和有功功率计算单元，20与21为两态功率滞环比较器，其输出分别为d_q和d_p，22为扇区判别器，23为优化开关表，输出为6路开关信号。

具体实施方法

根据附图叙述本发明的具体实施方式、工作原理和工作过程。由图1可知本发明的定子双绕组异步电机发电系统包括定子双绕组异步发电机1、滤波电感2、功率变换器3、整流桥4、励磁电容器组5组成的主回路；由蓄电池6和二极管7组成的低压小功率辅助电源；由电流传感器8和电压传感器9、10与11组成的检测回路；由数字信号处理器12和连接到功率变换器的驱动电路13所组成的控制回路。功率变换器的开关管可以采用IGBT或者智能功率模块(IPM)。本发电机系统适合于宽转速范围内运行，为了减小功率变换器的容量，励磁电容不可以取得过大，但这样一来便无法使发电机依靠电容实现自励建压；这时就需要小功率辅助电源(12V或24V蓄电池)为控制侧直流母线提供初始电压，依靠功率变换器向发电机内部注入励磁无功，使系统电压增长，当控制绕组直流母线电压超过辅助电源的电平时，依靠二极管使蓄电池自然脱离系统。电压电流传感器均为霍尔传感器，其中8为两支交流电流传感器，由此能得到控制绕组交流侧电流矢量i_s；9为两支交流电压传感器，由此可得到控制绕组交流侧电压矢量u_s；10和11均为直流电压传感器，由此分别能得到控制绕组变换器直流侧电压U_sDC和功率绕组输出电压U_pDC。这些传感器将主回路上的电压和电流等强电信号，转换为弱电压信号，供控制回路使用；检测回路将控制电路与主电路之间实现可靠的电气隔离的同时，同时又能够进行准确的信息传递。控制回路中的数字信号处理器获得主电路的信息，结合本发明提出的功率直接控制方法，得到功率变换器控制信号，经过驱动电路13发出6路脉冲信号去控制主回路的功率变换器。

本发明提出的定子双绕组异步发电机的功率直接控制方法，是通过选择最优的电压矢量，作用到控制绕组上，使发电机内部的无功功率迅速适应发电机的工况(转速、负载等因素)的变化，达到功率绕组稳定输出电压的目的；与此同时，调节控制绕组从发电机吸收的有功功率，以避免功率变换器在工作时因线路电阻、开关损耗等原因带来有功损耗而引起直流侧电容电压波动。针对定子双绕组异步电机发电系统，功率直接控制方法原理描述如下：

磁场是机电能量转化的关键物理量，普通异步发电机运行时首先需要从外界吸收励磁无功功率，以建立电机内部磁场，传统的电机在端部并联励磁电容器组实现磁场建立，但是当发电机负载或者转速发生变化时，电机内部励磁无功也要随之改变，为了维持输出电压的幅值恒定，需要不断调节电容器组的容值，这在实际操作中极为不便。另一方面，普通异步发电机的有功功率和无功功率是绞合在一起的，这给控制带来一定的困难，定子双绕组异步发电机，在定子上另外设置一套绕组对励磁无功功率实施独立控制，通过对控制绕组励磁无功的调节来达到对不同运行工况下输出电压的控制。目前针对定子双绕组异步电机发电系统大多采用的是“电压外环，电流内环”的方法来实现功率的控制，这种方法一方面对于功率的控制不够直接，另一方面控制效果很大程度上决定于电流调节器的性能，并且没有充分揭示电压矢量对于瞬时功率的影响。

本发明不同于现有的控制方法的一个重要特点在于分析并指明了基本电压矢量对于控制绕组有功功率和无功功率的影响程度，并存储于优化开关表中，根据电机的工况(转速、负载等变化情况)有目的的选择电压矢量；开关表的建立与优化选取是本发明的核心。由图1可知，控制绕组采用了电压型功率变换器，它含有6个基本电压矢量(U₁、U₂、U₃、U₄、U₅、U₆)和两个零矢量，这些矢量将空间平均分成6个扇区，为了精确选择电压矢量，减小输入电流的谐波，将原有的6个扇区再进行细分，得到如图2所示的12个扇区。当定子双绕组发电机处于发电运行时，控制绕组磁链矢量ψ_s落后转子磁链矢量ψ_r讦的角度为，如图3所示。因为控制绕组的瞬时无功与ψ_s的幅值成正比，控制绕组的有功功率与转差成正比，也就是与成线性关系。以ψ_s在第1扇区为例，分析基本电压矢量对于控制绕组瞬时功率的影响。电压矢量U₁、U₅、U₆。使ψ_s向偏离ψ_r的方向运行，致使增加，表明控制绕组从发电机汲取的有功功率(-P_s)增加；其中U₅使ψ_s的幅值减小，表明变换器削减了向发电机提供的励磁无功；U₁使ψ_s的幅值增加，表明控制绕组加大了向发电机注入的励磁无功，而U₆引起ψ_s的幅值变化的程度不明显。同理，电压矢量U₂、U₃、U₄使ψ_s朝贴近ψ_r的方向运动，致使减小，表明控制绕组从发电机汲取的有功功率(-p_s)减少；其中U₂、U₄和U₃对ψ_s的幅值的影响与上面的分析相同。同理可以得到，磁链位于其他扇区时基本电压矢量对控制绕组瞬时功率的影响。发电系统正常工作时控制绕组端电压矢量U_s超前控制绕组磁链矢量ψ_s，且两者近似垂直；将分析结果总结为表1，表中↑表示增加，↓表示减小，↑/↓表示变化不明显。这说明任意电压矢量作用到控制绕组上都会引起控制绕组瞬时有功功率和瞬时无功功率的变化，变化的趋势和程度与控制绕组磁链矢量所在的扇区有关，据此可根据发电系统的状态直接选取最优的电压矢量作用到控制绕组上，以满足系统的功率需求。

表1电压矢量对瞬时功率的影响

 扇区 ψ_s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 u_s 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 U₁ -p_s ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ q_s ↑ ↑ ↑/↓ ↑/↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑/↓ ↑/↓ ↑ ↑ U₂ -p_s ↓ ↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ q_s ↑ ↑ ↑ ↑ ↑/↓ ↑/↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑/↓ ↑/↓ U₃ -p_s ↓ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ q_s ↑/↓ ↑/↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑/↓ ↑/↓ ↓ ↓ ↓ ↓ U₄ -p_s ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ q_s ↓ ↓ ↑/↓ ↑/↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑/↓ ↑/↓ ↓ ↓ U₅ -p_s ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ ↑ ↑ q_s ↓ ↓ ↓ ↓ ↑/↓ ↑/↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑/↓ ↑/↓ U₆ -p_s ↑ ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ q_s ↑/↓ ↑/↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑/↓ ↑/↓ ↑ ↑ ↑ ↑

表2优化开关表

 行 (功率 滞环 输出) 列，(扇区) ψ_s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 u_s 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 30 dq＝0 ↓ dp＝0 ↓ U₄ U₄ U₅ U₅ U₆ U₆ U₁ U₁ U₂ U₂ U₃ U₃1 dq＝1 ↑ dp＝0 ↓ U₂ U₂ U₃ U₃ U₄ U₄ U₅ U₅ U₆ U₆ U₁ U₁2 dq＝0 ↓ dp＝1 ↑ U₅ U₅ U₆ U₆ U₁ U₁ U₂ U₂ U₃ U₃ U₄ U₄3 dq＝1 ↑ dp＝1 ↑ U₁ U₁ U₂ U₂ U₃ U₃ U₄ U₄ U₅ U₅ U₆ U₆

由图5所示，功率绕组输出的直流电压U_pDC与给定输出电压U_pDC^*的偏差决定着控制绕组的指令无功功率q_s^*；控制绕组直流侧电压U_sDC与给定电压U_sDC^*的偏差决定着控制绕组的指令有功功率p_s^*。控制绕组指令功率与实测功率进行比较后，分别送入两态功率滞环比较器，其输出为0或1。对于励磁无功而言，功率滞环比较器的输出dq＝0时，表示本控制周期中控制绕组实际励磁无功大于期望值，需要在下个控制周期中减小(↓)；dq＝1，表示本控制周期中控制绕组实际励磁无功小于期望值，需要在下个控制周期中增加(↑)。同理可得有功功率滞环比较器输出dp的定义。任意时刻，两个功率滞环比较器的输出(dq，dp)有四中组合：(dq＝0，dp＝0)；(dq＝0，dp＝1)；(dq＝1，dp＝0)；(dq＝1，dp＝1)。控制绕组实际功率与指令功率的偏差可通过选择最优的电压矢量迅速地缩小。例如：控制绕组磁链矢量处于第1扇区时，功率滞环的输出为(dq＝0，dp＝0)，表示控制绕组实际有功功率和无功功率都大于指令值，需要在下个周期中减小，对照表1可知U₄满足要求。将U₄填入表2中的相应位置。以此类推，可以建立表2。

综上所述，根据系统状态信息直接选取最合适的基本电压矢量，可以达到对控制绕组功率的迅速而准确的控制。定子双绕组异步电机发电系统控制框图如图5所示，其具体实现步骤如下：

1)将功率绕组输出的直流电压U_pDC与指令输出电压U_pDC^*送入无功功率发生器(17)得到应由控制绕组补给的指令瞬时无功功率q_s^*；

2)将功率变换器直流侧电压U_sDC与指令电压U_sDC^*送入有功功率发生器(18)得到应由控制绕组补给的指令瞬时有功功率p_s^*；

3)根据控制绕组交流侧电压矢量u_s和电流矢量i_s，由瞬时功率计算单元(19)计算出目前控制绕组中的瞬时有功功率和无功功率

4)将q_s^*和p_s^*和分别送入两态滞环比较器20、21，对滞环比较器的输出(dq，dp)进行编码，将其作为开关表的行号。经由扇区判别器22判断控制绕组端电压矢量u_s(或控制绕组磁链矢量)所在的扇区，并将其作为开关表的列号。由此唯一确定优化开关表23中的电压矢量。将该矢量作用到功率变换器上，使控制绕组的瞬时有功功率和瞬时无功功率以一定的允许误差跟踪指令功率，从而使系统在不同工况时均能输出稳定的直流电压。