專利名稱：繞組開放式永磁發(fā)電機系統(tǒng)矢量補償控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種繞組開放式永磁發(fā)電機系統(tǒng)矢量補償控制方法，屬于發(fā)電機控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
二十一世紀以來，隨著全球范圍內(nèi)的能源枯竭和環(huán)保問題的日益嚴重，尋求一種高效、節(jié)能的新型發(fā)電機系統(tǒng)成為了研究熱點。永磁發(fā)電機采用永磁體進行勵磁，無需電刷和滑環(huán)，具有功率密度大、結(jié)構(gòu)簡單、效率高的優(yōu)點，并且我國稀土資源豐富，具有開發(fā)研究高性能稀土永磁發(fā)電機的天然優(yōu)勢。隨著永磁體材料、電力電子器件、數(shù)字控制技術(shù)的快速發(fā)展，永磁發(fā)電機系統(tǒng)的性能越來越好，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大，在車載電源、風力發(fā)電等系統(tǒng)中永磁發(fā)電機獲得了廣泛的應(yīng)用。雖然永磁發(fā)電機具有上述的優(yōu)點和廣闊的發(fā)展前景，但在實際應(yīng)用過程中也存在著諸多不足之處。采用永磁體勵磁導(dǎo)致氣隙磁場調(diào)節(jié)困難，發(fā)電機的繞組端電壓調(diào)節(jié)困難，隨著轉(zhuǎn)速和負載電流的變化其端電壓波動大，這對后級的功率變換器提出了比較嚴格的要求。如車載電源系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)中，永磁發(fā)電機采用PWM整流器控制，以電壓型PWM整流器為例，作為一種升壓型變換器，其輸出的直流母線電壓必然高于發(fā)電機的線電壓，為避免高速運行條件下出現(xiàn)系統(tǒng)電壓無法控制的現(xiàn)象，必須對發(fā)電機的轉(zhuǎn)速加以限定。然而，車載電源系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)均要求能在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作。以車載電源系統(tǒng)為例，汽油發(fā)動機的怠速在1000r/min左右,而最高轉(zhuǎn)速可達7000r/min,要求車載發(fā)電機能夠在如此寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有效控制輸出，以獲得高效的能源利用率，這為永磁發(fā)電機系統(tǒng)提出了苛刻的條件，雖然可以通過增加一級DC/DC變換器解決這一問題，但是這無疑會提高系統(tǒng)的成本，并增加了控制的復(fù)雜性。針對上述永磁發(fā)電機系統(tǒng)所存在的發(fā)電調(diào)壓困難和轉(zhuǎn)速范圍窄的問題，有相關(guān)研究從不同的角度提出了 解決方案:(I)弱磁控制方法，針對永磁起動/發(fā)電機系統(tǒng)，采用特殊設(shè)計的低壓內(nèi)嵌式永磁電機，在高速運行時采用弱磁發(fā)電控制，在系統(tǒng)的電壓極限橢圓和電流極限圓內(nèi)通過增加電機的直軸電流分量削弱氣隙磁場，可以避免高速發(fā)電下直流母線電壓的抬升，但弱磁發(fā)電時定子電流的有功分量減少，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)電輸出功率下降。(2)永磁勵磁方式和電勵磁方式相結(jié)合，即構(gòu)成混合勵磁電機結(jié)構(gòu)，1985年美國學(xué)者Mc-Carty最早提出了混合勵磁的思想，氣隙磁場主要由永磁體產(chǎn)生，在此基礎(chǔ)上由勵磁繞組實現(xiàn)增磁或弱磁的功能，既保留了永磁體勵磁方式的固有優(yōu)點，又能在一定程度上實現(xiàn)磁場的調(diào)節(jié)，改善了其發(fā)電調(diào)壓性能，具有很好的發(fā)展前景，但額外增加的勵磁繞組將影響到發(fā)電效率和功率密度，同時相關(guān)電機設(shè)計、控制研究尚處于起步階段，存在較多問題亟待解決。(3)雙轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子上安裝永磁體，外轉(zhuǎn)子上的繞組通過滑環(huán)引出，內(nèi)外轉(zhuǎn)子各連接一個風力機，并使這兩個風力機的旋轉(zhuǎn)方向相反，在風速較低時雙轉(zhuǎn)子之間仍有較高的相對速度，從而拓寬風力發(fā)電機的最低工作轉(zhuǎn)速，但外轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)引出，增加了系統(tǒng)的故障率，還有其自身的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的控制技術(shù)也都阻礙了其進一步發(fā)展。(4)變拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)電機系統(tǒng)設(shè)計，該方案通過開關(guān)切換整流拓撲的串并聯(lián)方式，可以適應(yīng)高速和低速的電機外特性，實現(xiàn)寬轉(zhuǎn)速范圍調(diào)壓控制，但發(fā)電機系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性會受到開關(guān)切換過程的影響，一定程度上限制了其應(yīng)用。如何解決永磁發(fā)電機系統(tǒng)存在的調(diào)壓控制困難和轉(zhuǎn)速范圍窄的問題，實現(xiàn)寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的發(fā)電調(diào)壓運行，并改善其發(fā)電調(diào)壓控制特性，具有重要的研究意義。傳統(tǒng)的電機系統(tǒng)大多采用星形連接，利用該結(jié)構(gòu)特點消除電流的三倍次諧波，可以獲得較好的控制性能。但電機系統(tǒng)并非只有星形連接方式，將其中性點打開構(gòu)成的繞組開放式電機，不改變電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，僅改變電機繞組在外部的連接方式，通過設(shè)置合適的功率變換器對三相繞組進行控制，也可以使其電動或發(fā)電運行。目前關(guān)于繞組開放式電機的研究主要集中在異步電機多電平驅(qū)動、永磁電機發(fā)電運行及相關(guān)的控制算法的研究，在此基礎(chǔ)上，2011年南京航空航天大學(xué)提出一種繞組開放式永磁電機結(jié)合逆變器、整流橋、切換開關(guān)等構(gòu)成的新型車載起動/發(fā)電系統(tǒng)，并提出了起動/發(fā)電一體化控制策略，起動時通過開關(guān)切換將繞組開放式永磁電機構(gòu)造成普通永磁電機，采用矢量控制實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩起動，轉(zhuǎn)入發(fā)電運行后根據(jù)負載和轉(zhuǎn)速的變化調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓矢量，穩(wěn)定整流橋直流側(cè)電壓，利用繞組開放式電機結(jié)構(gòu)特性實現(xiàn)了寬轉(zhuǎn)速范圍調(diào)壓運行。但由于發(fā)電功率是通過整流橋整流之后再供給負載，整流橋作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中存在的非線性環(huán)節(jié)，會使發(fā)電機繞組電流中存在較多諧波，導(dǎo)致電流波形的畸變，一定程度上影響了發(fā)電效率。為改善存在整流橋的發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，通常采用的電流諧波抑制方法主要有:(I)有源電力濾波方法，實時計算整流橋輸入側(cè)電流諧波成分，利用電力電子變換器注入相應(yīng)的諧波電流，有源電力濾波效果好，但成本高，實現(xiàn)復(fù)雜；(2)無源濾波方法，利用多脈沖整流器拓撲結(jié)構(gòu)、電流諧波注入、新型整流器拓撲結(jié)構(gòu)等方案改變整流橋的工作狀態(tài)，使輸入電流正弦化。上述方法雖然能有效地提高整流橋輸入側(cè)電能質(zhì)量，但需要添加相應(yīng)的電力電子變換裝置，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。并且繞組開放式永磁發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)與一般的發(fā)電機結(jié)合整流橋的系統(tǒng)有所不同，傳統(tǒng)發(fā)電機作為整流橋的前級輸入時，其電流諧波的抑制只能通過整流橋拓撲結(jié)構(gòu)的改進或者添加相應(yīng)的電力電子裝置，即前述的無源和有源電力濾波方法；而繞組開放式永磁發(fā)電系統(tǒng)中整流橋的前級輸入為逆變器與發(fā)電機的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，逆變器輸出電壓矢量的幅值和相位可控，可以利用這一結(jié)構(gòu)特性對發(fā)電機繞組電流的諧波進行 抑制。因此利用系統(tǒng)中逆變器的可控特性，抑制整流橋?qū)φ麄€發(fā)電系統(tǒng)的影響，對提高發(fā)電機的功率因數(shù)，提升系統(tǒng)運行效率具有重要的價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的即在繞組開放式永磁發(fā)電系統(tǒng)的工作原理的基礎(chǔ)上，提出一種新型矢量補償控制方法，抑制系統(tǒng)中存在的非線性整流橋?qū)Πl(fā)電機的功率因數(shù)的影響，實現(xiàn)繞組開放式永磁發(fā)電機系統(tǒng)的高功率因數(shù)、高效率運行。本發(fā)明的具體技術(shù)方案的具體特如下:
本發(fā)明針對的繞組開放式永磁發(fā)電機系統(tǒng),包括繞組開放式永磁發(fā)電機、整流橋、逆變器、控制器和負載。其中繞組開放式永磁發(fā)電機繞組端部一側(cè)連接整流橋結(jié)合濾波電容構(gòu)成整流側(cè)，另一側(cè)通過逆變器與蓄電池相連構(gòu)成逆變控制側(cè)。一種繞組開放式永磁發(fā)電機系統(tǒng)的控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟:1)系統(tǒng)工作時，控制器采集發(fā)電機繞組三相電流狀態(tài)和整流橋的直流側(cè)電壓，根據(jù)以下對應(yīng)關(guān)系，確定當前整流橋電壓空間矢量；
整流橋電壓空間矢量與電流狀態(tài)及整流橋的直流側(cè)電壓存在如下對應(yīng)關(guān)系:
其中發(fā)電機繞組三相電流的六種狀態(tài)，分別對應(yīng)六個幅值相等、相位依次相差60°的整流橋電壓空間矢量1飛，這6個電壓空間矢量的長度均為2/3匕，Vl為整流橋的直流側(cè)電壓，六種導(dǎo)通狀態(tài)分別為:
第一種，發(fā)電機繞組三相電流狀態(tài)為+ --時，對應(yīng)電壓空間矢量I的相角為0° ； 第二種，發(fā)電機繞組三相電流狀態(tài)為++-時，對應(yīng)電壓空間矢量2的相角為60° ; 第三種，發(fā)電機繞組三相電流狀態(tài)為-+ _時，對應(yīng)電壓空間矢量3的相角為120° ； 第四種，發(fā)電機繞組三相電流狀態(tài)為_++時，對應(yīng)電壓空間矢量4的相角為180° ； 第五種，發(fā)電機繞組三相電流狀態(tài)為--+時，對應(yīng)電壓空間矢量5的相角為240° ； 第六種，發(fā)電機繞組三相電流狀態(tài)為+ - +時，對應(yīng)電壓空間矢量6的相角為300° ； 其中，+表示電機繞組輸出電流，整流橋?qū)?yīng)橋臂流入電流；-表示電機繞組輸入電 流，整流橋?qū)?yīng)橋臂流出電流；
2)將步驟I得到的電壓空間矢量在轉(zhuǎn)子磁場定向的dq坐標系中進行投影分解，得到交、直軸分量K-和K胃，投影公式為:
權(quán)利要求
1.一種繞組開放式永磁發(fā)電機系統(tǒng)的控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 1)系統(tǒng)工作時，控制器采集發(fā)電機繞組三相電流狀態(tài)和整流橋的直流側(cè)電壓，根據(jù)以下對應(yīng)關(guān)系，確定當前整流橋電壓空間矢量； 整流橋電壓空間矢量與電流狀態(tài)及整流橋的直流側(cè)電壓存在如下對應(yīng)關(guān)系: 其中發(fā)電機繞組三相電流的六種狀態(tài)，分別對應(yīng)六個幅值相等、相位依次相差60°的整流橋電壓空間矢量1飛，這6個電壓空間矢量的長度均為2/3匕，Vl為整流橋的直流側(cè)電壓，六種導(dǎo)通狀態(tài)分別為: 第一種，發(fā)電機繞組三相電流狀態(tài)為+ --時，對應(yīng)電壓空間矢量I的相角為0° ； 第二種，發(fā)電機繞組三相電流狀態(tài)為++-時，對應(yīng)電壓空間矢量2的相角為60° ; 第三種，發(fā)電機繞組三相電流狀態(tài)為-+ _時，對應(yīng)電壓空間矢量3的相角為120° ； 第四種，發(fā)電機繞組三相電流狀態(tài)為_++時，對應(yīng)電壓空間矢量4的相角為180° ； 第五種，發(fā)電機繞組三相電流狀態(tài)為-_ +時，對應(yīng)電壓空間矢量5的相角為240° ； 第六種，發(fā)電機繞組三相電流狀態(tài)為+ - +時，對應(yīng)電壓空間矢量6的相角為300° ； 其中，+表示電機繞組輸出電流，整流橋?qū)?yīng)橋臂流入電流；-表示電機繞組輸入電 流，整流橋?qū)?yīng)橋臂流出電流； 2)將步驟I得到的電壓空間矢量在轉(zhuǎn)子磁場定向的dq坐標系中進行投影分解，得到交、直軸分量K-和K胃，投影公式為:(I)式中，K-、V。胃為整流橋電壓空間矢量的直、交軸分量 八為整流橋的直流側(cè)電壓；八為整流橋電壓空間矢量相角；〃 ε為電機轉(zhuǎn)子位置角； 3)控制器根據(jù)步驟2得到的i/_d、IZcomq,對逆變器產(chǎn)生一組SVPWM驅(qū)動信號，補償量添加到逆變器的輸出電壓空間矢量中，實現(xiàn)對發(fā)電機繞組的電壓空間矢量進行補償控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述繞組開放式永磁發(fā)電機系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，其具體控制過程如下:將系統(tǒng)給定電壓f與整流橋直流側(cè)的反饋電壓匕相比較，偏差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到q軸電流給定值i/，設(shè)置d軸電流給定值為零，再分別與電機繞組反饋電流相比較，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器后的輸出值減去整流橋電壓矢量補償值仏-和仏。胃，得到逆變器的控制給定值和U=，通過SVPWM模塊生成逆變器的驅(qū)動信號，控制逆變器抵消整流橋的電壓空間矢量，構(gòu)成具有矢量補償功能的繞組開放式永磁發(fā)電機系統(tǒng)電壓、電流的雙閉環(huán)控制方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種繞組開放式永磁發(fā)電機系統(tǒng)的控制方法，屬交流發(fā)電系統(tǒng)的矢量調(diào)制領(lǐng)域。該方法繞組開放式永磁發(fā)電機繞組端部一側(cè)連接整流橋結(jié)合濾波電容構(gòu)成整流側(cè)給負載供電，另一側(cè)通過逆變器與蓄電池相連構(gòu)成逆變控制側(cè)，控制器通過檢測直流側(cè)負載電壓與給定電壓構(gòu)成電壓外環(huán)，控制逆變側(cè)輸出，實現(xiàn)整流側(cè)輸出電壓的控制，并且隨著轉(zhuǎn)速、負載變化穩(wěn)定整流側(cè)輸出直流電壓。該方法能夠有效抑制繞組開放式永磁發(fā)電機系統(tǒng)中整流橋帶來的電流諧波，提高系統(tǒng)的運行效率。
文檔編號H02P21/00GK103227603SQ201310119228
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月8日
發(fā)明者周曉宇, 魏佳丹, 鄭青青 申請人:南京航空航天大學(xué)