本發(fā)明涉及電機(jī)領(lǐng)域,特別涉及應(yīng)用于變速永磁交流電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)及其穩(wěn)壓控制方法。
背景技術(shù):
永磁交流發(fā)電機(jī)輸出交流電壓,經(jīng)PWM整流器進(jìn)行交流/直流(亦稱ac/dc)變換和經(jīng)直流濾波裝置濾波后,可以獲得可控的直流電壓,為直流負(fù)載供電。永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般包括永磁交流發(fā)電機(jī)、PWM整流器、直流濾波裝置以及控制系統(tǒng)。
永磁交流發(fā)電機(jī)通過(guò)定子或轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生發(fā)電所需的主磁場(chǎng),因此可以省去集電環(huán)和電刷裝置,簡(jiǎn)化發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu),并且提升了可靠性與功率密度。相比于電勵(lì)磁電機(jī),永磁交流發(fā)電機(jī)氣隙磁密較大,但是難以調(diào)節(jié)磁場(chǎng),所以其輸出電壓會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化,當(dāng)永磁交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí),常規(guī)PWM整流器的控制方法已無(wú)法將直流濾波裝置輸出端的直流電壓穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的值。
此時(shí)通常需要使用弱磁控制的方法,使PWM整流器提供一個(gè)能削弱永磁交流發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的交流電流分量,降低永磁交流發(fā)電機(jī)的反電勢(shì),保證直流濾波裝置輸出端的直流電壓穩(wěn)定。但是現(xiàn)有的弱磁控制方法大多只針對(duì)永磁交流電動(dòng)機(jī),并且存在方法復(fù)雜,響應(yīng)速度慢,穩(wěn)定運(yùn)行條件有限的缺點(diǎn)。
現(xiàn)有的弱磁穩(wěn)壓控制方法包括公式計(jì)算法、查表法、電流誤差法、梯度降階法、電壓反饋法等。其中公式反饋法依賴電機(jī)參數(shù),魯棒性差;查表法可移植性較差;電流誤差法以及電壓反饋法的高速穩(wěn)定性較差;梯度降階法算法復(fù)雜,有一定的參數(shù)依賴性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
發(fā)明目的:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù),提出一種變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及其穩(wěn)壓控制方法,在現(xiàn)有發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)依然能夠有效、簡(jiǎn)單、快速地實(shí)現(xiàn)直流輸出端電壓的穩(wěn)定。
發(fā)明內(nèi)容:一種變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng),包括永磁交流發(fā)電機(jī)、接入永磁交流發(fā)電機(jī)交流輸出端的PWM整流器、與所述的PWM整流器相連的直流濾波裝置以及控制器,所述的控制器包括:
轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)模塊,用于獲得所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置θ;
接入所述的直流濾波裝置直流輸出端的直流電壓檢測(cè)模塊,用于獲得直流輸出端的直流電壓Udc;
接入所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電流檢測(cè)模塊,用于獲得交流輸出端的交流電流;
坐標(biāo)變換模塊,用于根據(jù)所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置θ將所述交流電流檢測(cè)模塊輸出的交流電流進(jìn)行坐標(biāo)變換,得到交軸電流Iq以及直軸電流Id;
電壓環(huán)調(diào)節(jié)器,用于接收所述直流電壓檢測(cè)模塊輸出的直流電壓Udc,并根據(jù)預(yù)設(shè)的直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生并輸出發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電流幅值給定值
電流限幅模塊,用于接收所述坐標(biāo)變換模塊輸出的直軸電流Id以及所述交流電流幅值給定值輸出限幅后的交流電流給定值使其與所述直軸電流Id的相量和的幅值不超過(guò)發(fā)電機(jī)的交流電流幅值極限值Ismax;
交軸單電流環(huán)調(diào)節(jié)器,用于接收所述電流限幅模塊輸出的交軸電流給定值以及所述坐標(biāo)變換模塊輸出的交軸電流Iq,產(chǎn)生并輸出發(fā)電機(jī)交流輸出端的交軸電壓給定值以及直軸電壓給定值
PWM發(fā)生模塊,用于接收所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置θ、所述交軸單電流環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的交軸電壓給定值以及直軸電壓給定值并根據(jù)預(yù)設(shè)的直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值以及所述PWM整流器的功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)周期Ts產(chǎn)生所述PWM整流器的功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的PWM觸發(fā)脈沖。
進(jìn)一步的,當(dāng)所述直流輸出端電壓Udc大于所述直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值增大所述電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的所述交流電流幅值給定值
當(dāng)所述直流輸出端電壓Udc小于所述直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值減小所述電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的所述交流電流幅值給定值
進(jìn)一步的,當(dāng)所述交軸電流Iq小于所述交流電流給定值增大所述交軸單電流環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的所述交軸電壓給定值同時(shí)通過(guò)所述的交軸電壓給定值與預(yù)先給定的交流電壓幅值計(jì)算得到所述直軸電壓給定值
當(dāng)所述交軸電流Iq大于所述交流電流給定值減小所述交軸單電流環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的所述交軸電壓給定值同時(shí)通過(guò)所述的交軸電壓給定值與預(yù)先給定的交流電壓幅值計(jì)算得到所述直軸電壓給定值
進(jìn)一步的,所述的電流限幅模塊具體實(shí)現(xiàn)如下步驟:
步驟一,將接收到的所述交流電流幅值給定值計(jì)算得到未限幅交軸電流給定值
式(1)中,KMTPA為一個(gè)預(yù)先根據(jù)電機(jī)參數(shù)設(shè)定的MTPA系數(shù),0≤KMTPA≤1,|·|為取絕對(duì)值;
步驟二,將接收到的所述直軸電流Id與預(yù)先設(shè)定的發(fā)電機(jī)交流電流幅值極限值Ismax計(jì)算得到交軸電流限幅值
步驟三,判斷所述未限幅交軸電流給定值是否小于所述的交軸電流限幅值
若是,則輸出所述交軸電流給定值滿足:
若否,則輸出所述交軸電流給定值滿足:
一種應(yīng)用于變速永磁交流電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)壓控制方法,所述發(fā)電系統(tǒng)包括永磁交流發(fā)電機(jī)、接入發(fā)電機(jī)交流輸出端的PWM整流器、與所述的PWM整流器相連的直流濾波裝置以及控制器,包括步驟:
(1)檢測(cè)所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置θ;采集所述發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電流,并將所述交流電流進(jìn)行坐標(biāo)變換得到交軸電流Iq以及直軸電流Id;采集所述直流濾波裝置的直流輸出端的直流電壓Udc;
(2)經(jīng)閉環(huán)控制產(chǎn)生交流輸出端的交流電流幅值給定值
接收所述直流電壓Udc,根據(jù)預(yù)設(shè)的直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值經(jīng)閉環(huán)控制產(chǎn)生并輸出交流輸出端的交流電流幅值給定值
(3)經(jīng)電流限幅,得到限幅后的交軸電流給定值
接收所述交流電流幅值給定值根據(jù)預(yù)設(shè)的MTPA系數(shù)KMTPA計(jì)算產(chǎn)生交流輸出端的未限幅交軸電流給定值
接收所述直軸電流Id、未限幅交軸電流給定值并根據(jù)預(yù)設(shè)的交流電流幅值極限值Ismax對(duì)所述未限幅交軸電流給定值進(jìn)行限幅,輸出限幅后的交軸電流給定值使其與所述直軸電流Id的相量和的幅值不超過(guò)發(fā)電機(jī)的交流電流幅值極限值Ismax;
(4)比較所述的交軸電流Iq與限幅后的交軸電流給定值經(jīng)閉環(huán)控制產(chǎn)生并輸出發(fā)電機(jī)交流輸出端的交軸電壓給定值
根據(jù)所述交軸電壓給定值以及預(yù)先設(shè)定的交流電壓幅值限定值計(jì)算產(chǎn)生并輸出交流輸出端的直軸電壓給定值
(5)接收所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置θ、所述交軸電壓給定值以及直軸電壓給定值發(fā)出控制所述的PWM整流器的功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的PWM觸發(fā)脈沖。
進(jìn)一步的,所述的步驟(3)具體為:
(3.1)將接收到的所述交流電流幅值給定值計(jì)算得到未限幅交軸電流給定值
式(1)中,KMTPA為一個(gè)預(yù)先根據(jù)電機(jī)參數(shù)設(shè)定的MTPA系數(shù),0≤KMTPA≤1,|·|為取絕對(duì)值;
(3.2)將接收到的所述直軸電流Id與預(yù)先設(shè)定的發(fā)電機(jī)交流電流幅值極限值Ismax計(jì)算得到交軸電流限幅值
(3.3)判斷所述未限幅交軸電流給定值是否小于所述的交軸電流限幅值
若是,則輸出所述交軸電流給定值滿足:
若否,則輸出所述交軸電流給定值滿足:
有益效果:(1)、本發(fā)明通過(guò)由坐標(biāo)變換模塊電壓環(huán)調(diào)節(jié)器、電流限幅模塊、交軸單電流環(huán)調(diào)節(jié)器、PWM發(fā)生模塊組成的控制器實(shí)現(xiàn)了變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速變化時(shí),輸出的直流電壓依然能穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的值;(2)、本發(fā)明通過(guò)交軸單電流環(huán)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了變速永磁交流發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下,保證輸出的直流電壓依然能穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的值,方法簡(jiǎn)單,可靠,實(shí)用性強(qiáng)。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)功能模塊框圖及變量示意圖;
圖2為本發(fā)明變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電流限幅模塊的典型程序流程圖;
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的永磁交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及變速永磁交流發(fā)電系統(tǒng)輸出的直流電壓波形。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
如圖1所示,一種變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng),包括永磁交流發(fā)電機(jī)、接入永磁交流發(fā)電機(jī)交流輸出端的PWM整流器、與PWM整流器相連的直流濾波裝置以及控制器。其中,控制器包括:
轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)模塊,采用傳感器直接檢測(cè)或者采用無(wú)傳感器控制算法觀測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置θ。
接入直流濾波裝置直流輸出端的直流電壓檢測(cè)模塊,用于獲得直流輸出端的直流電壓Udc。
接入發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電流檢測(cè)模塊,用于獲得交流輸出端的交流電流。
坐標(biāo)變換模塊,用于根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置θ將交流電流檢測(cè)模塊輸出的交流電流進(jìn)行坐標(biāo)變換,得到交軸電流Iq以及直軸電流Id。
電壓環(huán)調(diào)節(jié)器,用于接收直流電壓檢測(cè)模塊輸出的直流電壓Udc,并根據(jù)預(yù)設(shè)的直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生并輸出發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電流幅值給定值其中,當(dāng)直流輸出端電壓Udc大于直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值增大電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的交流電流幅值給定值當(dāng)直流輸出端電壓Udc小于直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值減小電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的交流電流幅值給定值
電流限幅模塊,用于接收坐標(biāo)變換模塊輸出的直軸電流Id以及交流電流幅值給定值輸出限幅后的交流電流給定值使其與直軸電流Id的相量和的幅值不超過(guò)發(fā)電機(jī)的交流電流幅值極限值Ismax。具體為:
步驟一,將接收到的交流電流幅值給定值計(jì)算得到未限幅交軸電流給定值
式(1)中,KMTPA為一個(gè)預(yù)先根據(jù)電機(jī)參數(shù)設(shè)定的MTPA系數(shù),0≤KMTPA≤1,|·|為取絕對(duì)值;
步驟二,將接收到的直軸電流Id與預(yù)先設(shè)定的發(fā)電機(jī)交流電流幅值極限值Ismax計(jì)算得到交軸電流限幅值
步驟三,判斷未限幅交軸電流給定值是否小于交軸電流限幅值
若是,則輸出交軸電流給定值滿足:
若否,則輸出交軸電流給定值滿足:
交軸單電流環(huán)調(diào)節(jié)器,用于接收電流限幅模塊輸出的交軸電流給定值以及坐標(biāo)變換模塊輸出的交軸電流Iq,產(chǎn)生并輸出發(fā)電機(jī)交流輸出端的交軸電壓給定值以及直軸電壓給定值其中,當(dāng)交軸電流Iq小于交流電流給定值增大交軸單電流環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的交軸電壓給定值同時(shí)通過(guò)交軸電壓給定值與預(yù)先給定的交流電壓幅值計(jì)算得到直軸電壓給定值當(dāng)交軸電流Iq大于交流電流給定值減小交軸單電流環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的交軸電壓給定值同時(shí)通過(guò)的交軸電壓給定值與預(yù)先給定的交流電壓幅值計(jì)算得到直軸電壓給定值
PWM發(fā)生模塊,用于接收發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置θ、交軸單電流環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的交軸電壓給定值以及直軸電壓給定值并根據(jù)預(yù)設(shè)的直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值以及PWM整流器的功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)周期Ts產(chǎn)生PWM整流器的功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的PWM觸發(fā)脈沖。
一種應(yīng)用于變速永磁交流電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)壓控制方法,發(fā)電系統(tǒng)包括永磁交流發(fā)電機(jī)、接入發(fā)電機(jī)交流輸出端的PWM整流器、與PWM整流器相連的直流濾波裝置以及控制器,包括如下步驟:
(1)檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置θ;采集發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電流,并將交流電流進(jìn)行坐標(biāo)變換得到交軸電流Iq以及直軸電流Id;采集直流濾波裝置的直流輸出端的直流電壓Udc。
(2)經(jīng)閉環(huán)控制產(chǎn)生交流輸出端的交流電流幅值給定值
接收直流電壓Udc,根據(jù)預(yù)設(shè)的直流電壓標(biāo)準(zhǔn)值經(jīng)閉環(huán)控制產(chǎn)生并輸出交流輸出端的交流電流幅值給定值
(3)經(jīng)電流限幅,得到限幅后的交軸電流給定值
接收交流電流幅值給定值根據(jù)預(yù)設(shè)的MTPA系數(shù)KMTPA計(jì)算產(chǎn)生交流輸出端的未限幅交軸電流給定值
接收直軸電流Id、未限幅交軸電流給定值并根據(jù)預(yù)設(shè)的交流電流幅值極限值Ismax對(duì)未限幅交軸電流給定值進(jìn)行限幅,輸出限幅后的交軸電流給定值使其與直軸電流Id的相量和的幅值不超過(guò)發(fā)電機(jī)的交流電流幅值極限值Ismax。
(4)比較交軸電流Iq與限幅后的交軸電流給定值經(jīng)閉環(huán)控制產(chǎn)生并輸出發(fā)電機(jī)交流輸出端的交軸電壓給定值
根據(jù)交軸電壓給定值以及預(yù)先設(shè)定的交流電壓幅值限定值計(jì)算產(chǎn)生并輸出交流輸出端的直軸電壓給定值
(5)接收發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置θ、交軸電壓給定值以及直軸電壓給定值發(fā)出控制PWM整流器的功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的PWM觸發(fā)脈沖。
其中,步驟(3)如圖2所示,具體為:
(3.1)將接收到的交流電流幅值給定值計(jì)算得到未限幅交軸電流給定值
式(1)中,KMTPA為一個(gè)預(yù)先根據(jù)電機(jī)參數(shù)設(shè)定的MTPA系數(shù),0≤KMTPA≤1,|·|為取絕對(duì)值;
(3.2)將接收到的直軸電流Id與預(yù)先設(shè)定的發(fā)電機(jī)交流電流幅值極限值Ismax計(jì)算得到交軸電流限幅值
(3.3)判斷未限幅交軸電流給定值是否小于交軸電流限幅值
若是,則輸出交軸電流給定值滿足:
若否,則輸出交軸電流給定值滿足:
本發(fā)明的變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理如下:
當(dāng)永磁交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的高速運(yùn)行時(shí),PWM整流器為永磁交流發(fā)電機(jī)交流輸出端提供弱磁性質(zhì)的合適大小的直軸電流Id(即可以對(duì)氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生削弱作用的交流電流分量),并根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化提供不同大小的直軸電流值Id,使得交流電壓幅值始終與直流輸出端的直流電壓保持對(duì)應(yīng)關(guān)系。于是可以實(shí)現(xiàn)在永磁交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi),使得變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)直流輸出端的直流電壓Udc穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)電機(jī)交流輸出端的交流電流幅值Is的大小是由調(diào)節(jié)器根據(jù)及直流電壓Udc及其標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值經(jīng)閉環(huán)控制確定的。然后經(jīng)過(guò)電流限幅模塊計(jì)算得到限幅后的交軸電流給定值通過(guò)閉環(huán)控制后控制PWM整流器提供合適大小的交軸電流Iq,并由于直軸電流Id與交軸電流Iq存在相應(yīng)的耦合關(guān)系,同時(shí)也提供了合適大小的直軸電流Id。因此可以在保證變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)直流輸出端的直流電壓Udc穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值的同時(shí)保證變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)交流輸出端的電流幅值不超過(guò)預(yù)設(shè)的極限值Ismax。
本發(fā)明變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中,永磁交流發(fā)電機(jī)可以是定子永磁型交流發(fā)電機(jī)或轉(zhuǎn)子永磁型交流發(fā)電機(jī)。
本發(fā)明變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中,PWM整流器可以是三相全橋變換器或是級(jí)聯(lián)H橋多電平變換器以及混合級(jí)聯(lián)型多電平變換器等多種三相整流器。
本發(fā)明變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中,直流濾波裝置可以是單個(gè)或多個(gè)并聯(lián)的濾波電容或是多個(gè)電容以及電感組成的高階濾波裝置。
圖3是本實(shí)施例中永磁交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及變速永磁交流發(fā)電系統(tǒng)輸出的直流電壓波形,從圖中可見(jiàn),在永磁交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?0000rpm提升至24000rpm過(guò)程中,變速永磁交流發(fā)電系統(tǒng)始終能保證輸出的直流電壓穩(wěn)定在28V不變;并且在永磁交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在24000rpm的高速狀態(tài)時(shí),變速永磁交流發(fā)電系統(tǒng)仍能保證輸出的直流電壓為28V。
本發(fā)明使用交軸單電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)PWM整流器對(duì)永磁交流發(fā)電機(jī)的交流輸出提供合適大小的直軸電流Id,同時(shí)對(duì)永磁交流發(fā)電機(jī)的交流輸出端的交流電流幅值限幅,在轉(zhuǎn)速變化時(shí)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠、響應(yīng)快速地穩(wěn)定變速永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出的直流電壓;方法易實(shí)現(xiàn),可靠性高,具有良好的應(yīng)用前景。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以做出若干改進(jìn),這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。