CN102522939A - 一种变频交流发电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频交流发电系统及控制方法，属于变频交流发电系统的技术领域。该变频交流发电系统包括定子双绕组异步发电机、滤波电感、功率变换器、励磁电容、滤波电容、蓄电池、二极管、直流电压传感器、交流电压传感器、交流电流传感器、控制器、驱动电路；无需转速传感器和电流闭环线路；该变频交流发电系统的控制方法是，根据功率平衡思想，综合考虑输出电压和电流的变化信息，利用电压频率可以快速改变的特性来迅速控制发电机的转差频率，以迅速调节电磁转矩，从而实现功率平衡，保证输出电压稳定；该控制方法结构简单，无需复杂的坐标变换，动静态性能良好，可用于飞机、舰船等独立电源系统中。

Description

一种变频交流发电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种变频交流发电系统及控制方法，属于变频交流发电系统的技术领域。

背景技术

随着多电/全电飞机、坦克的发展，机载、车载用电设备和精密仪器不断增加，并对电源系统提出了大容量、高性能等新要求。从目前的研究来看，除高压直流电源系统外，变频交流电源系统也是一个重要发展方向。例如，最新的大型民用客机B787和A380均采用了变频交流电源系统。

在变频交流电源系统中，由于要输出正弦交流电，目前国内外主要采用同步电机作为其主发电机，对其他类型发电机则研究较少。尽管同步电机在变频交流电源系统中已得到了实际应用，且技术成熟，稳态性能较好，但该发电系统也存在一些不足，例如，为实现无刷化，采用了“永磁机-励磁机-主发电机”这种复杂的三级式结构；转子上装有旋转整流器，使转子结构复杂，影响系统可靠性，不宜高速运行；电机的体积重量较大；电压闭环调节包括励磁机、主发电机、电压调节器等多个环节，动态性能不理想。

笼型异步电机因其结构简单、成本低、可靠性高、功率密度高等优点越来越成为机载、车载独立电源系统的重要选择。特别是近年来随着电力电子技术的发展，三相异步电机的发电品质和性能得到了大幅提高，因而它备受青睐，但这些研究主要是针对恒频交流或高压直流电源系统而开展的，未涉及变频交流电源系统。此外，在这类发电系统中，存在电力电子装置体积重量较大，给负载引入谐波等问题，这使得三相异步电机在上述领域中的应用和发展受到了一定限制。

定子双绕组异步电机(DWIG)是本世纪初提出的一种新型笼型异步电机，它继承了普通笼型异步电机的优点，克服了其缺点和不足，以独特结构和诸多优势受到了广泛关注。该发电机的定子上有两套绕组，它们在电气上没有直接连接，仅通过磁场耦合，功能分开，易实现高性能控制，可直接输出变频交流或经整流输出高压直流，能变速变负载运行，且控制器容量较小。因此，它很适合应用于高性能的独立电源系统中。然而，目前对该电机的研究主要集中于高压直流电源系统，有必要对其进行新的探索和研究。

DWIG的发电品质和运行性能很大程度上取决于所采用的控制策略。从现有的文献资料来看，DWIG系统的电压调节主要是基于“调磁调压”的思想来实现的，其实现方法可大致分为两类，一类是根据输出电压的误差，通过磁场定向或电压定向，利用电流闭环来调节励磁电流，进而改变发电机的内部磁场，以达到稳定输出电压的目的；另一类是根据输出电压及其误差，计算出励磁电流给定和励磁无功功率的给定，通过电压矢量，利用功率闭环来对励磁无功功率进行直接控制，以调节发电机的磁场，使输出电压稳定。上述基于“调磁调压”思想的控制策略虽可使系统在变速变负载时稳定运行，但也存在一定不足，例如，第一类方法由于要磁场定向或电压定向需进行复杂的坐标变换，计算量较大，且受电机参数影响；第二类方法由于功率闭环采用PWM滞环控制，开关频率不固定，该发电机控制绕组电流谐波较大，影响控制性能。此外，由于电机励磁电感一般较大，且上述方法只利用了输出电压的信息，系统的动态性能不是很理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种变频交流发电系统及控制方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种变频交流发电系统包括：由定子双绕组异步发电机、滤波电感、功率变换器、励磁电容、滤波电容组成的主回路，由蓄电池和二极管组成的低压小功率辅助电源，由直流电压传感器、交流电压传感器、交流电流传感器组成的检测回路，由控制器和驱动电路组成的控制回路；其中：

所述低压小功率辅助电源用于给主回路提供初始励磁无功功率；检测回路用于检测主回路中的直流侧电压、交流侧电压、交流侧电流，并将检测得到的检测值传输至控制回路；控制回路根据检测值通过计算得出功率变换器输出电压的给定幅值和频率来驱动功率变换器。

一种变频交流发电系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，根据交流电压传感器、交流电流传感器的测量值算得定子双绕组异步发电机功率绕组侧输出的有功功率，比较直流电压传感器的测量值和直流电压给定值得到功率变换器直流母线电压的误差，利用如下公式计算出功率变换器输出电压的频率给定值：

$f_c^{*}\left(k\right)=f_c^{*}(k-1)-K_{p1}\mathrm{\Δ}{P}_o\left(k\right)-K_{p2}[e_{\mathrm{dc}}\left(k\right)-e_{\mathrm{dc}}(k-1)]-K_{i1}{e}_{\mathrm{dc}}\left(k\right)$

其中：

和

分别表示当前控制周期和上一个控制周期功率变换器输出的电压频率给定值，K_p1和K_p2分别为第一、第二比例系数，K_i1为第一积分系数，ΔP_o(k)为当前控制周期功率绕组侧输出有功功率的增量，e_dc(k)和e_dc(k-1)分别表示当前控制周期和上一控制周期的功率变换器直流母线电压的误差值；

步骤2，根据定子双绕组异步发电机中控制侧绕组和功率侧绕组的匝数比、功率绕组侧输出变频交流电压的给定幅值及其误差值，利用如下公式计算出功率变换器输出电压的给定幅值：

$V_c^{*}\left(k\right)=N{V}_{\mathrm{pm}}^{*}+K_{p3}[V_{\mathrm{pm}}^{*}-V_{\mathrm{pm}}\left(k\right)]+K_{i2}\mathrm{\Σ}[V_{\mathrm{pm}}^{*}-V_{\mathrm{pm}}\left(k\right)]$

其中：

为当前控制周期功率变换器输出电压的给定幅值，N为定子双绕组异步发电机中控制侧绕组与功率侧绕组的匝数比，

V_pm(k)分别为功率绕组输出变频交流电压的给定幅值和当前控制周期的实际值，K_p3为第三比例系数，K_i2为第二积分系数；

步骤3，根据步骤1和2求出的功率变换器输出电压的给定频率和幅值，采用正弦波脉宽调制信号或者空间电压矢量脉宽调制信号，通过驱动电路驱动功率变换器的开关管，由功率变换器控制定子双绕组异步发电机的定子旋转磁场的大小和转速。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明所涉及的变频交流发电系统及控制方法具有以下有益效果：

1.在该变频交流发电系统中，定子双绕组异步发电机的转子为笼型转子，无电刷滑环，结构简单坚固。

2.该变频交流发电系统的控制方法无需转速传感器和电流闭环线路，简化了系统结构，省去了复杂的坐标变换，计算量小，易于数字化实现。

3.该变频交流发电系统能在宽转速范围内运行，具有良好的静态性能，且功率变换器容量较小，提高了系统可靠性。

附图说明

图1为变频交流发电系统的示意图。

图2为变频交流发电系统控制方法的控制原理图。

图中标号说明：1、定子双绕组异步发电机；2、滤波电感；3、功率变换器；4、励磁电容；5、蓄电池；6、二极管；7、滤波电容；8、直流电压传感器、9、交流电压传感器；10、交流电流传感器；11、控制器；12、驱动电路；13、负载。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的变频交流发电系统，包括蓄电池5、二极管6、滤波电容7、功率变换器3、三个滤波电感2、定子双绕组异步发电机1、三个励磁电容4、直流、交流电压传感器8和9、电流传感器10、控制器11、驱动电路12。定子双绕组异步发电机1、三个滤波电感2、功率变换器3、三个励磁电容4、滤波电容7组成主回路。蓄电池5和二极管6组成低压小功率辅助电源。直流、交流电压传感器8、9和交流电流传感器10组成检测回路。控制器11和驱动电路12组成控制回路，该控制回路无需转速传感器和电流闭环线路。定子双绕组异步发电机1的控制绕组侧接有功率变换器3对发电系统进行控制，以保证系统在变速变负载时运行稳定，定子双绕组异步发电机1功率绕组侧直接输出的恒压变频交流电能为负载13供电。

其中，二极管6的阳极与蓄电池5的正极连接，二极管6的阴极与正直流母线连接，蓄电池5的负极与负直流母线连接。安装在功率变换器直流母线上的低压小功率辅助电源(24V或48V)为发电机提供初始励磁无功功率，以保证发电机能顺利建压，当功率变换器直流母线电压超过低压小功率辅助电源的电压时，二极管6反向截止，蓄电池5与功率变换器3直流母线自然脱离。

低压小功率辅助电源的两端与滤波电容7连接，滤波电容7通过直流母线与功率变换器3的直流侧连接，功率变换器3的交流侧串联三个滤波电感2分别与定子双绕组异步发电机1的三相三线制控制绕组相连，定子双绕组异步发电机1的三相四线制功率绕组分别于三个励磁电容和负载并联。

电压和电流传感器均为霍尔传感器，直流电压传感器8和交流电压传感器9分别用来测量功率变换器直流母线电压和功率绕组变频交流电压，交流电流传感器10用来测量负载电流。这些电压和电流传感器将主回路上的强电信号转换为弱电信号，供控制回路使用。功率变换器的开关管可采用IGBT或者智能功率模块(IPM)，控制器可采用数字信号处理器来实现。控制器根据传感器测得的信号，利用本发明提出的控制方法，得到功率变换器的驱动信号，再经过驱动电路得到6路脉冲信号去控制主回路中功率变换器的开关管。

根据上述分析，所述变频交流发电系统的控制方法，其工作原理描述如下：

在发电系统中，输出电压发生变化的根本原因是发电机发出的电磁功率与负载实际需求的电功率不平衡。若发电机发出的电磁功率大于所需的电功率，输出电压就会上升，反之则会下降。因此，在转速或负载发生变化时，若能快速实现功率平衡，即可保证输出电压稳定，并从本质上提升发电系统的动静态性能。根据机电能量转换的基本原理，当负载或转速发生变化时，若要使输入输出功率保持平衡，发电机的电磁转矩变化应快速跟上负载或转速的变化，从而保持输出电压稳定且具有良好的动态性能。在异步电机中，电磁转矩的大小与转差频率是息息相关的。在发电机稳定运行范围内，可通过快速调节发电机的转差频率来迅速改变其电磁转矩。此外，在电机中，由于气隙磁场是机电能量转换的关键物理量，当负载或转速变化时，还应合理地调节气隙磁场的大小，以保证机电能量转换得以顺利进行。

定子双绕组异步发电机具有两套定子绕组，一套为功率绕组，用来输出变频交流电能，另一套为控制绕组，接有功率变换器，用来对发电系统进行控制。这两套绕组具有相同的极对数且匝链同一磁场，改变控制绕组磁场即可调节气隙磁场。因此，在本变频交流发电系统中，根据功率平衡思想，综合考虑了输出电压和电流的变化信息，通过功率变换器调节施加在控制绕组上的电压频率和幅值，从而实现对发电机转差频率的快速调节和气隙磁通的合理控制，保证系统输入输出功率平衡和输出电压稳定。当转速或负载发生变化，控制系统根据负载功率的变化，迅速准确地调节转差频率的大小，以对电磁转矩进行控制，同时，还对气隙磁场进行合理调节，从而保持输出电压稳定。

图2所示的为该变频交流发电系统控制方法的控制原理图。其中，u_pa，u_pb，u_pc表示的是定子双绕组异步发电机功率绕组输出的三相相电压，i_pla，i_plb，i_plc表示的是负载的三相线电流，该变频交流发电系统的控制方法包括如下步骤：

步骤1，根据交流电压传感器、交流电流传感器的测量值算得定子双绕组异步发电机功率绕组侧输出的有功功率，比较直流电压传感器的测量值和直流电压给定值得到功率变换器直流母线电压的误差，利用如下公式计算出功率变换器输出电压的频率给定值：

$f_c^{*}\left(k\right)=f_c^{*}(k-1)-K_{p1}\mathrm{\Δ}{P}_o\left(k\right)-K_{p2}[e_{\mathrm{dc}}\left(k\right)-e_{\mathrm{dc}}(k-1)]-K_{i1}{e}_{\mathrm{dc}}\left(k\right)$

其中：

和

分别表示当前控制周期和上一个控制周期功率变换器输出的电压频率给定，K_p1和K_p2为第一、第二比例系数，K_i1为第一积分系数，ΔP_o(k)为本控制周期功率绕组侧输出有功功率的增量，e_dc(k)和e_dc(k-1)分别表示当前控制周期和上一控制周期的功率变换器直流母线电压的误差，K_p1、K_p2、K_i1通过计算获得；

步骤2，根据定子双绕组异步发电机中控制侧绕组和功率侧绕组的匝数比、功率绕组侧输出变频交流电压幅值的给定及其误差，利用如下公式计算出功率变换器输出电压的幅值给定幅值：

$V_c^{*}\left(k\right)=N{V}_{\mathrm{pm}}^{*}+K_{p3}[V_{\mathrm{pm}}^{*}-V_{\mathrm{pm}}\left(k\right)]+K_{i2}\mathrm{\Σ}[V_{\mathrm{pm}}^{*}-V_{\mathrm{pm}}\left(k\right)]$

其中：

为当前控制周期功率变换器的电压幅值给定，N为定子双绕组异步发电机中控制侧绕组与功率侧绕组的匝数比，

V_pm(k)分别为功率绕组输出变频交流电压幅值的给定值和当前控制周期的实际值，K_p3为第三比例系数，K_i2为第二积分系数，K_p3、K_i2通过计算获得；

步骤3，根据步骤1和2求出的功率变换器输出电压的给定频率和幅值，采用正弦波脉宽调制信号或者空间电压矢量脉宽调制信号，通过驱动电路驱动功率变换器的开关管，由功率变换器控制定子双绕组异步发电机的定子旋转磁场的大小和转速。

Claims (2)

1.一种变频交流发电系统，其特征在于：包括由定子双绕组异步发电机、滤波电感、功率变换器、励磁电容、滤波电容组成的主回路，由蓄电池和二极管组成的低压小功率辅助电源，由直流电压传感器、交流电压传感器、交流电流传感器组成的检测回路，由控制器和驱动电路组成的控制回路；其中：

所述低压小功率辅助电源用于给主回路提供初始励磁无功功率；检测回路用于检测主回路中的直流侧电压、交流侧电压、交流侧电流，并将检测得到的检测值传输至控制回路；控制回路根据检测值通过计算得出功率变换器输出电压的给定幅值和频率来驱动功率变换器。

2.一种基于权利要求1所述的变频交流发电系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，根据交流电压传感器、交流电流传感器的测量值算得定子双绕组异步发电机功率绕组侧输出的有功功率，比较直流电压传感器的测量值和直流电压给定值得到功率变换器直流母线电压的误差，利用如下公式计算出功率变换器输出电压的频率给定值：

$f_c^{*}\left(k\right)=f_c^{*}(k-1)-K_{p1}\mathrm{\Δ}{P}_o\left(k\right)-K_{p2}[e_{\mathrm{dc}}\left(k\right)-e_{\mathrm{dc}}(k-1)]-K_{i1}{e}_{\mathrm{dc}}\left(k\right)$

其中：

和

分别表示当前控制周期和上一个控制周期功率变换器输出的电压频率给定值，K_p1和K_p2分别为第一、第二比例系数，K_i1为第一积分系数，ΔP_o(k)为当前控制周期功率绕组侧输出有功功率的增量，e_dc(k)和e_dc(k-1)分别表示当前控制周期和上一控制周期的功率变换器直流母线电压的误差值；

步骤2，根据定子双绕组异步发电机中控制侧绕组和功率侧绕组的匝数比、功率绕组侧输出变频交流电压的给定幅值及其误差值，利用如下公式计算出功率变换器输出电压的给定幅值：

$V_c^{*}\left(k\right)=N{V}_{\mathrm{pm}}^{*}+K_{p3}[V_{\mathrm{pm}}^{*}-V_{\mathrm{pm}}\left(k\right)]+K_{i2}\mathrm{\Σ}[V_{\mathrm{pm}}^{*}-V_{\mathrm{pm}}\left(k\right)]$

其中：

为当前控制周期功率变换器输出电压的给定幅值，N为定子双绕组异步发电机中控制侧绕组与功率侧绕组的匝数比，

V_pm(k)分别为功率绕组输出变频交流电压的给定幅值和当前控制周期的实际值，K_p3为第三比例系数，K_i2为第二积分系数；

步骤3，根据步骤1和2求出的功率变换器输出电压的给定频率和幅值，采用正弦波脉宽调制信号或者空间电压矢量脉宽调制信号，通过驱动电路驱动功率变换器的开关管，由功率变换器控制定子双绕组异步发电机的定子旋转磁场的大小和转速。

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