CN102624297A - 一种故障容错性永磁发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种故障容错性永磁发电系统，包括绕组开路型永磁发电机、三相桥式变换器、三相整流桥、并联直流母线、滤波电容、驱动电路、控制器和检测电路，其中，发电机的两侧分别连接三相桥式变换器和三相整流桥；并联直流母线连接在变换器和整流桥的直流侧之间，且并联直流母线之间分别并联滤波电容和负载；所述检测电路包括位置传感器、电流传感器和电压传感器，所述各传感器测得的相关信号均送入控制器中；所述控制器的输出信号连接驱动电路，驱动电路根据相关的控制信号驱动三相桥式变换器中各开关器件的开通与关断。该发电系统可拓宽永磁电机的应用领域。本发明还公开一种的故障容错性永磁发电系统的控制方法。

Description

一种故障容错性永磁发电系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，特别涉及一种具有故障容错功能的绕组开路型永磁发电系统结构及其控制方法。

背景技术

随着稀土永磁材料技术的不断进步，永磁电机的性能不断提高，功率密度大、效率高等优点，使得永磁电机成为当今电机驱动领域、发电机应用领域首选的电机之一，并越来越广泛应用于军用、航空航天、工业自动化、风力发电等领域。然而，由于永磁体的存在，永磁电机内部的气隙磁场难以通过外部措施进行控制，应用于驱动和发电领域均存在弱磁和发电调压困难等问题，使其在一些高可靠性要求场合受到一定的限制。因此，当前针对永磁电机的可靠性、容错控制技术研究成为热点。

永磁电机要实现可靠、灵活控制，其根本在于电机内部磁场调节。为此，针对永磁电机的结构设计包括复合转子、混合励磁等方式，通过该结构设计，解决永磁电机磁场难以调节的问题，扩展永磁电机的应用领域。在容错控制技术方面，永磁电机为提高其容错能力，通常采用多绕组、双定子、多变换器冗余等结构方案，使得电机绕组在出现各种故障之后，利用备份绕组或变换器恢复其功能。然而，由于永磁体的固有特性，通常难以通过复合励磁实现完全的去磁效果，在出现电机绕组内部短路故障问题后，尤其是在发电系统中，若机械传动装置无法迅速闭锁，电机内部无法实现灭磁时，短路的电枢绕组产生的感生电势将在短路点形成很大的电流，导致电机内部过热，导致电机出现严重故障，甚至使永磁体出现永久性去磁的后果。因此永磁电机要实现其内部短路故障容错功能，必须要对现有的永磁电机的内部绕组结构加以改进。

传统的交流电机的三相绕组都是进行星形连接或者三角形连接，三角形连接的电机驱动系统，可以提高直流电压利用率，但由于存在零序电流通路，当电机由于加工或者磨损呈现不对称时，会在电机绕组电流中产生零序分量和谐波分量，增加电机损耗，而星形连接可以消除绕组中电流电压的三次序列谐波成分，消除由于电机不对称所引起的零序电流分量，因而被广泛采用。但是电机绕组的连接形式并非只有星形或者三角形两种方式，如果电机三相绕组开路，在两端连接合适的功率变换器也可以实现电机的电动和发电运行。

1989年日本学者ISAO TAKAHASHI首次提出了绕组开路型异步电机的驱动系统结构，将异步电机的中性点打开，两端连接三相桥式变换器，并在电机绕组中加入零序电抗器抑制零序电流，研究系统中异步电机的高性能直接转矩控制方法。此后相继有众多学者针对绕组开路型异步电机，研究其应用于驱动领域时电压空间矢量调制策略、零序电流抑制和共模电压抑制等方法，初步验证了绕组开路型结构应用于异步电机的优点。此后，2008年韩国学者SEUNG-KI SUL则针对小功率分布式风力发电系统提出一种绕组开路型永磁发电系统结构，绕组开路型永磁发电机一端通过三相桥式变换器与直流电源相连，另一端直接连接电网实现并网，研究发电机在零速、起动和同步发电时的控制策略，首次在发电系统中提出了永磁电机绕组开路型结构，并对其发电运行控制规律进行了分析。2011年美国威斯康星大学提出一种永磁直驱绕组开路型永磁电机发电系统，电机两侧分别连接半控整流桥进行整流后再实现并网，由于功率从电机两端分别流出，所以可以在一定程度上降低开关器件功率等级，并且该方案中采用半控整流桥，避免的了变换器桥臂的直通问题，提高了系统运行的可靠性。可见，将传统永磁电机的绕组中性点打开之后，构成绕组开路型结构，仍然具有功率密度大、效率等优点仍然保持，并且能够实现其电动、发电运行功能，由于各相绕组可以独立运行，通过外部功率变换器的设置，可以有效地提高系统运行的可靠性。可见，绕组开路型结构永磁电机既具有传统永磁电机功率密度大、效率高等优点，又由于各相绕组能够独立工作，具有独特的高可靠性等优点。

因此在绕组开路型永磁电机结构的基础上，设置合适的外部功率变换器，在提高系统可靠性的基础上，构成具有故障容错功能的绕组开路型永磁发电系统，相比于传统的永磁发电系统，其具有的短路和开路故障的容错运行能力，可大幅度地提高永磁发电系统的可靠性和系统性能。

发明内容

本发明的目的是在绕组开路型永磁电机工作原理的基础上，提出一种故障容错性永磁发电系统及其控制方法，拓宽永磁电机的应用领域。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种故障容错性永磁发电系统，包括绕组开路型永磁发电机、三相桥式变换器、三相整流桥、并联直流母线、滤波电容、驱动电路、控制器和检测电路，其中，绕组开路型永磁发电机的一侧连接三相桥式变换器，另一侧连接三相整流桥；所述并联直流母线连接在三相桥式变换器和三相整流桥的直流侧之间，且所述并联直流母线之间还分别并联滤波电容和负载，所述滤波电容对并联直流母线进行滤波后给负载供电；所述检测电路包括位置传感器、电流传感器和电压传感器，位置传感器设置在绕组开路型永磁发电机的电机轴上以采集电机转子位置信号，电流传感器设置在绕组开路型永磁发电机的三相绕组上以采集电机三相绕组电流信号，而电压传感器安装在并联直流母线上以采集直流母线电压信号，所述位置、电流和电压传感器测得的相关信号均送入控制器中；所述控制器的输出信号连接驱动电路，驱动电路根据相关的控制信号驱动三相桥式变换器中各开关器件的开通与关断。

一种故障容错性永磁发电系统的控制方法：将直流侧电压的给定值与实际反馈值进行比较，误差值进行PI调节得到发电机的q轴电流给定值，并据此计算d轴电流给定值，所述q轴、d轴电流给定值经过坐标变换得到三相电流给定值，分别将该给定值与实际电流值进行比较，对每相绕组电流采用滞环控制方式，实现电流内环控制。

上述滞环控制方法的内容是：

当故障容错性永磁发电系统正常发电运行时，电压外环根据负载直流侧电压调整发电机的输出功率，电流内环则在保证发电机输出功率的基础上调整绕组电流与绕组电压同相位，实现发电机的单位功率因数运行，利用三相桥式变换器对每相绕组电流进行斩波控制；

当故障容错性永磁发电系统发生单相绕组断路故障时，剩余两相绕组之间相互独立，此时该两相绕组在空间上相差120°，控制其在时间上也相差120°，电压外环控制方式不变；

当故障容错性永磁发电系统发生两相断路故障时，控制剩余单相绕组电流与电压同相位，电压外环控制方式不变；

当故障容错性永磁发电系统发生两相短路故障时，根据电流给定值计算串联两相电流和独立绕组的电流，保证所合成定子磁场仍为圆形磁场，保证发电系统稳定运行；

当故障容错性永磁发电系统发生三相短路故障时，若故障侧发生在整流桥侧，则系统重构成为传统带中性点永磁发电机结合PWM变换器结构，通过控制PWM变换器实现发电输出稳压控制；若故障发生在变换器侧，则结合整流桥、变换器桥臂实现输出稳压控制。

采用上述方案后，本发明可以有效提高永磁发电系统的故障容错运行能力，提高系统的可靠性，拓展永磁发电系统的应用领域，提升发电性能。

附图说明

图1是绕组开路型永磁发电系统结构图；

图2是系统发电运行控制框图；

图3是绕组开路型永磁发电系统单相绕组等效结构图；

图4是绕组开路型永磁发电系统单相绕组断路故障示意图；

图5是绕组开路型永磁发电系统单相绕组断路故障时的定子磁场示意图；

图6是绕组开路型永磁发电系统两相绕组断路故障示意图；

图7是绕组开路型永磁发电系统整流桥侧两相绕组短路故障示意图；

图8是绕组开路型永磁发电系统整流桥侧两相绕组短路故障时的空间矢量图；

图9是绕组开路型永磁发电系统变换器侧两相绕组短路故障示意图；

图10是绕组开路型永磁发电系统变换器侧两相绕组短路故障时反电势示意图；

图11是绕组开路型永磁发电机两相短路绕组反电势相同等效结构图；

图12是绕组开路型永磁发电机两相短路绕组反电势相反等效结构图；

图13是绕组开路型永磁发电机变换器侧三相绕组短路故障示意图；

图14是绕组开路型永磁发电机的三相绕组反电势波形；

图15是绕组开路型永磁发电机变换器侧三相短路等效结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的结构及有益效果进行详细说明。

如图1所示，是本发明提供一种故障容错性永磁发电系统的结构图，包括绕组开路型永磁发电机、三相桥式变换器、三相整流桥、并联直流母线、滤波电容、驱动电路、控制器和检测电路，其中，将永磁发电机的中性点打开，即构成绕组开路型永磁发电机；所述发电机的一侧连接三相桥式变换器，另一侧连接三相整流桥；所述三相桥式变换器由6个带体二极管的开关器件构成，所述6个开关器件两两一组相互串联，然后3个串联支路同向并联，此为常见结构，不再赘述；所述三相整流桥由6个二极管构成，所述6个二极管两两一组相互串联，然后3个串联支路同向并联，此同为常见结构，不再赘述；所述三相桥式变换器和三相整流桥的直流侧连接形成并联直流母线，且所述并联直流母线之间还分别并联滤波电容和负载，所述滤波电容对并联直流母线进行滤波后给负载供电；所述检测电路包括位置传感器、电流传感器和电压传感器，位置传感器设置在绕组开路型永磁发电机的电机轴上以采集电机转子位置信号，电流传感器设置在绕组开路型永磁发电机的三相绕组上以采集电机三相绕组电流信号，而电压传感器安装在并联直流母线上以采集直流母线电压信号，所述位置、电流和电压传感器测得的相关信号均送入控制器中，在控制器中实现发电运行控制和故障容错运行控制策略；所述控制器的输出信号连接驱动电路，驱动电路根据相关的控制信号驱动三相桥式变换器中各开关器件的开通与关断。

常规永磁发电系统一般采用三相桥式变换器进行整流发电，在整流发电运行时，发电机的线电压一定要小于直流侧电压，而本发明所述绕组开路型永磁发电系统只需确保发电机的相电压小于直流侧电压即可，当本发明所述系统所选直流侧电压值与常规系统直流侧电压值相同的情况下，可以拓宽永磁发电机的转速范围。

当绕组开路型永磁发电系统正常发电运行时对三相桥式变换器采用电压电流双闭环控制策略，电压外环根据负载直流侧电压去调整发电机的输出功率，电流内环则在保证发电机输出功率的基础上调整绕组电流与绕组电压同相位，实现发电机的单位功率因数运行，对每相绕组电流采用滞环控制方法，利用三相桥式变换器对每相绕组电流进行斩波控制。

当绕组开路型永磁发电系统发生单相绕组断路故障时，剩余两相绕组之间相互独立，此时采用两相绕组电流滞环控制方法，该两相绕组在空间上相差120°，控制策略使其在时间上也相差120°，其合成磁场为椭圆磁场，仍然能够保证其输出电压的稳定，并能够有效控制其输出电压纹波。

当绕组开路型永磁发电系统发生两相断路故障时，采用单相绕组电压外环、电流滞环控制方法，保证系统在发生两相断路的故障时仍能以较小功率输出，维持系统的运行。

当绕组开路型永磁发电系统发生两相短路故障时，采用两相短路故障电流控制方法，所述方法根据电流给定值计算串联两相电流和独立绕组的电流，保证所合成定子磁场仍为圆形磁场，保证发电系统输出电压稳定。

当绕组开路型永磁发电系统发生三相短路故障时，若故障侧发生在整流桥侧，则系统重构成为传统带中性点永磁发电机结合PWM变换器结构，通过控制PWM变换器实现发电输出稳压控制；若故障发生在变换器侧，则需要结合整流桥、变换器桥臂实现输出稳压控制。

根据图2所示系统的发电运行控制策略框图，其中U_dc ^*为直流侧电压的给定值，与实际的反馈值U_dc进行比较后，误差值经过PI调节器后得到发电机的q轴电流给定值i_q ^*，通过发电机的调压控制策略，计算d轴电流给定值i_d ^*，i_d ^*和i_q ^*经过坐标变换得到三相电流给定值i_abc ^*，分别将给定的电流值i_abc ^*与实际的电流值i_abc进行比较，对每相绕组电流采用滞环控制方法，实现电流内环控制。图3为系统中电机A相绕组等效连接电路进行说明，其中A相绕组的反电势方向和电流方向如图所示。通过开关器件V₁对绕组电流进行斩波控制，当V1开通时，A相绕组短接，绕组电流i经D₁和VD₁流通并增大；当V1关断时，A相绕组电流跨接在并联直流母线两端，绕组电流i经VD₄和D₁流通并减小。即根据图2所示滞环比较的输出信号控制V₁管的开通与关断，实现绕组电流的闭环控制。当电流方向与图3中所示电流方向相反时，则采用V₄管去实现电流的斩波控制。

当系统出现单相开路故障后，其结构如图4所示，以A相绕组断路故障为例，B相和C相绕组由于相互独立并且在空间和时间均相差120°，仍然采用上述电压、电流双闭环调压控制策略，分别对B、C相绕组进行控制，稳定输出电压。此时发电机合成磁场为椭圆形，如图5所示，该椭圆形磁场可以分解为一个正转磁场和一个幅值较小的反转磁场，在输出相同发电功率的条件下，即正向旋转磁场的幅值相同的情况下，新型绕组开路型永磁发电系统的反转磁场的幅值要小得多，即其电枢电流的幅值要小得多，有利于减小不产生输出功率的无功电流含量。

当系统出现整流桥侧两相绕组断路故障时，其示意结构如图6所示，以A相和B相绕组断路为例，由于三相绕组之间相互独立，C相绕组仍然可以进行整流发电，系统控制策略无需改变，只是发电机只有一相输出，系统仍然可以以较小的输出功率维持运行。当该故障类型出现在变换器侧时，情况类似。

当系统出现某两相绕组整流桥一侧短路时，如图7所示，以A相和B相绕组短路为例，不会出现传统永磁电机严重短路故障危险。此时A相和B相绕组串联，可以通过三相桥式变换器的a相和b相桥臂进行整流发电，其运行空间矢量图如图8所示。A相绕组和B相绕组串联连接，C相绕组独立运行，ψ_a为A相绕组产生的磁势方向，ψ_b为B相绕组产生的磁势方向，其合成的磁势方向为ψ_ab，由于ψ_ab与C相绕组的磁势方向ψ_c垂直，所以ψ_ab与ψ_c的的合成定子磁场方向ψ_s可以形成一个圆形轨迹，如图中的虚线圆框所示。仍然采用电压、电流双闭环控制策略，但三相电流给定值i_abc ^*需要根据坐标系定义重新推导其计算方法，采用非对称的dq→A-B，C坐标变换，如图8所示。i_s为给定的电流空间矢量，i_d和i_q是其d轴和q轴分量，θ是d轴与A相绕组轴线的夹角，α是i_s与d轴的夹角，由于A相和B相绕组串联，其产生的电流矢量在图中所示的a-b轴线上，将电流矢量i_s往c轴和a-b轴线上投影即得到i_c和i_ab分量，再根据图8中的i_a、i_b与的i_ab三角形关系，解析获得i_a、i_b，再通过滞环电流控制，实现电压、电流双闭环控制。

当系统在变换器一侧出现两相绕组间短路故障时，如图9所示，此时A、B相绕组共同连接于变换器一相桥臂，根据图10所示的A相和B绕组的反电势波形，将其分为以下两种情况分别研究其控制策略。

在阴影区域内，即A、B两相绕组的反电势方向相同，当其反电势均为正时，故障后的结构如图11所示，通过变换器a相桥臂实现两相绕组输出功率的控制。当V₄管开通，两相绕组通过V₄储能，i_a和i_b幅值增大；V₄关断，i_a和i_b都通过VD₁进行续流，分别流经D₄和D₆，同时向直流侧输出功率，电流幅值减小。当A、B两相绕组反电势均为负时，通过V₁管实现输出功率控制。

当处于非阴影区域时，A、B两相绕组的反电势方向相反，以图10中的虚线方框部分为例，根据反电势幅值大小划分为区域①和②。在区域①内，E_b的幅值大于E_a的幅值；在区域②内，E_b的幅值小于E_a的幅值，其反电势电压方向如图12所示。为了协调控制该区域中A相和B相绕组的输出电功率，需要根据A相和B相绕组的电压幅值来确定开关管的开通与关断。当处于区域①时，E_b比E_a的幅值大，采用V₄管的斩波来实现输出功率的控制，当V₄开通的时候，i_b增大，i_a减小，A相绕组向直流侧提供电能，B相绕组储能；当V₄关断时，V₁管开通，B相绕组向直流侧提供电能，A相绕组储能，即通过V₁、V₄管的互补斩波控制即可控制该故障状态下的输出功率控制。通过类似的分析可以知道，当处于区域②时，可以通过相同的方式实现输出功率的控制。

因此，可以根据电机转子位置将其划分为六个区间，对故障相绕组独立控制，结合非故障相的电压、电流双闭环控制，实现输出稳压控制。

当系统出现整流桥一侧三相短路故障时，此时系统等效为传统永磁电机发电系统，采用电压、电流双闭环控制策略实现系统发电稳压；当系统出现变换器一侧短路故障时，如图13所示，当发电机转速稳定运行时，三相绕组的反电势波形如图14所示，将一个360°的电周期分为6个60°的区间，并标记为①～⑥，可以看出，在任何一个60°的区间内，均有两相绕组电压的方向相同。以⑥区间进行为例，其等效结构如图15所示，E_a和E_b为正，E_c为负，与之前所述的逆变侧两相绕组短路故障的控制方法类似，此时利用V₄管来控制A、B相绕组的电流。当V₄管开通时，i_a和i_b的电流增大并利用自身电感进行储能，而i_c减小并最多减小到0；当V₄关断时，A、B相绕组中所储能的能量按图15所示方向输出至直流侧，即通过V₄管的控制实现输出功率控制。其它的①～⑤号区间的控制策略可根据三相绕组的反电势方向去选取V₁或者V₄管的斩波控制实现发电机的输出功率的控制。

Claims (3)

1.一种故障容错性永磁发电系统，其特征在于：包括绕组开路型永磁发电机、三相桥式变换器、三相整流桥、并联直流母线、滤波电容、驱动电路、控制器和检测电路，其中，绕组开路型永磁发电机的一侧连接三相桥式变换器，另一侧连接三相整流桥；所述并联直流母线连接在三相桥式变换器和三相整流桥的直流侧之间，且所述并联直流母线之间还分别并联滤波电容和负载，所述滤波电容对并联直流母线进行滤波后给负载供电；所述检测电路包括位置传感器、电流传感器和电压传感器，位置传感器设置在绕组开路型永磁发电机的电机轴上以采集电机转子位置信号，电流传感器设置在绕组开路型永磁发电机的三相绕组上以采集电机三相绕组电流信号，而电压传感器安装在并联直流母线上以采集直流母线电压信号，所述位置、电流和电压传感器测得的相关信号均送入控制器中；所述控制器的输出信号连接驱动电路，驱动电路根据相关的控制信号驱动三相桥式变换器中各开关器件的开通与关断。

2.一种针对如权利要求1所述的故障容错性永磁发电系统的控制方法，其特征在于：将直流侧电压的给定值与实际反馈值进行比较，误差值进行PI调节得到发电机的q轴电流给定值，并据此计算d轴电流给定值，所述q轴、d轴电流给定值经过坐标变换得到三相电流给定值，分别将该给定值与实际电流值进行比较，对每相绕组电流采用滞环控制方式，实现电流内环控制。

3.如权利要求2所述的一种故障容错性永磁发电系统的控制方法，其特征在于：所述滞环控制方式的内容是：

当故障容错性永磁发电系统正常发电运行时，电压外环根据负载直流侧电压调整发电机的输出功率，电流内环则在保证发电机输出功率的基础上调整绕组电流与绕组电压同相位，实现发电机的单位功率因数运行，利用三相桥式变换器对每相绕组电流进行斩波控制；

当故障容错性永磁发电系统发生单相绕组断路故障时，剩余两相绕组之间相互独立，此时该两相绕组在空间上相差120°，控制其在时间上也相差120°；

当故障容错性永磁发电系统发生两相断路故障时，控制剩余单相绕组电流与电压同相位；

当故障容错性永磁发电系统发生两相短路故障时，根据电流给定值计算串联两相电流和独立绕组的电流，保证所合成定子磁场仍为圆形磁场，保证发电系统稳定运行；

当故障容错性永磁发电系统发生三相短路故障时，若故障侧发生在整流桥侧，则系统重构成为传统带中性点永磁发电机结合PWM变换器结构，通过控制PWM变换器实现发电输出稳压控制；若故障发生在变换器侧，则结合整流桥、变换器桥臂实现输出稳压控制。

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