CN103227603A - 绕组开放式永磁发电机系统矢量补偿控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种绕组开放式永磁发电机系统的控制方法，属交流发电系统的矢量调制领域。该方法绕组开放式永磁发电机绕组端部一侧连接整流桥结合滤波电容构成整流侧给负载供电，另一侧通过逆变器与蓄电池相连构成逆变控制侧，控制器通过检测直流侧负载电压与给定电压构成电压外环，控制逆变侧输出，实现整流侧输出电压的控制，并且随着转速、负载变化稳定整流侧输出直流电压。该方法能够有效抑制绕组开放式永磁发电机系统中整流桥带来的电流谐波，提高系统的运行效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种绕组开放式永磁发电机系统矢量补偿控制方法，属于发电机控制领域。
背景技术
二十一世纪以来，随着全球范围内的能源枯竭和环保问题的日益严重，寻求一种高效、节能的新型发电机系统成为了研究热点。永磁发电机采用永磁体进行励磁，无需电刷和滑环，具有功率密度大、结构简单、效率高的优点，并且我国稀土资源丰富，具有开发研究高性能稀土永磁发电机的天然优势。随着永磁体材料、电力电子器件、数字控制技术的快速发展，永磁发电机系统的性能越来越好，其应用领域也在不断扩大，在车载电源、风力发电等系统中永磁发电机获得了广泛的应用。
虽然永磁发电机具有上述的优点和广阔的发展前景，但在实际应用过程中也存在着诸多不足之处。采用永磁体励磁导致气隙磁场调节困难，发电机的绕组端电压调节困难，随着转速和负载电流的变化其端电压波动大，这对后级的功率变换器提出了比较严格的要求。如车载电源系统和风力发电系统中，永磁发电机采用PWM整流器控制，以电压型PWM整流器为例，作为一种升压型变换器，其输出的直流母线电压必然高于发电机的线电压，为避免高速运行条件下出现系统电压无法控制的现象，必须对发电机的转速加以限定。然而，车载电源系统和风力发电系统均要求能在较宽的转速范围内工作。以车载电源系统为例，汽油发动机的怠速在1000r/min左右，而最高转速可达7000r/min，要求车载发电机能够在如此宽转速范围内有效控制输出，以获得高效的能源利用率，这为永磁发电机系统提出了苛刻的条件，虽然可以通过增加一级DC/DC变换器解决这一问题，但是这无疑会提高系统的成本，并增加了控制的复杂性。
针对上述永磁发电机系统所存在的发电调压困难和转速范围窄的问题，有相关研究从不同的角度提出了解决方案：（1）弱磁控制方法，针对永磁起动/发电机系统，采用特殊设计的低压内嵌式永磁电机，在高速运行时采用弱磁发电控制，在系统的电压极限椭圆和电流极限圆内通过增加电机的直轴电流分量削弱气隙磁场，可以避免高速发电下直流母线电压的抬升，但弱磁发电时定子电流的有功分量减少，导致系统发电输出功率下降。（2）永磁励磁方式和电励磁方式相结合，即构成混合励磁电机结构，1985年美国学者Mc-Carty最早提出了混合励磁的思想，气隙磁场主要由永磁体产生，在此基础上由励磁绕组实现增磁或弱磁的功能，既保留了永磁体励磁方式的固有优点，又能在一定程度上实现磁场的调节，改善了其发电调压性能，具有很好的发展前景，但额外增加的励磁绕组将影响到发电效率和功率密度，同时相关电机设计、控制研究尚处于起步阶段，存在较多问题亟待解决。（3）双转子永磁发电机结构设计方案，电机的内转子上安装永磁体，外转子上的绕组通过滑环引出，内外转子各连接一个风力机，并使这两个风力机的旋转方向相反，在风速较低时双转子之间仍有较高的相对速度，从而拓宽风力发电机的最低工作转速，但外转子绕组通过滑环引出，增加了系统的故障率，还有其自身的双转子结构及复杂的控制技术也都阻碍了其进一步发展。（4）变拓扑结构的发电机系统设计，该方案通过开关切换整流拓扑的串并联方式，可以适应高速和低速的电机外特性，实现宽转速范围调压控制，但发电机系统的稳定性和可靠性会受到开关切换过程的影响，一定程度上限制了其应用。
如何解决永磁发电机系统存在的调压控制困难和转速范围窄的问题，实现宽转速范围内的发电调压运行，并改善其发电调压控制特性，具有重要的研究意义。传统的电机系统大多采用星形连接，利用该结构特点消除电流的三倍次谐波，可以获得较好的控制性能。但电机系统并非只有星形连接方式，将其中性点打开构成的绕组开放式电机，不改变电机内部结构，仅改变电机绕组在外部的连接方式，通过设置合适的功率变换器对三相绕组进行控制，也可以使其电动或发电运行。目前关于绕组开放式电机的研究主要集中在异步电机多电平驱动、永磁电机发电运行及相关的控制算法的研究，在此基础上，2011年南京航空航天大学提出一种绕组开放式永磁电机结合逆变器、整流桥、切换开关等构成的新型车载起动/发电系统，并提出了起动/发电一体化控制策略，起动时通过开关切换将绕组开放式永磁电机构造成普通永磁电机，采用矢量控制实现恒转矩起动，转入发电运行后根据负载和转速的变化调节逆变器输出电压矢量，稳定整流桥直流侧电压，利用绕组开放式电机结构特性实现了宽转速范围调压运行。但由于发电功率是通过整流桥整流之后再供给负载，整流桥作为系统结构中存在的非线性环节，会使发电机绕组电流中存在较多谐波，导致电流波形的畸变，一定程度上影响了发电效率。
为改善存在整流桥的发电系统的电能质量，通常采用的电流谐波抑制方法主要有：（1）有源电力滤波方法，实时计算整流桥输入侧电流谐波成分，利用电力电子变换器注入相应的谐波电流，有源电力滤波效果好，但成本高，实现复杂；（2）无源滤波方法，利用多脉冲整流器拓扑结构、电流谐波注入、新型整流器拓扑结构等方案改变整流桥的工作状态，使输入电流正弦化。上述方法虽然能有效地提高整流桥输入侧电能质量，但需要添加相应的电力电子变换装置，增加了系统复杂度。并且绕组开放式永磁发电系统的结构和工作状态与一般的发电机结合整流桥的系统有所不同，传统发电机作为整流桥的前级输入时，其电流谐波的抑制只能通过整流桥拓扑结构的改进或者添加相应的电力电子装置，即前述的无源和有源电力滤波方法；而绕组开放式永磁发电系统中整流桥的前级输入为逆变器与发电机的串联结构，逆变器输出电压矢量的幅值和相位可控，可以利用这一结构特性对发电机绕组电流的谐波进行抑制。因此利用系统中逆变器的可控特性，抑制整流桥对整个发电系统的影响，对提高发电机的功率因数，提升系统运行效率具有重要的价值。
发明内容
本发明的目的即在绕组开放式永磁发电系统的工作原理的基础上，提出一种新型矢量补偿控制方法，抑制系统中存在的非线性整流桥对发电机的功率因数的影响，实现绕组开放式永磁发电机系统的高功率因数、高效率运行。
本发明的具体技术方案的具体特如下：
本发明针对的绕组开放式永磁发电机系统，包括绕组开放式永磁发电机、整流桥、逆变器、控制器和负载。其中绕组开放式永磁发电机绕组端部一侧连接整流桥结合滤波电容构成整流侧，另一侧通过逆变器与蓄电池相连构成逆变控制侧。
一种绕组开放式永磁发电机系统的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1）系统工作时，控制器采集发电机绕组三相电流状态和整流桥的直流侧电压，根据以下对应关系，确定当前整流桥电压空间矢量；
整流桥电压空间矢量与电流状态及整流桥的直流侧电压存在如下对应关系：
其中发电机绕组三相电流的六种状态，分别对应六个幅值相等、相位依次相差60°的整流桥电压空间矢量1~6，这6个电压空间矢量的长度均为2/3V L，V L为整流桥的直流侧电压，六种导通状态分别为：
第一种，发电机绕组三相电流状态为+––时，对应电压空间矢量1的相角为0°；
第二种，发电机绕组三相电流状态为++–时，对应电压空间矢量2的相角为60°；
第三种，发电机绕组三相电流状态为–+–时，对应电压空间矢量3的相角为120°；
第四种，发电机绕组三相电流状态为–++时，对应电压空间矢量4的相角为180°；
第五种，发电机绕组三相电流状态为––+时，对应电压空间矢量5的相角为240°；
第六种，发电机绕组三相电流状态为+–+时，对应电压空间矢量6的相角为300°；
其中，+表示电机绕组输出电流，整流桥对应桥臂流入电流；–表示电机绕组输入电流，整流桥对应桥臂流出电流；
2）将步骤1得到的电压空间矢量在转子磁场定向的dq坐标系中进行投影分解，得到交、直轴分量U comd和U comq，投影公式为：
式中，U comd、U comq为整流桥电压空间矢量的直、交轴分量；V L为整流桥的直流侧电压；θ L为整流桥电压空间矢量相角；θ e为电机转子位置角；
3）控制器根据步骤2得到的U comd、U comq，对逆变器产生一组SVPWM驱动信号，补偿量添加到逆变器的输出电压空间矢量中，实现对发电机绕组的电压空间矢量进行补偿控制。
本发明的具体控制过程如下：将系统给定电压V L *与整流桥直流侧的反馈电压V L相比较，偏差值经过PI调节得到q轴电流给定值i q *，设置d轴电流给定值为零，再分别与电机绕组反馈电流相比较，经过电流调节器后的输出值减去整流桥电压矢量补偿值U comd和U comq，得到逆变器的控制给定值U d *和U q *，通过SVPWM模块生成逆变器的驱动信号，控制逆变器抵消整流桥的电压空间矢量，构成具有矢量补偿功能的绕组开放式永磁发电机系统电压、电流的双闭环控制方法。
本发明相比现有技术此有如下优点：
本绕组开放式永磁发电机系统矢量补偿控制方法，实现了绕组开放式永磁发电机系统的高功率因数、高效率运行。
附图说明
图1 绕组开放式永磁发电机系统结构图；
图2 整流桥的电压空间矢量图；
图3 逆变器的电压空间矢量图
图4 绕组开放式永磁发电机系统电压空间矢量合成图；
其中4a表示发电机三相绕组电流状态“+––”。
其中4b表示发电机三相绕组电流状态“++–”。
其中4c表示发电机三相绕组电流状态“–+–”。
其中4d表示发电机三相绕组电流状态“–++”。
其中4e表示发电机三相绕组电流状态“––+”。
其中4f表示发电机三相绕组电流状态“+–+”。
图5 整流桥电压空间矢量在dq坐标系的投影图；
图6 绕组开放式永磁发电机系统矢量补偿控制框图；
图7 绕组开放式永磁发电机系统矢量补偿前后电流波形。
其中7a为现有补偿前电流仿真波形。
其中7b为本发明补偿后电流仿真波形。
其中7c为现有补偿前电流试验波形。
其中7d为本发明补偿后电流试验波形。
具体实施方式
实施例一：
如图1所示，本发明针对的绕组绕组开放式永磁发电机系统，包括绕组开放式永磁发电机、整流桥、逆变器、控制器和负载。
其中绕组开放式永磁发电机绕组端部一侧连接整流桥结合滤波电容构成整流侧给负载供电，另一侧通过逆变器与蓄电池相连构成逆变控制侧，控制器通过检测直流侧负载电压与给定电压构成电压外环控制，内环采用电流闭环控制方式，其中电流内环控制方式中为消除整流桥的非线性特性对系统的影响，需要首先分析整流桥的工作特性。
整流桥可以看作是逆变器的一种特殊工作状态，即逆变器中所有开关管均处于关断状态，由每个开关管的反并联二极管工作，区别于逆变器的开关工作状态，整流桥中的二极管是在某一特定的时间内，一直开通或关断，其开通或关断状态由整流桥输入侧绕组电流的状态确定。
当发电机相电流流入整流桥时，整流桥的对应相上桥臂导通，下桥臂截止；当发电机相电流从整流桥流出时，整流桥对应相的下桥臂导通，上桥臂截止。根据交流发电机的输出三相交流电，对应着在整流桥中产生的六种导通状态，当发电机绕组三相电流状态为+––时，+表示电机绕组输出电流，整流桥对应桥臂流入电流；–表示电机绕组输入电流，整流桥对应桥臂流出电流，此时整流桥的一相桥臂上管开通，两相桥臂的下管开通，整流桥产生一个电压空间矢量1，其相角定义为0°；电机绕组三相电流状态为++–时，整流桥对应的电压空间矢量2的相角为60°；电机绕组三相电流状态为–+–时，整流桥对应的电压空间矢量3的相角为120°；电机绕组三相电流状态为–++时，整流桥对应的电压空间矢量相角4的相角为180°；电机绕组三相电流状态为––+时，整流桥对应的电压空间矢量5的相角为240°；电机绕组三相电流状态为+–+时，整流桥对应的电压空间矢量6的相角为300°，即可以构成六个幅值相等、相位依次相差60°的电压空间矢量，该六个电压空间矢量的长度均为2/3V L（通过计算可得），V L为整流桥的直流侧电压，而相角θ L由整流桥的导通、截止状态也即发电机绕组电流的状态决定。
由于绕组开放式永磁发电机系统中逆变器、整流桥分别位于永磁发电机的绕组两端，将整流桥也等效看作逆变器输出特殊电压空间矢量后，可以将发电机绕组视作系统中逆变器、整流桥的负载，则发电机的绕组中的电压为逆变器和整流桥输出电压空间矢量的合成。系统中发电机绕组上的电压空间矢量的具体合成过程为：首先根据发电机的转子位置后，逆变器输出相应的电压空间矢量；再根据当前电机三相绕组电流的状态，确定该时刻的整流桥电压空间矢量；将逆变器的电压空间矢量的末端作为整流桥输出电压空间矢量起点，通过矢量合成关系，获得绕组开放式电机绕组的合成电压。由于整流桥的电压空间矢量的非连续特性，导致绕组开放式永磁发电机绕组的电压空间矢量并非圆形，导致电机绕组中产生高次谐波。
为抑制整流桥非线性特性对发电机的影响，根据系统中电机绕组电流状态确定该时候整流桥输出的电压空间矢量，在转子磁场定向的dq坐标系中对该整流桥电压空间矢量进行投影分解，得到交、直轴分量U comd和U comq，投影公式为：
（1）
式中U comd、U comq为整流桥电压空间矢量的直、交轴分量；V L为整流桥的直流侧电压；θ L为整流桥电压空间矢量相角；θ e为电机转子位置角。
为消除整流桥的非线性特性对绕组开放式永磁发电机系统的影响，只要在系统控制过程中，通过逆变器的控制产生一组相反的U comd、U comq，补偿整流桥的输出，即可实现。因此系统控制过程中，将计算得到的U comd、U comq作为补偿量添加到逆变器的输出电压空间矢量中，由此获得绕组开放式永磁发电机系统的控制方法：将系统给定电压V L *与整流桥直流侧的反馈电压V L相比较，偏差值经过PI调节得到q轴电流给定值i q *，设置d轴电流给定值为零，再分别与电机绕组反馈电流相比较，经过电流调节器后，输出值减去整流桥电压矢量补偿值U comd和U comq，得到逆变器的给定电压矢量U d *和U q *，通过SVPWM模块获得逆变器的控制信号，构成具有矢量补偿功能的绕组开放式永磁发电机系统电压、电流的双闭环控制方法。
将系统给定电压V L *与整流桥直流侧的反馈电压V L相比较，偏差值经过PI调节得到q轴电流给定值i q *，设置d轴电流给定值为零，再分别与电机绕组反馈电流相比较，经过电流调节器后的输出值减去整流桥电压矢量补偿值U comd和U comq，得到逆变器的控制给定值U d *和U q *，通过SVPWM模块生成逆变器的驱动信号，控制逆变器抵消整流桥的电压空间矢量，构成具有矢量补偿功能的绕组开放式永磁发电机系统电压、电流的双闭环控制方法。
实施例二：
绕组开放式永磁发电机系统结构如图1所示。绕组开放式永磁发电机绕组端部一侧连接整流桥结合滤波电容构成整流侧给负载供电，另一侧通过逆变器与蓄电池相连构成逆变控制侧，控制器通过检测直流侧负载电压与给定电压构成电压外环，控制逆变侧输出，实现整流侧输出电压的控制，并且随着转速、负载变化稳定整流侧输出直流电压。当电流从发电机绕组流入整流桥时，整流桥的上桥臂导通，下桥臂截止；当绕组电流从整流桥流出时，整流桥对应的下桥臂导通，上桥臂截止。
根据发电机三相电流在整流桥中产生的六种导通状态，类似三相逆变器的电压空间矢量，定义整流桥的六个幅值相等、相位依次相差60°的六边形电压矢量如图2所示，图中以符号“+”、“–”标示发电机绕组电流的方向，“+”表示电机绕组输出电流，即整流桥对应桥臂流入电流；“–”表示电机绕组输入电流，即整流桥对应桥臂流出电流。该电压空间矢量的长度为2/3V L，V L为整流桥的直流侧电压，而相角θ L由整流桥的导通、截止状态也即发电机绕组电流的状态决定，对应关系为，当发电机绕组三相电流状态为+––时，对应的电压空间矢量1的相角为0°；电机绕组三相电流状态为+ +–时，对应的电压空间矢量2的相角为60°；电机绕组三相电流状态为–+–时，对应的电压空间矢量3的相角为120°；电机绕组三相电流状态为–+ +时，对应的电压空间矢量相角4的相角为180°；电机绕组三相电流状态为––+时，对应的电压空间矢量5的相角为240°；电机绕组三相电流状态为+–+时，对应的电压空间矢量6的相角为300°，构成以O点为中心的六边形ABCDEF的电压空间矢量。
将发电机绕组视作系统中逆变器、整流桥的负载，则发电机的绕组中的电压为逆变器和整流桥输出电压空间矢量的合成，即由整流桥的电压空间矢量与逆变器的电压空间矢量图相合成得到，对应着逆变器的电压空间矢量如图3所示，逆变器的电压矢量由器件的开关状态决定，图中以“1”表示桥臂上管开通，“0”表示桥臂下管开通，图中标示出不同开关状态下逆变器对应的输出电压矢量，矢量的长度为2/3V DC，其中V DC是逆变器直流侧的电压值，构成以O’点为中心的六边形GHIJKL电压空间矢量。系统中的电压空间矢量由图2和图3的电压矢量合成获得。由于整流侧电压矢量的构成与电流状态有关，所以系统电压矢量图也与电流状态有关，根据系统中发电机绕组的电流状态，分别将整流桥矢量的中心点O分别与对应的逆变器电压矢量的末端重合，如图4所示。首先根据发电机的转子位置后，逆变器输出相应的电压空间矢量；再根据当前发电机三相绕组电流的状态，确定该时刻的整流桥电压空间矢量；将逆变器的电压空间矢量的末端作为整流桥输出电压空间矢量的起点，通过矢量合成关系，获得绕组开放式电机绕组的合成电压。
为抑制整流桥输出电压空间矢量对发电机的影响，根据系统中电机绕组电流状态确定该时候整流桥输出的电压空间矢量，在转子磁场定向的dq坐标系中对该整流桥电压空间矢量进行投影分解，如图5所示，得到交、直轴分量U comd和U comq，投影公式为：
式中U comd、U comq为整流桥电压空间矢量的直、交轴分量；V L为整流桥的直流侧电压；θ L为整流桥电压空间矢量相角；θ e为电机转子位置角。
针对整流桥的电压空间矢量，相应的在逆变器控制中产生一组相反的电压矢量进行补偿，即可实现消除整流桥影响的控制，由此获得绕组开放式永磁发电机系统的控制方法，控制系统结构如图6所示，将系统给定电压V L *与整流桥直流侧的反馈电压V L相比较，偏差值经过PI调节得到q轴电流给定值i q *，设置d轴电流给定值为零，再分别与电机绕组反馈电流相比较，经过电流调节器后，输出值减去整流桥电压矢量补偿值U comd和U comq，得到逆变器的给定电压矢量U d *和U q *，通过SVPWM模块获得逆变器的控制信号，构成具有矢量补偿功能的绕组开放式永磁发电机系统电压、电流的双闭环控制方法。
实施例三：
将本发明提出的矢量补偿方法分别通过仿真和试验手段进行验证，其中控制器（DSP处理器）采用TI公司的TMS320F2812结合CPLD等外围芯片构成，电压电流检测电路通过运放进行调理之后送入DSP处理器的AD采样口，发电机的位置检测信号送入DSP处理器自带的QEP模块，逆变器采用三相桥式变换器拓扑，整流桥为三相不控整流桥，将传统永磁发电机的绕组中心点打开构成绕组开放式发电机，输出额定电压为168V，额定功率1.2kW。
控制器根据本发明提出的控制方法生成逆变器的驱动信号，控制逆变器实现系统控制功能。将仿真与实验结果分别与补偿之前的结果进行比较，波形如图7所示，补偿前如7a、7c与补偿后分别见7b、7d。可见补偿之前，由于绕组开放式永磁发电系统中整流桥的存在，发电机绕组中的电流受到整流桥的影响，存在较多的高次谐波，电流波形畸变比较严重，增加本发明提出的矢量补偿控制策略后，发电机绕组电流谐波被大幅削弱，可有效提高本系统中绕组开放式永磁发电机的运行效率。
Claims (2)
1.一种绕组开放式永磁发电机系统的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1）系统工作时，控制器采集发电机绕组三相电流状态和整流桥的直流侧电压，根据以下对应关系，确定当前整流桥电压空间矢量；
整流桥电压空间矢量与电流状态及整流桥的直流侧电压存在如下对应关系：
其中发电机绕组三相电流的六种状态，分别对应六个幅值相等、相位依次相差60°的整流桥电压空间矢量1~6，这6个电压空间矢量的长度均为2/3V L，V L为整流桥的直流侧电压，六种导通状态分别为：
第一种，发电机绕组三相电流状态为+––时，对应电压空间矢量1的相角为0°；
第二种，发电机绕组三相电流状态为++–时，对应电压空间矢量2的相角为60°；
第三种，发电机绕组三相电流状态为–+–时，对应电压空间矢量3的相角为120°；
第四种，发电机绕组三相电流状态为–++时，对应电压空间矢量4的相角为180°；
第五种，发电机绕组三相电流状态为––+时，对应电压空间矢量5的相角为240°；
第六种，发电机绕组三相电流状态为+–+时，对应电压空间矢量6的相角为300°；
其中，+表示电机绕组输出电流，整流桥对应桥臂流入电流；–表示电机绕组输入电流，整流桥对应桥臂流出电流；
2）将步骤1得到的电压空间矢量在转子磁场定向的dq坐标系中进行投影分解，得到交、直轴分量U comd和U comq，投影公式为：
（1）
式中，U comd、U comq为整流桥电压空间矢量的直、交轴分量；V L为整流桥的直流侧电压；θ L为整流桥电压空间矢量相角；θ e为电机转子位置角；
3）控制器根据步骤2得到的U comd、U comq，对逆变器产生一组SVPWM驱动信号，补偿量添加到逆变器的输出电压空间矢量中，实现对发电机绕组的电压空间矢量进行补偿控制。
2.根据权利要求1所述绕组开放式永磁发电机系统的控制方法，其特征在于，其具体控制过程如下：将系统给定电压V L *与整流桥直流侧的反馈电压V L相比较，偏差值经过PI调节得到q轴电流给定值i q *，设置d轴电流给定值为零，再分别与电机绕组反馈电流相比较，经过电流调节器后的输出值减去整流桥电压矢量补偿值U comd和U comq，得到逆变器的控制给定值U d *和U q *，通过SVPWM模块生成逆变器的驱动信号，控制逆变器抵消整流桥的电压空间矢量，构成具有矢量补偿功能的绕组开放式永磁发电机系统电压、电流的双闭环控制方法。
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