CN103281029B - 一种双级式矩阵变换器-同步发电机系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的双级式矩阵变换器-同步发电机系统的控制方法,通过对单向开关级电压调制比进行闭环控制,自动调节发电机励磁电流,在负载功率较小时减小发电机反电势幅值,使系统能够正常工作,拓宽负载功率范围,同时使变换器工作在较佳状态,提高系统运行性能。本发明控制思路简单,无需增加硬件电路,具有较高的创新意义与实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种双级式矩阵变换器-同步发电机系统,尤其涉及一种新型的双级式矩阵变换器-同步发电机系统的控制方法,属于矩阵变换器领域。
背景技术
与工业中广泛应用的交-直-交变换器相比,矩阵变换器具有能量双向流动、输入输出电流正弦、输入功率因数可控、结构紧凑易于集成等优点,具有“绿色变换器”的称号。其中,双级式矩阵变换器的换流控制和箝位电路均较简单,易于实现,是目前极具发展前景的交-交变换器之一。
由双级式矩阵变换器和同步发电机构成的发电系统结构如图1所示,包括负载1、LC滤波器2、双级式矩阵变换器3、同步发电机4、励磁变换器5、位置传感器6、电机电枢电流采样和电机励磁电流采样电路7、负载电压采样电路9、系统控制器8、驱动电路11。其中,LC滤波器由滤波电感Lf21和滤波电容Cf22构成,双级式矩阵变换器由双向开关级31、箝位电路32和单向开关级33构成,同步发电机4特指电励磁同步发电机,发电机可用电压源101(电机反电势us)和电感102(电枢电感Ls)串联的等效模型10表示。
这种结构将负载和LC滤波器置于双向开关级31,将电机置于单向开关级33,利用电机本身具有的电枢电感作为单向开关侧滤波电感,以简化系统的硬件组成,适合于起动/发电系统的发电状态。
该系统目前常采用的控制方法如图2所示,通过检测三相负载电压,进行abc/αβ变换并计算出负载电压幅值,与给定的负载电压幅值作差,偏差经过PI调节器得到q轴电流给定iq *。给定d轴电流id *=0,通过检测电机三相电枢电流并经过dq变换得到d轴电流id和q轴电流iq,分别与各自的给定值作差,偏差经过PI调节器得到uId和uIq,再经过dq/abc变换得到三相相电压uIA、uIB、uIC,进而计算出三相线电压uILA、uILB、uILC,再经过abc/αβ变换得到uILα、uILβ,计算出单向开关级调制比mv和单向开关级调制信号的相角θv,给定双向开关级调制比mc=1和双向开关级调制信号相角θc,结合mv和θv,经过双空间矢量调制算法产生变换器所需的PWM信号。电机位置传感器提供电机侧dq变换所需的角度信息。
双级式矩阵变换器采用双空间矢量调制算法时,具有如下电压约束关系:
其中,UIm为单向开关级相电压幅值,mc为双向开关级电流调制比,mv为单向开关级电压调制比,URm为双向开关级相电压幅值,为双向开关级功率因数角。滤波电容22产生容性无功电流,当负载有功功率较小时,功率因数很小,则UIm很小,若电机反电势us较大,则电枢电感102承受较大压差,使电枢电流过大,若不减小us幅值,将限制负载功率范围。
因此,图2所示的控制方法在负载较轻时,系统容易出现过流故障,无法正常运行。为保证系统正常运行,需调节电机励磁电流以减小电机反电势us。本发明提出一种新型的控制方法,该控制方法可以自动调节发电机励磁电流,在负载较小时降低励磁电流以减小电机反电势us,拓宽了负载功率范围。同时单向开关级的电压调制比给定为较佳值,提高系统运行性能。
发明内容
本发明的目的在于基于一种双级式矩阵变换器-同步发电机系统,针对其在较轻负载时需调节励磁电流的特点,提出一种新型的自动调节励磁电流的控制方法,以拓宽负载功率范围,同时使变换器工作在较佳状态。
本发明的具体技术方案如下:
一种双级式矩阵变换器-同步发电机系统的控制方法,该方法包括以下步骤:
1)负载电压幅值闭环控制;
2)发电机电枢电流闭环控制;
3)双向开关级和单向开关级调制;
其特征在于还包括:
4)单向开关级调制比mv闭环控制;
5)发电机励磁电流闭环控制;
其中步骤4)过程为:给定双级式矩阵变换器单向开关级的电压调制比mv *,与原系统闭环控制产生的实际mv作差产生Δmv,经PI调节得到励磁电流给定值if *:
其中,kmp和kmi为PI调节器的参数,s为复频域算子。
步骤5)过程为:检测发电机励磁电流if,与给定值if *作差,经PI调节器得到励磁电压给定值uf *:
其中,kfp和kfi为励磁电流PI调节器参数,s为复频域算子。再经过励磁变换器的PWM调制产生发电机所需的励磁电压uf。
上述双级式矩阵变换器-同步发电机系统的控制方法,
步骤4)中调制比给定值mv *与最小占空比dmin有关,两者的关系如下:
式中,k取2,dmin为系统受实际条件约束所限制的占空比最小值。
本发明相比现有技术具有如下有益效果:
(1)本发明通过闭环控制调节电机励磁电流,在较轻负载时自动减小励磁电流,降低电机反电势us幅值,实现系统正常工作,从而拓宽负载功率范围。
(2)本发明通过对单向开关级电压调制比进行闭环控制,使变换器工作在较佳状态,提高了系统波形质量和发电运行的性能。
附图说明
图1双级式矩阵变换器-电励磁同步电机发电系统结构;
图2发电系统现有的控制框图;
图3本发明提出的系统控制框图;
图4单向开关级调制比给定值mv *与dmin的关系图;
图5负载从1kW切换至100W时系统波形:(a)负载三相电压波形;(b)负载电压幅值波形;(c)发电机电枢电流波形;(d)单向开关级调制比波形;(e)发电机反电势波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提出的控制方法如图3所示,该方法对图1系统的具体控制过程分为以下5个部分:
(1)负载电压幅值闭环控制81:检测三相负载电压uLa、uLb、uLc,对其进行abc/αβ变换计算出uLα和uLβ,随后计算电压幅值uLm:
将其与给定值uLm *(期望的输出电压幅值)作差,偏差ΔuLm经负载电压PI调节器后得到发电机q轴电流给定值iq *:
其中,kvp和kvi为电压环PI参数,s为复频域算子。
(2)发电机电枢电流闭环控制82:d轴电流给定值id *为0,检测发电机的三相电枢电流iA、iB、iC,经过abc/dq变换后得到d轴电流id和q轴电流iq,id和iq分别与给定值id *和iq *作差产生Δid和Δiq,经发电机电枢电流PI调节器得到单向开关级调制信号相电压dq分量uId和uIq:
其中,kip和kii为电流环PI参数,s为复频域算子。经过dq/abc变换计算出调制信号的三相相电压uIA、uIB、uIC,并计算三相线电压uILA、uILB、uILC:
三相线电压再经abc/αβ变换计算出uILα和uILβ,随后计算出单向开关级电压空间矢量的电压调制比mv及相角θv:
其中,mv即为单向开关级目标电压矢量的长度与直流母线电压大小的比值,θv为目标电压矢量在αβ坐标系下的相角。udc为直流母线电压,可由下式估算:
mc(一般可取1)为双向开关级电流调制比,为双向开关级功率因数角。
(3)双向开关级和单向开关级调制83:双向开关级采用电流空间矢量调制算法,变换器的控制自由度多,给定电流调制比mc=1(一般可取1)可简化调制算法,给定相角θc:
θc=2πfLt (7)
其中,fL为给定的负载电压频率,t为时间。mc=1表明目标电流矢量的长度与直流母线电流大小相等。θc即为双向开关级电流矢量在αβ坐标系下的相角。
由θc判断出电流矢量所在的扇区,并计算出电流矢量扇区角θcm,进而计算出双向开关级电流矢量所在扇区与之相邻的非零矢量和零矢量作用的占空比:
dm1、dn1、d01分别为电流矢量所在扇区与之相邻的非零矢量和零矢量作用的占空比。
单向开关级采用电压空间矢量调制算法,单向开关级的调制过程与双向开关级的类似,由(2)中得到的θv判断出电压矢量所在的扇区,并计算出电压矢量扇区角θvm,进而计算出单向开关级电压矢量所在扇区与之相邻的非零矢量和零矢量作用的占空比:
dm2、dn2、d02分别为电压矢量所在扇区与之相邻的非零矢量和零矢量作用的占空比。
经过双空间矢量调制后,双向开关级和单向开关级的PWM信号经过驱动电路提供给IGBT。
(4)单向开关级调制比mv闭环控制84:
给定一个mv *将发电机电流闭环控制产生的mv与mv *作差产生Δmv,经单向开关级调制比PI调节器得到励磁电流给定
其中,kmp和kmi为单向开关级调制比PI调节器的参数,s为复频域算子。
由于系统受IGBT非理想特性的影响,IGBT驱动信号的占空比不能低于某个值,否则系统的稳定性会受到影响,输出波形质量也会变差。当调制比mv接近于0时,非零矢量作用的时间很短,系统稳定性和输出波形质量会变差;当mv接近于1时,零矢量作用的时间很短,系统稳定性和输出波形质量同样也会变差。所以,单向开关级调制比给定值mv *应该取一个较为合适的值,既不能过大,也不能过小。单向开关级电压调制比给定值mv *与系统受实际条件约束所限制的占空比最小值有关。设dmin为系统受实际条件约束所限制的占空比最小值,dmin值可以如何确定。不同的dmin对应不同的mv *借助Matlab软件可作出两者的关系图,如图4所示。由图4可知,mv *与dmin近似成一次函数关系:
其中系数k约为2,mv *的值可由式(11)确定。
(5)发电机励磁电流闭环控制85:检测发电机励磁电流if,与(4)获得的给定值if *作差产生Δif,经励磁电流PI调节器得到励磁电压给定值uf *:
其中,kfp和kfi为励磁电流PI调节器参数,s为复频域算子。再经过励磁变换器的PWM调制产生发电机所需的励磁电压uf。
经过这样的系统闭环控制,无论负载如何变化,单向开关级的实际电压调制比mv均能达到给定值mv *当负载较轻时系统能够自动减小励磁电流进而减小发电机反电势电压us幅值,使系统能够正常工作。若mv *的值由式(11)所得,此时变换器工作在较佳状态,从而提高了系统波形质量和系统发电运行的性能。
下面介绍本发明的一个仿真实例。
在Matlab/Simulink中搭建如图1所示的仿真模型,并对本发明方法进行仿真验证。
mv *取0.8,负载相电压幅值给定值uLm *为162.6V。在0.7s时负载从1kW切换为100W。仿真结果如图5所示,其中图5(a)为三相负载电压波形,图5(b)为负载电压幅值,图5(c)为发电机电枢电流波形,图5(d)为单向开关级电压调制比,图5(e)为发电机反电势波形。
由仿真结果可知,负载从1kW切换为100W时,负载电压幅值uLm依然能够达到给定的162.6V,发电机反电势幅值自动减小,单向开关级的调制比mv在负载切换前后均能达到给定的0.8。
仿真结果表明:本发明提出的控制方法,能够使得系统在负载较轻时正常工作,拓宽了负载功率范围,同时使变换器工作在较佳状态,提高了系统运行性能。
Claims (2)
1.一种双级式矩阵变换器-同步发电机系统的控制方法,该方法包括以下步骤:
1)负载电压幅值闭环控制;
2)发电机电枢电流闭环控制;
3)双向开关级和单向开关级调制;
其特征在于,该方法还包括以下步骤:
4)单向开关级调制比mv闭环控制;
5)发电机励磁电流闭环控制;
其中步骤4)过程为:给定双级式矩阵变换器单向开关级的电压调制比mv *,与系统闭环控制产生的实际mv作差产生Δmv,经单向开关级调制比PI调节器得到励磁电流给定值if *:
其中,kmp和kmi为PI调节器的参数,s为复频域算子;
步骤5)过程为:检测发电机励磁电流if,与给定值if *作差,经励磁电流PI调节器得到励磁电压给定值uf *:
其中,kfp和kfi为励磁电流PI调节器参数,s为复频域算子;再经过励磁变换器的PWM调制产生发电机所需的励磁电压uf。
2.根据权利要求1所述的双级式矩阵变换器-同步发电机系统的控制方法,其特征在于:
步骤4)中调制比给定值mv *与最小占空比dmin两者的关系如下:
式中,k取2,dmin为系统受实际条件约束所限制的占空比最小值。
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