CN103427742B - 一种绕组开路式混合励磁电机发电系统及其能量分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种绕组开路式混合励磁电机发电系统及其能量分配方法。本发明发电系统包含励磁绕组电流控制系统，该系统包含蓄电池电流传感器、励磁电流控制变换器、励磁绕组和励磁绕组电流回环控制电路；本发明能量分配方法对较蓄电池输出电流和蓄电池期望输出电流的差值作比例积分调节，再与励磁绕组电流比较，产生励磁电流控制变换器的开关状态，控制励磁电流，实现蓄电池能量和内燃机能量的有效控制，扩大了混合动力汽车高效率区域运行范围。本发明只需要调节励磁电流即可实现蓄电池能量和内燃机能量的有效控制，励磁电流控制变换器承担的能量损耗为励磁绕组的铜耗，无功损耗等级小，系统成本低。

Description

一种绕组开路式混合励磁电机发电系统及其能量分配方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，尤其是涉及一种绕组开路式混合励磁电机发电系统及其能量分配方法。

背景技术

混合动力汽车是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或共同提供。因各个组成部件、布置方式和控制策略的不同，形成了多种分类形式。混合动力车辆的节能、低排放等特点引起了汽车界的极大关注并成为目前汽车研究与开发的一个重点。混合动力汽车优点如下：（1）采用复合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。（2）因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。（3）在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现"零"排放。（4）有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。（5）可以利用现有的加油站加油，不必再投资。（6）可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。（7）动力性优于同排量的传统内燃机汽车，尤其是在车辆起步加速时，电动机可以有效地弥补内燃机低转速扭矩力不足的弱点，而且有效的减少了汽车内部的机械的噪音。

作为混合动力汽车的关键系统，起动发电系统应具有能量密度高、转速范围宽、混合动力能量分配易于调节的特点。其发电机的拓扑结构和控制方法对系统性能影响很大。异步电机、开关磁阻电机、电励磁同步电机、电励磁双凸极电机、电励磁磁通切换电机具有良好的磁场调节能力和电压调节能力，可以作为发电机来使用。然而在效率和能量密度等指标上，以上电机要逊色于永磁电机。专利《绕组开路型永磁电机车载起动发电系统及控制方法（201010500053.1）》和《一种故障容错性永磁发电系统及其控制方法（201210074758.0）》公布了一种绕组开路型永磁电机车载起动发电系统及控制方法，所述系统由绕组开路型永磁电机、三相整流桥、三相桥式变换器、切换开关、滤波电容、蓄电池、控制器、电压电流检测电路、驱动电路及负载组成。所述方法绕组开路型永磁电机绕组端部一侧通过三相整流桥和滤波电容构成整流侧给负载供电，另一侧通过三相桥式变换器与蓄电池相连构成逆变控制侧，通过切换开关实现起动、发电运行状态切换，起动控制采用单电流闭环矢量控制，发电运行采用整流侧直流电压、电机相电流双闭环控制，实现输出电压稳定和发电机高效率运行控制。

然而，专利《绕组开路型永磁电机车载起动发电系统及控制方法（201010500053.1）》和《一种故障容错性永磁发电系统及其控制方法（201210074758.0）》公布的系统存在着蓄电池能量不可控的不足。文献《一种新型绕组开路型永磁电机起动/发电系统，中国电机工程学报，2011，Vol.31(36):86-94》指出发电机高速运行而发电系统轻载时，蓄电池一直处于充电状态，且充电能量不可控；而发电机低速运行而发电系统重载时，蓄电池一直处于放电状态，且放电能量不可控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,针对绕组开路永磁发电机系统中蓄电池能量和发动机（内燃机）能量的有效调节问题，提出了一种绕组开路式混合励磁电机发电系统及其能量分配方法。本发明保持了发电机系统功率因数高的优点，不增加系统有功功率变换器数量，实现内燃机能量与蓄电池（燃料电池、太阳能电池）能量的有效调节，扩大了混合动力汽车高效率区域运行范围。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种绕组开路式混合励磁电机发电系统，包括绕组开路式混合励磁电机、三相二极管不控整流桥、三相桥式逆变器、励磁电流控制变换器、第一滤波电容、第二滤波电容、蓄电池、输出电压传感器、转子位置传感器；

所述绕组开路式混合励磁电机的三相电枢绕组设置电枢电流传感器，绕组开路式混合励磁电机的励磁绕组设置励磁电流传感器；所述蓄电池的输出端设置蓄电池电流传感器；

所述绕组开路式混合励磁电机三相电枢绕组的一端依次串联三相二极管不控整流桥、第一滤波电容、负载和输出电压传感器，绕组开路式混合励磁电机三相电枢绕组的另一端通过三相桥式逆变器分别与第二滤波电容和蓄电池连接；

所述绕组开路式混合励磁电机采用单相励磁绕组，励磁绕组的两端分别与励磁电流控制变换器的两个桥臂中点连接；所述励磁电流控制变换器输入端与蓄电池连接；绕组开路式混合励磁电机的转子通过发动机的转轴与转子位置传感器连接；

由绕组开路式混合励磁电机的转子位置信息，获得每相电枢绕组空载反电势相位，设定每相电枢绕组电流的相位与每相电枢绕组空载反电势相位相同；通过输出电压传感器得到实际输出电压数值，期望输出电压与实际输出电压相减的差值经过比例积分调节器后，得到电枢绕组电流的期望幅值，由每相电枢绕组电流的相位和电枢绕组电流的期望幅值得到电枢绕组电流的期望值；比较电枢绕组电流的期望值与电枢电流传感器测得的电枢绕组电流，得到开关状态，控制三相桥式逆变器，实现电枢电流的闭环控制，从而实现实际输出电压与期望输出电压的无静差控制。

一种绕组开路式混合励磁电机发电系统的能量分配控制方法，具体过程如下：

步骤A，蓄电池电流传感器得到蓄电池输出电流，根据蓄电池电压和能量分配指令确定蓄电池期望输出电流；

步骤B，蓄电池期望输出电流与蓄电池输出电流的差值经过比例积分调节器后，得到绕组开路式混合励磁电机励磁绕组的期望电流；

步骤C，通过励磁电流传感器获得励磁绕组电流，比较励磁绕组的期望电流和励磁绕组电流，产生励磁电流控制变换器的开关状态，实现励磁电流的闭环控制，从而实现绕组开路式混合励磁电机发电系统的能量分配控制。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种绕组开路式混合励磁电机发电系统及其能量分配方法。本发明发电系统包含励磁绕组电流控制系统，该系统包含蓄电池电流传感器、励磁电流控制变换器、励磁绕组和励磁绕组电流回环控制电路；本发明能量分配方法对较蓄电池输出电流和蓄电池期望输出电流的差值作比例积分调节，再与励磁绕组电流比较，产生励磁电流控制变换器的开关状态，控制励磁电流，实现蓄电池能量和内燃机能量的有效控制，扩大了混合动力汽车高效率区域运行范围。本发明只需要调节励磁电流即可实现蓄电池能量和内燃机能量的有效控制，励磁电流控制变换器承担的能量损耗为励磁绕组的铜耗，无功损耗等级小，系统成本低。

附图说明

图1是本发明系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种绕组开路式混合励磁电机发电系统及其能量分配方法进行详细说明：

如图1所示，蓄电池的两个输出端并联上第二滤波电容C₂，第二滤波电容C₂的两端再并联在三相全桥逆变器的母线上，三相全桥逆变器的三个桥臂中点分别与绕组开路式混合励磁电机三相电枢绕组一端连接；三相电枢绕组的另一端分别与三相二极管不控整流电路的三个桥臂中点相连，三相二极管不控整流电路的母线两端并联第一滤波电容C₁，第一滤波电容C₁两端分别与发电系统的负载和输出电压传感器并联；利用输出电压传感器获得输出电压的数值，将期望输出电压与输出电压相减，所得差值依次经过比例环节、积分环节、限幅环节，得到绕组开路式混合励磁电机电枢绕组电流期望幅值绕组开路式混合励磁电机三相电枢绕组电流的期望值如式（1）所示：

式（1）中，θ为绕组开路式混合励磁电机空载反电势综合矢量与绕组开路式混合励磁电机两相静止αβ坐标系中α轴的夹角，θ的数值由绕组开路式混合励磁电机转子位置传感器获得。

三相电枢电流传感器分别为s3,s4,s5，由三相电枢电流传感器分别得到绕组开路式混合励磁电机三相电枢绕组电流的实际值I_a，I_b，I_c，将绕组开路式混合励磁电机三相电枢绕组电流的期望值与绕组开路式混合励磁电机三相电枢绕组电流的实际值I_a，I_b，I_c做差，所得差值如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{I}_a=I_a^{*}-I_a\\ \mathrm{\Δ}{I}_b=I_b^{*}-I_b\\ \mathrm{\Δ}{I}_c=I_c^{*}-I_c\end{array}\right.---\left(2\right)$

当ΔI_a≥0时，三相全桥逆变器第一开关管g1开关状态为1，三相全桥逆变器第二开关管g2开关状态为0，

当ΔI_b≥0时，三相全桥逆变器第三开关管g3开关状态为1，三相全桥逆变器第四开关管g4开关状态为0，

当ΔI_c≥0时，三相全桥逆变器第五开关管g5开关状态为1，三相全桥逆变器第六开关管g6开关状态为0，

当ΔI_a<0时，三相全桥逆变器第一开关管g1开关状态为0，三相全桥逆变器第二开关管g2开关状态为1，

当ΔI_b<0时，三相全桥逆变器第三开关管g3开关状态为0，三相全桥逆变器第四开关管g4开关状态为1，

当ΔI_c<0时，三相全桥逆变器第五开关管g5开关状态为0，三相全桥逆变器第六开关管g6开关状态为1，

为控制蓄电池向负载提供的能量，利用蓄电池电流传感器s1获得蓄电池电流实际值I_cell，蓄电池电流期望值与蓄电池电流实际值I_cell作差，所得差值依次经过比例环节、积分环节、限幅环节，得到绕组开路式混合励磁电机励磁绕组电流的期望值利用励磁电流传感器s2获得励磁电流的实际值I_e，将励磁绕组电流的期望值与励磁电流的实际值I_e作差，所得差值为

当ΔI_e≥0时，励磁电流控制变换器第一开关管k1、第四开关管k4的开关状态均为1，励磁电流控制变换器第二开关管k2、第三开关管k3的开关状态均为0，

当ΔI_e<0时，励磁电流控制变换器第一开关管k1、第四开关管k4的开关状态均为0，励磁电流控制变换器第二开关管k2、第三开关管k3的开关状态均为1，

蓄电池电流期望值的确定方法如下：

1）若需要蓄电池向负载提供能量为P₁（P₁为正值），则定义蓄电池电流期望值U_cell为蓄电池电压；

2）若需要蓄电池只为三相全桥逆变器提供母线电压，不吸收能量，也不输出能量，则定义蓄电池电流期望值

3）若需要蓄电池从电机吸收能量为P₁（P₁为正值），则定义蓄电池电流期望值U_cell为蓄电池电压；

本发明在绕组开路型永磁电机发电系统的基础上，在保证发电机系统功率因数高的优点，不增加系统主功率变换器数量的前提下，提出绕组开路式混合励磁电机发电系统及其能量分配方法，蓄电池电流比例积分环节的输出为绕组开路式混合励磁电机励磁电流期望值，通过励磁电流（无功电流）极性和大小的控制来实现蓄电池（燃料电池、太阳能电池）能量和内燃机能量的有效调节和控制，实现了通过无功电流对不同动力源之间有功功率的匹配调节，将会扩大混合动力汽车高效率区域运行范围。在实现系统有功能量分配控制的同时，所需要调节的是励磁电流（无功电流），所需要的励磁电流控制器承担的是励磁绕组的铜耗，功率等级小，系统成本低。

Claims (2)

1.一种绕组开路式混合励磁电机发电系统，其特征在于，包括绕组开路式混合励磁电机、三相二极管不控整流桥、三相桥式逆变器、励磁电流控制变换器、第一滤波电容、第二滤波电容、蓄电池、输出电压传感器、转子位置传感器；

所述绕组开路式混合励磁电机的三相电枢绕组设置电枢电流传感器，绕组开路式混合励磁电机的励磁绕组设置励磁电流传感器；所述蓄电池的输出端设置蓄电池电流传感器；

所述绕组开路式混合励磁电机三相电枢绕组的一端依次串联三相二极管不控整流桥、第一滤波电容、负载和输出电压传感器，绕组开路式混合励磁电机三相电枢绕组的另一端通过三相桥式逆变器分别与第二滤波电容和蓄电池连接；

所述绕组开路式混合励磁电机采用单相励磁绕组，励磁绕组的两端分别与励磁电流控制变换器的两个桥臂中点连接；所述励磁电流控制变换器输入端与蓄电池连接；绕组开路式混合励磁电机的转子通过发动机的转轴与转子位置传感器连接；

为控制蓄电池向负载提供的能量，利用蓄电池电流传感器获得蓄电池电流实际值，蓄电池电流期望值与蓄电池电流实际值作差，所得差值依次经过比例环节、积分环节、限幅环节，得到绕组开路式混合励磁电机励磁绕组电流的期望值，利用励磁电流传感器获得励磁电流的实际值，将励磁绕组电流的期望值与励磁电流的实际值作差，以所得差值为依据，控制励磁电流控制变换器各个开关管的开关状态，进而实现励磁绕组的励磁电流控制；

所述蓄电池电流期望值确定方法如下：

若需要蓄电池向负载提供能量为一正值，则定义蓄电池电流期望值等于该正值除以蓄电池电压所得到的结果；

若需要蓄电池只为三相全桥逆变器提供母线电压，不吸收能量，也不输出能量，则需要蓄电池向负载提供能量为0，定义蓄电池电流期望值等于零；

若需要蓄电池从电机吸收能量为一正值，则定义蓄电池电流期望值等于该正值除以蓄电池电压所得到的结果的相反数；

由绕组开路式混合励磁电机的转子位置信息，获得每相电枢绕组空载反电势相位，设定每相电枢绕组电流的相位与每相电枢绕组空载反电势相位相同；通过输出电压传感器得到实际输出电压数值，期望输出电压与实际输出电压相减的差值经过比例积分调节器后，得到电枢绕组电流的期望幅值，由每相电枢绕组电流的相位和电枢绕组电流的期望幅值得到电枢绕组电流的期望值；比较电枢绕组电流的期望值与电枢电流传感器测得的电枢绕组电流，得到开关状态，控制三相桥式逆变器，实现电枢电流的闭环控制，从而实现实际输出电压与期望输出电压的无静差控制。

2.一种如权利要求1所述绕组开路式混合励磁电机发电系统的能量分配控制方法，其特征在于，具体过程如下：

步骤A，蓄电池电流传感器得到蓄电池输出电流，根据蓄电池电压和能量分配指令确定蓄电池期望输出电流；

步骤B，蓄电池期望输出电流与蓄电池输出电流的差值经过比例积分调节器后，得到绕组开路式混合励磁电机励磁绕组的期望电流；

步骤C，通过励磁电流传感器获得励磁绕组电流，比较励磁绕组的期望电流和励磁绕组电流，产生励磁电流控制变换器的开关状态，实现励磁电流的闭环控制，从而实现绕组开路式混合励磁电机发电系统的能量分配控制。