CN104320027B - 并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法，负载电压给定值V_L ^*和实际负载电压V_L比较后得到误差信号，将误差信号经过PI调节后得到q轴的给定电流i_q ^*，而d轴的给定电流i_d ^*和零轴的给定电流i₀ ^*均为0；采集永磁发电机的三相电流信号，并经过Clarke变换和Park变换后分别得到d、q、零轴的实际电流i_d、i_q和i₀，d、q、零轴的给定电流和实际电流比较后经过PI调节后得到d、q、零轴电压U_id、U_iq­和U_i0，综合整流桥补偿电压值实施补偿。本发明抑制系统中直流侧并联产生的零序电流以及整流桥的非线性产生的其他奇次谐波，实现并联式绕组开放式永磁发电机系统的高效率运行。

Description

并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法

技术领域

本发明属于发电机控制领域，特别涉及了并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法。

背景技术

永磁同步发电机由于其效率高、功率密度大、结构简单等优点，在风力发电系统和车载电源系统中具有广泛的应用。但是永磁同步发电机由于永磁体的气隙磁场调节困难，使得绕组的端电压难以控制。传统的永磁同步发电机系统采用三相PWM整流器控制，而PWM整流器为升压型变换器，为了使得输出电压可控，发电机的线电压必须小于输出电压，从而限制了发电机的最大转速运行范围。

为了扩展发电机的运行转速范围，常采用的方法有：（1）弱磁控制技术，在d轴注入反向电流使得发电机绕组上产生与永磁体磁场方向相反的磁场，以削弱主磁场的强度。该方法虽然在一定程度上能够扩展发电机转速，但是当定子电流一定时，由于d轴电流分量的增加，会使得有功功率下降，从而降低了电机的运行效率，在相同输出功率等级时，会增加系统的容量，并且该方法需要产生的定子磁场在削弱主磁通的同时会使得永磁体造成永久退磁。（2）混合励磁结构，在原来永磁体结构的基础上增加了励磁绕组构成混合励磁电机，在高速的时候通过改变励磁绕组中的电流从而达到弱磁升速的目的。该方法既保持了永磁电机原有的优点，并且在一定范围内能够提高发电机的运行范围，但是增加的励磁绕组会降低发电机的功率密度，并且使得发电机的结构设计复杂，目前这项技术仍在研究中，仍有许多问题亟待解决。（3）双转子永磁发电机结构，该结构在常规的永磁同步电机基础上使得原静止不动的定子也可相对于电机机座自由旋转（视为外转子），原转子称为内转子，相当于有两个转子，并且这两个转子受到的电磁转矩的大小相等，方向相反，但两个转子的摩擦系数和拖动转矩不同时，内外转子的输出功率和转速也不同，同步转速相当于两个转子的相对转速，通过改变内外转子的相对转速以拓宽电机的运行范围，但外转子绕组通过滑环引出，降低了系统的可靠性，并且双转子电机结构复杂，电机设计难度较大，目前仍处于研究阶段。因此，研究如何保留永磁同步发电机原有的优点，并能够有效地克服其存在的调压困难和适用转速范围窄的问题十分紧迫。

传统三相PWM整流器永磁发电机系统，绕组多采用星形连接方式，这种结构能够避免绕组中流过零序电流，是应用最广泛的一种拓扑。在1989年，随着Isao Takahashi提出一种开放式绕组结构，绕组开放式拓扑逐渐得到了人们广泛的关注，许多学者、专家们主要针对异步电机的绕组开放式拓扑研究其变换器结构、SVPWM调制策略以及系统控制策略等。2011年南京航空航天大学提出一种新型的车载起动/发电系统，该系统由绕组开放式永磁同步电机、逆变器、整流桥和蓄电池构成，并提出了起动/发电一体化控制策略。在此基础上，将逆变级的蓄电池省去，并将整流桥和逆变器的直流侧并联构成一种并联式绕组开放式永磁同步发电机系统，这样可以进一步简化发电系统结构，降低系统成本。但是由于并联式结构中整流桥和逆变器的直流侧并联导致电路中产生了零序电流的流通路径，而零序电流不仅会增加系统的损耗和变换器的容量，还会引起电机轴承损坏。因此，在研究并联式拓扑的调压控制策略时必须考虑零序电流的抑制问题。

为了抑制电路中的零序电流，目前绕组开放式系统中零序电流的抑制方法主要有以下三种：（1）硬电路抑制法，增加四个辅助开关，并控制其互补导通，从而不产生零序电流的流通路径。该方法不仅成本高，而且实现复杂。（2）矢量重新分配法，采用电压空间矢量调制时，通过改变零矢量的作用时间，使得在一个开关周期内两个变换器零序电压的伏秒积之和相等，这种方法不仅算法复杂，并且不能保证完全消除零序电流。（3）零序补偿器法，通过锁相环对零序电流的相位和幅值进行跟踪并补偿，但是零序补偿器设计复杂，参数选取较难，而且补偿效果易受调节器参数的影响。该并联式拓扑与常规的双逆变器拓扑相比，将双逆变器拓扑中的一个逆变器换成了整流桥，由于整流桥的存在，导致相电流中存在6n±1次谐波，并且由于直流侧母线的并联，提供了零序电流流通路径，使得电路中流过与零序电流相关的3·（2n-1）次谐波，系统控制方法实现过程中必须抑制这两类谐波。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的技术问题，本发明旨在提供并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法，以抑制系统中直流侧并联产生的零序电流以及整流桥的非线性产生的其他奇次谐波，实现并联式绕组开放式永磁发电机系统的高效率运行。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法，包含外环控制和内环控制，所述外环控制采用电压闭环控制，负载电压给定值V_L ^*和实际负载电压V_L比较后得到误差信号，将误差信号经过PI调节后得到q轴的给定电流i_q ^*，而d轴的给定电流i_d ^*和零轴的给定电流i₀ ^*均为0；所述内环控制采用电流环控制，采集永磁发电机的三相电流信号，并经过Clarke变换和Park变换后分别得到d、q、零轴的实际电流i_d、i_q和i₀，d、q、零轴的给定电流和实际电流比较后经过PI调节器得到d、q、零轴电压U_{i d}、U_{i q}­和U_{i 0}，再综合整流桥补偿电压值实施SPWM补偿策略。

其中，整流桥补偿电压值的获得方法为：将整流桥直流侧的滤波电容的中点定义为地，当永磁发电机的某相电流流入整流桥的时候，整流桥的上桥臂导通，整流桥的相电压为V_L/2，当永磁发电机的某相电流流出整流桥的时候，整流桥的下桥臂导通，整流桥的相电压为-V_L/2，通过检测三相电流值并判定电流方向，从而获得整流桥三相电压值U_ra、U_rb和U_rc，将获得的整流桥三相电压值经过坐标变换后即得到整流桥补偿电压值。

其中，SPWM补偿策略的实现过程为：将整流桥三相电压U_ra、U_rb和U_rc经过Clarke变换得到U_{r α}、U_{r β}和U_r0，再经过Park变换得到U_rd、U_rq和U_r0，将得到的U_rd、U_rq和U_r0分别补偿到d、q、零轴的PI调节器的输出端，得到d、q、零轴的给定电压U_d ^*、U_q­^*和U₀ ^*，U_d ^*、U_q­^*和U₀ ^*经过逆Park和逆Clarke变换得三相电压作为SPWM调制波，并与载波交截后产生逆变器的开关信号。

其中，上述载波为双极性三角载波。

其中，上述双极性三角载波的频率为20KHz。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明针对并联式绕组开放式拓扑采用SPWM策略对零序电流进行抑制，并在此基础上对整流桥侧进行补偿，从而进一步抑制系统中的零序电流，并对相电流中存在的其他奇数次谐波进行抑制。

附图说明

图1是本发明针对的并联式绕组开放式永磁发电机系统的结构图。

图2是很本发明的控制方法示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明针对并联式绕组开放式永磁发电机系统，如图1所示。它由绕组开放式永磁发电机、整流桥、逆变器、控制器和驱动电路等组成。其中绕组开放式永磁发电机绕组两端部分别连接整流桥和逆变器，并将整流桥和逆变器的直流侧并联，直流侧输出经过电容滤波后给负载供电。控制器通过检测直流侧负载电压和转子的位置，从而实现负载的稳压控制。为解决系统中存在的零序电流问题，需要结合系统的工作原理得到整流桥侧补偿的电压值，以实现补偿控制。

在系统中由于直流侧的并联，根据基尔霍夫电流定律，三相电流之和不等于零，因此三相绕组互相解耦，将并联式发电系统等效成三个独立的半控式H桥结构，因此，需要安装三个电流传感器分别对永磁发电机的三相电流进行检测。将负载的中点定义为参考点，当永磁发电机的三相电流流入整流桥时，整流桥的上桥臂导通，下桥臂关断，此时整流桥电压为正，且为负载电压的二分之一；当相永磁发电机的三相电流流出整流桥时，整流桥的上桥臂关断，下桥臂导通，整流桥电压为负，且为负载电压的二分之一。

常规的SVPWM由于其马鞍形的调制波中含有零序分量，当并联式拓扑采用SVPWM策略的时候，会促进绕组中零序电流的流动，因此本系统中采用SPWM调制策略。外环采用电压环，将采样得到的负载电压与给定的电压进行比较，并对误差进行PI调节得到q轴电流的给定值。由于并联式的结构特点，充分考虑零序电流的问题，电流内环中加入零序电流调节环路，内环电流环为d、q、零轴电流三环PI调节，d轴和零轴的电流给定值为0，将d、q、零轴给定电流与实际电流经过比较后得到的误差经过调节后得到d、q、零轴电压。

由于并联式拓扑中整流桥的存在，逆变器端电压可等效为相发电机的相电压与整流桥侧电压之和，与常规的三相PWM整流器发电系统相比，逆变器的输出电压多了整流桥侧的电压影响，相当于采用SPWM调制时，调制波受到了整流桥侧电压的影响。当相电流流入整流桥时，并联式绕组开放式拓扑的调制波相当于在正弦波的基础上沿着坐标轴纵轴的正方向偏移了负载电压的二分之一；当相电流流出整流桥时，并联式绕组开放式拓扑的调制波相当于在正弦波的基础上沿着坐标轴纵轴的负方向偏移了负载电压的二分之一，造成了调制波呈非正弦。由于调制波的非正弦，经过Clarke和Park变换得到的d、q、零轴的电压值必然为波动量，使得电流环调节器的输出产生波动量，影响系统调节的性能，为此必须对调节器的输出进行补偿，使得调节器能够稳定工作。补偿时需要将上面得到的三相整流桥端电压经过Clarke变换和Park变换得到整流桥侧电压在d、q、零轴坐标系中电压值，将得到的整流桥在d/q/0坐标系中的电压补偿至d、q、零轴电流调节器的输出端，得到补偿后d、q、零轴电压的给定值，经过逆Park变换和逆Clarke变换得到三相调制波，并与载波交截后得到开关信号。

本发明控制方法如图2所示，其具体实施步骤为：

（1）设定d_A、d_B和d_C为上一次电流方向判定的存储标志位，设定电流比较的上下门限分别为i_up和i_down；

（2）采样负载电压V_L和三相电流i_a、i_b和i_c；

（3）以A相为例，当A相电流i_a大于上限幅值i_up，并且A相的标志位d_A大于0时，整流桥侧的电压U_ra记为V_L/2；当A相电流i_a小于下限幅值i_down，并且A相的标志位d_A小于0时，整流桥侧的电压U_ra记为-V_L/2；否则不予以补偿。同理可以计算出B相和C相的整流桥侧补偿电压U_rb和U_rc；

（4）将得到的整流桥侧的电压U_ra，U_rb和U_rc经过Clarke变换得到α/β/0坐标系下的电压U_{r α}、U_{r β}和U_r0，再经过Park变化得到d/q/0坐标系下的电压U_rd、U_rq和U_r0；

（5）将给定的电压V_L ^*和采样得到的实际负载电压V_L比较并经过PI调节后得到q轴电流的给定值i_q ^*，内环为d、q、零轴电流环，将d轴和零轴电流的给定值设为0，将三个电流环经过PI调节后得到d、q、零轴的电压U_id、U_iq和U_i0；

（6）将整流桥侧的d、q、零轴电压补偿到三个PI调节器的输出端U_id、U_iq和U_i0，得到SPWM调制时给定的d、q、零轴电压U_d ^*、U_q ^*和U₀ ^*，将U_d ^*、U_q ^*和U₀ ^*经过逆Park变换和逆Clarke变换得到三相调制波U_a ^*、U_b ^*和U_c ^*，与20KHz的双极性三角载波交截后产生逆变器的开关信号；

（7）当i_a大于上门限电流i_up时，标志位d_A记为0.5；当i_a小于下门限电流i_down时，标志位d_A记为-0.5；否则标志位d_A记为0。同理可以得到B相和C相标志位的值d_B和d_C，并对这三个标志位的值进行存储；

（8）重复步骤（2）至（7）进行补偿和控制。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法，其特征在于：包含外环控制和内环控制，所述外环控制采用电压闭环控制，负载电压给定值V_L ^*和实际负载电压V_L比较后得到误差信号，将误差信号经过PI调节后得到q轴的给定电流i_q ^*，而d轴的给定电流i_d ^*和零轴的给定电流i₀ ^*均为0；所述内环控制采用电流环控制，采集永磁发电机的三相电流信号，并经过Clarke变换和Park变换后分别得到d、q、零轴的实际电流i_d、i_q和i₀，d、q、零轴的给定电流和实际电流比较后经过PI调节器得到d、q、零轴电压U_id、U_iq和U_i0，再综合整流桥补偿电压值实施SPWM补偿策略；所述整流桥补偿电压值的过程为，将整流桥直流侧的滤波电容的中点定义为地，采样三相电流i_a、i_b和i_c，当其中某相电流值大于预先设定的上限幅值i_up，且该相电流流入整流桥时，整流桥该相电压值为V_L/2，当其中某相电流值小于预先设定的下限幅值i_down，且该相电流流出整流桥时，整流桥该相电压值为-V_L/2，将获得的整流桥三相电压U_ra、U_rb和U_rc经过坐标变换后得到整流桥补偿电压值。

2.根据权利要求1所述并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法，其特征在于：所述SPWM补偿策略的实现过程为，将整流桥三相电压U_ra、U_rb和U_rc经过Clarke变换得到U_rα、U_rβ和U_r0，再经过Park变换得到U_rd、U_rq和U_r0，将得到的U_rd、U_rq和U_r0分别补偿到d、q、零轴的PI调节器的输出端，得到d、q、零轴的给定电压U_d ^*、U_q ^*和U₀ ^*，U_d ^*、U_q ^*和U₀ ^*经过逆Park和逆Clarke变换得三相电压作为SPWM调制波，并与载波交截后产生逆变器的开关信号。

3.根据权利要求2所述并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法，其特征在于：所述载波为双极性三角载波。

4.根据权利要求3所述并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法，其特征在于：所述双极性三角载波的频率为20KHz。