一种低成本的电力发电系统控制方法
技术领域
本发明涉及电力发电系统控制技术的领域,尤其是涉及一种低成本的电力发电系统控制方法。
背景技术
随着电力电子技术、电力传动技术的日益发展,电力发电系统现已得到了广泛的应用。但近几年,随着新能源以及科技的不断发展,很多电力发电场合对发电机电力发电系统的成本、动态性能以及可靠性上提出了较高的要求。
目前发电机发电控制方法仍存在一些不足或待改进之处:目前的发电机都需要位置传感器,位置传感器将增加系统的成本和体积,而且在一些恶劣的环境下是不方便使用位置传感器的;此外,在发电过程中传统的电压PI调节器其自适应能力和抗扰动能力还比较差,发出的电压还不够稳定;同时,其采用的电流PI控制器,存在固有的滞后特性,从而会影响系统的动态性能和限制系统带宽的增加,响应速度受限;其发电系统控制的可靠性差,当遇到发电机出现绕组断路或短路故障后无法进行稳定正常发电,严重影响了发电机的发电性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的上述缺陷,提供一种低成本的电力发电系统控制方法,使其无需位置传感器,能降低系统成本和减小体积,能适用于恶劣的环境中,此外,能够在发电过程中稳定地进行电压调节,具有较好的自适应能力和抗扰动能力,同时能使发电系统具有很好地动态性能,减少滞后影响,且能使发电系统具有较高的可靠性,即使在发电机出现故障情况下仍能稳定正常发电,从而使之适用于对系统成本、动态性能以及可靠性要求较高的发电场合。
为了实现上述目的,本发明提供了一种低成本的电力发电系统控制方法,该方法包括如下步骤:
(1)在Park反变换中注入高频信号Umcos(ωht),其中下标h代表高频分量,Um为注入高频信号的幅值,ωh为注入高频信号的角频率,t为时间,启动原动机带动发电机运转进入发电状态,通过霍尔传感器采集发电机的三相电流ia、ib、ic,然后将其通过Clark变换和Park变换得到d-q坐标系下发电机的实际高频电流响应值idh、iqh;
(2)分别对得到的高频电流响应值idh、iqh通过低通滤波器LPF滤波后,得到d-q坐标系下发电机的实际电流值id、iq,对q轴高频电流响应值iqh进行信号处理,得到发电机的转子位置信号估计值其中q轴高频电流响应值iqh可表示为:
式中,Ld、Lq分别为发电机的d轴和q轴电感值,Δθ为位置信号估计误差值,θ为位置信号实际值,当Δθ=0时,即可得到这样就可以通过iqh进行信号处理,得到较准确的发电机转子位置信号估计值供Park反变换和Park变换使用;
(3)通过电压检测器采集四桥臂变换器端上的直流电压Udc,将给定的电压Udc *与反馈的实际电压Udc送入模糊PI调节器进行处理,得到具有自适应能力强和抗扰动能力强的能使电压稳定控制的给定电流iq *;
(4)将给定的d-q轴电流iq *以及id *送入预测控制器,其中id *=0,便于实现对发电机有功和无功的解耦控制,同时将上一次输出的d-q轴电压Ud *(k-1)、Uq *(k-1)以及上一次反馈回来的电流id(k-1)和iq(k-1)一同送入预测控制器,得到预测出的d-q轴电压Ud *(k)和Uq *(k),其预测表达式为:
Ud *(k)=A1id(k-1)+A2id *(k)+A3iq(k-1)+A4Ud *(k-1)
Uq *(k)=B1iq(k-1)+B2iq *(k)+B3id(k-1)+B4Uq *(k-1)
其中,k为第k个控制周期,k-1表示第k-1个周期,即上一个周期,Ud *(k)和Uq *(k)分别为预测出的第k个控制周期的d-q轴电压,id *(k)和iq *(k)分别为第k个控制周期内给定的d-q轴电流,A1、A2、A3、A4为Ud *(k)的调节参数,B1、B2、B3、B4为Uq *(k)的调节参数,根据发电机自身不同的特性决定;
(5)将得到的预测出的d-q轴电压Ud *(k)和Uq *(k),经Park反变换后得到静止两相正交坐标系下给定的发电机电压uα *、uβ *,当系统正常时,通过电压空间矢量脉宽调制(SVM)得到a、b、c三个桥臂的功率管开通、关断的脉宽调制信号Sa、Sb、Sc,然后通过驱动四桥臂逆变器中的a、b、c三个桥臂使其输出相应的三相电流ia、ib、ic来控制发电机跟随给定信号稳定正常发电;
(6)当系统出现一相绕组断路或一相绕组短路故障时,例如a相绕组出现断路或短路故障后,这时将用与发电机三相绕组中心点相连的第四桥臂n来代替出现故障的a桥臂,切除掉a桥臂,调整给定的发电机电压为故障下的uα *、uβ *,同时将故障相a的电压矢量由第四桥臂n代替,即通过电压空间矢量脉宽调制(SVM)得到断路或短路故障态下的功率管开通、关断的脉宽调制信号Sn、Sb、Sc,然后通过驱动四桥臂逆变器中的n、b、c三个桥臂使其输出相应的三相电流in、ib、ic来控制发电机跟随给定信号调压发电,使发电机在故障下仍能稳定正常地发电。
与现有技术相比,本发明的主要优势在于:
本发明提供了一种低成本的电力发电系统控制方法,该控制方法在Park反变换中注入了高频信号,从而能获得含有转子位置信号信息的q轴高频电流响应值,再进行信号处理后,即可实现无需位置传感器便可简单易行地获得发电机转子位置信号估计值,从而降低了成本和减小了体积,能适用于恶劣的环境中;在电压调节中采用了模糊PI调节器来代替传统的电压PI调节器,增加了发电机的自适应能力和抗扰动能力,能使发出的电压更稳定;在电流调节中采用了预测控制器来代替传统的电流PI控制器,解决了传统电流PI控制器的滞后特性,提高了发电系统的带宽和动态性能;最后采用了SVM结合四桥臂变换器的控制方法来提高系统的可靠性,使发电系统能在发电机出现故障情况下仍能稳定正常发电,适用于对系统成本、动态性能以及可靠性要求较高的发电场合。
附图说明
图1为本发明的控制原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明,以便本领域的技术人员更好地理解本发明。
如图1所示,是本发明所述的一种低成本的电力发电系统控制方法的具体实施方式,其具体实施步骤为:
(1)在Park反变换中注入高频信号Umcos(ωht),其中下标h代表高频分量,Um为注入高频信号的幅值,ωh为注入高频信号的角频率,t为时间,启动原动机带动发电机运转进入发电状态,通过霍尔传感器采集发电机的三相电流ia、ib、ic,然后将其通过Clark变换和Park变换得到d-q坐标系下发电机的实际高频电流响应值idh、iqh;
(2)分别对得到的高频电流响应值idh、iqh通过低通滤波器LPF滤波后,得到d-q坐标系下发电机的实际电流值id、iq,对q轴高频电流响应值iqh进行信号处理,得到发电机的转子位置信号估计值其中q轴高频电流响应值iqh可表示为:
式中,Ld、Lq分别为发电机的d轴和q轴电感值,Δθ为位置信号估计误差值,θ为位置信号实际值,当Δθ=0时,即可得到这样就可以通过iqh进行信号处理,得到较准确的发电机转子位置信号估计值供Park反变换和Park变换使用;
(3)通过电压检测器采集四桥臂变换器端上的直流电压Udc,将给定的电压Udc *与反馈的实际电压Udc送入模糊PI调节器进行处理,得到具有自适应能力强和抗扰动能力强的能使电压稳定控制的给定电流iq *;
(4)将给定的d-q轴电流iq *以及id *送入预测控制器,其中id *=0,便于实现对发电机有功和无功的解耦控制,同时将上一次输出的d-q轴电压Ud *(k-1)、Uq *(k-1)以及上一次反馈回来的电流id(k-1)和iq(k-1)一同送入预测控制器,得到预测出的d-q轴电压Ud *(k)和Uq *(k),其预测表达式为:
Ud *(k)=A1id(k-1)+A2id *(k)+A3iq(k-1)+A4Ud *(k-1)
Uq *(k)=B1iq(k-1)+B2iq *(k)+B3id(k-1)+B4Uq *(k-1)
其中,k为第k个控制周期,k-1表示第k-1个周期,即上一个周期,Ud *(k)和Uq *(k)分别为预测出的第k个控制周期的d-q轴电压,id *(k)和iq *(k)分别为第k个控制周期内给定的d-q轴电流,A1、A2、A3、A4为Ud *(k)的调节参数,B1、B2、B3、B4为Uq *(k)的调节参数,根据发电机自身不同的特性决定;
(5)将得到的预测出的d-q轴电压Ud *(k)和Uq *(k),经Park反变换后得到静止两相正交坐标系下给定的发电机电压uα *、uβ *,当系统正常时,通过电压空间矢量脉宽调制(SVM)得到a、b、c三个桥臂的功率管开通、关断的脉宽调制信号Sa、Sb、Sc,然后通过驱动四桥臂逆变器中的a、b、c三个桥臂使其输出相应的三相电流ia、ib、ic来控制发电机跟随给定信号稳定正常发电;
(6)当系统出现一相绕组断路或一相绕组短路故障时,例如a相绕组出现断路或短路故障后,这时将用与发电机三相绕组中心点相连的第四桥臂n来代替出现故障的a桥臂,切除掉a桥臂,调整给定的发电机电压为故障下的uα *、uβ *,同时将故障相a的电压矢量由第四桥臂n代替,即通过电压空间矢量脉宽调制(SVM)得到断路或短路故障态下的功率管开通、关断的脉宽调制信号Sn、Sb、Sc,然后通过驱动四桥臂逆变器中的n、b、c三个桥臂使其输出相应的三相电流in、ib、ic来控制发电机跟随给定信号调压发电,使发电机在故障下仍能稳定正常地发电。
该控制方法在Park反变换中注入了高频信号,从而能获得含有转子位置信号信息的q轴高频电流响应值,再进行信号处理后,即可实现无需位置传感器便可简单易行地获得发电机转子位置信号估计值,从而降低了成本和减小了体积;在电压调节中采用了模糊PI调节器来代替传统的电压PI调节器,增加了发电机的自适应能力和抗扰动能力,能使发出的电压更稳定;在电流调节中采用了预测控制器来代替传统的电流PI控制器,解决了传统电流PI控制器的滞后特性,提高了发电系统的带宽和动态性能;最后采用了SVM结合四桥臂变换器的控制方法来提高系统的可靠性,使发电系统能在发电机出现故障情况下仍能稳定正常发电,适用于对系统成本、动态性能以及可靠性要求较高的发电场合。
以上实施方式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。