CN105553359A - 基于飞轮储能异步发电机电压闭环的调制比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于飞轮储能异步发电机电压闭环的调制比控制方法，首先由直流母线电压的给定值和实际检测到的反馈值做比较，并经过PI控制器和限幅模块得到调制比给定值，同时给定定子频率，经过飞轮降速曲线和单元计算得到载波比，然后利用调制比和载波比计算开关管的开通时间，生成SPWM波，用来控制功率变换器功率模块的开通和关断，进而控制由飞轮拖动的高速异步电机定子频率，使其始终低于飞轮转速，电机处于能量回馈状态，从而将飞轮储存的机械能不断转化为电能，实现发电。该方法以调制比作为主控制量，可以实现发电电压的稳定输出，无需检测转子位置信息，控制算法简单，易于实现。

Description

基于飞轮储能异步发电机电压闭环的调制比控制方法

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，尤其涉及一种基于飞轮储能异步发电机电压闭环的调制比控制方法。

背景技术

飞轮储能系统是典型的高科技机电一体化系统，结合磁悬浮技术、高速电机技术、真空技术、电力电子技术以及复合材料等新技术，实现高效率能量转换。飞轮储能密度大、能量转换率高、使用寿命长、充电时间短、适用各种环境、可重复深度放电、维护简单，是一种绿色能源技术，应用前景广阔。

飞轮储能异步发电机的控制方法主要包括开环控制和闭环控制。其中开环控制主要有自激电容控制法和V/f控制方法两种。传统的闭环发电控制方法主要有转差频率控制、转子磁场定向控制和直接转矩控制三种方法。

转差频率的控制方法是通过将直流母线电压给定值与实际值的差值经过PI调节后得到转差频率进行电压闭环控制的；转子磁场定向控制是通过将直流母线电压给定值与实际值的差值经过PI调节后得到电流值，以电流滞环控制PWM变换器进行电压闭环控制的；直接转矩控制方法是根据直流母线给定电压、实际电压以及实际电流计算出转矩实现控制输出电压的目的。

转差频率控制和转子磁场定向均需检测电机转速，需要安装速度传感器，应用范围受限；直接转矩控制虽不需检测电机转速，但定子磁链的估算受电机参数影响，控制算法复杂，不易实现。

发明内容

为克服已有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种新的能量回馈发电恒压控制方法，即一种基于飞轮储能异步发电机电压闭环的调制比控制方法。

为达到上述目的，本发明才有如下技术方案：

一种基于飞轮储能异步发电机电压闭环的调制比控制方法，具体步骤为：

1)根据给定的直流母线电压值和实际检测到的反馈电压值做差，将得到的结果送入PI调节器和限幅单元，从而得到了调制比的给定值；

2)给定定子电压频率，由已知的飞轮降速曲线得到定子电压频率的实际值，将得到的频率实际值经过载波比计算单元，得到载波比的给定值；

3)通过所述步骤1)和2)中得到的调制比给定值和载波比的给定值计算得到开关管的导通时间，调制生成SPWM波；

4)通过所述步骤3)中生成的SPWM波控制功率器件的开通和关断，与步骤1)、2)、3)一起构成电压闭环控制，以达到稳定发电机输出电压的目的。

在步骤2)中，给定的定子电压频率是当飞轮开始降速发电时的频率，然后飞轮按照给定的降速曲线降速，始终保持飞轮的转速高于定子磁场的同步转速。

在步骤3)中，利用SPWM不规则采样法，在一个载波周期中采样两次调制波，得到SPWM的脉冲宽度即开关管开通时间为：

t_on＝t_on1+t_on2

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{on1}=\frac{T_c}{4}(1+Msin\frac{\mathrm{\π}k}{N}),(n=0,2,4,\mathrm{...},2n-2)\\ t_{on2}=\frac{T_c}{4}(1+Msin\frac{\mathrm{\π}k}{N}),(n=1,3,\mathrm{....},2n-1)\end{array}\right.$

其中，T_c为三角载波的周期，M为调制比，N为载波比，t_on为SPWM波的开通时间。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的异步电机电压闭环控制方法，以调制比为主控制量来实现电压闭环控制，而且加入了调制比限幅功能，能实现限流功能和过流保护，更加安全可靠。

(2)本发明的异步电机电压闭环控制方法，无需复杂的坐标变换和扇区判断，而且不需要检测速度信号，所以无需安装速度传感器，控制系统结构简单、易于实现、价格成本低，具有广阔的应用前景和应用价值。

附图说明

图1是飞轮储能异步发电机电压闭环的调制比控制方法的原理框图。

图2是飞轮降速曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种基于飞轮储能异步发电机电压闭环的调制比控制方法，以调制比为主控制变量，实现发电电压的稳定输出，具体步骤如下：

1)首先根据给定的直流母线电压值U_dc ^*和实际检测到的反馈电压值U_dc做差，将得到的结果送入PI调节器3和限幅单元4，从而得到了调制比的控制指令信号M^*；

2)如图2所示，然后根据飞轮降速曲线，飞轮电机在t₀时刻以初始发电频率f₀开始降速,，直到t₁时刻，频率降为飞轮降速发电的最小频率f₁为止，从而得到整个发电过程中的频率给定值f^*，再经过载波比计算单元2，得到载波比的给定值N^*；

3)再由调制比的控制指令信号M^*和载波比的给定值N^*通过采用不规则采样法由式(1)计算出开关管的导通时间，生成SPWM模块5的控制信号；

t_on＝t_on1+t_on2

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{on1}=\frac{T_c}{4}(1+M^{*}sin\frac{\mathrm{\π}k}{N^{*}}),(n=0,2,4,\mathrm{...},2n-2)\\ t_{on2}=\frac{T_c}{4}(1+M^{*}sin\frac{\mathrm{\π}k}{N^{*}}),(n=1,3,\mathrm{....},2n-1)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，T_c为三角载波的周期，M^*为调制比，N^*为载波比，t_on为SPWM波的总开通时间。

4)最后通过生成的SPWM信号控制功率模块中开关管的开通和关断，以控制异步电机，将机械能转化成电能，从而实现发电。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰(例如将SPWM模块换成SVPWM模块，或者将SPWM的不规则采样方式改为其他采样方式等)，都应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于飞轮储能异步发电机电压闭环的调制比控制方法，其特征在于，具体步骤为：

1)根据给定的直流母线电压值U_dc ^*和实际检测到的反馈电压值U_dc做差，将得到的结果送入PI调节器和限幅单元，从而得到了调制比的给定值M^*；

2)给定定子电压频率f^*，由已知的飞轮降速曲线得到定子电压频率的实际值，将得到的频率实际值经过载波比计算单元，得到载波比的给定值N^*；

3)通过所述步骤1)和2)中得到的调制比给定值M^*和载波比的给定值N^*计算得到开关管的导通时间，调制生成SPWM波；

4)通过所述步骤3)中生成的SPWM波控制功率器件的开通和关断，与步骤1)、2)、3)一起构成电压闭环控制，以达到稳定发电机输出电压的目的。

2.根据权利1所述基于飞轮储能异步发电机电压闭环的调制比控制方法，其特征在于，在步骤2)中，给定的定子电压频率是当飞轮开始降速发电时的频率，然后飞轮按照给定的降速曲线降速，始终保持飞轮的转速高于定子磁场的同步转速。

3.根据权利1所述基于飞轮储能异步发电机电压闭环的调制比控制方法，其特征在于，在步骤3)中，利用SPWM不规则采样法，在一个载波周期中采样两次调制波，得到SPWM的脉冲宽度即开关管开通时间为：

t_on＝t_on1+t_on2

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{on1}=\frac{T_c}{4}(1+M^{*}sin\frac{\mathrm{\π}k}{N^{*}}),(n=0,2,4,\mathrm{...},2n-2)\\ t_{on2}=\frac{T_c}{4}(1+M^{*}sin\frac{\mathrm{\π}k}{N^{*}}),(n=1,3,\mathrm{....},2n-1)\end{array}\right.$

其中，T_c为三角载波的周期，M^*为调制比，N^*为载波比，t_on为SPWM波的开通时间。