CN106257821B - 一种变速永磁交流发电机系统及其稳压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种变速永磁交流发电机系统及其稳压控制方法。本发明的系统包括永磁交流发电机、PWM整流器、直流滤波装置以及控制器，控制器包括转子位置检测模块、直流电压检测模块、交流电流检测模块、坐标变换模块、电压环调节器、电流限幅模块、交轴单电流环调节器及PWM调制模块。本发明的方法包括步骤：采集发电机转子位置和转速、直流电压、交流电流，经坐标变换获得交轴电流，以稳定直流电压为目标经闭环控制产生交直轴电压给定值并对直轴电流限幅，产生PWM触发脉冲控制PWM整流器。本发明在发电机高转速运行且转速变化时维持输出的直流电压稳定，且动态响应快，方法简单，可靠性高。

Description

一种变速永磁交流发电机系统及其稳压控制方法

技术领域

本发明涉及电机领域，特别涉及应用于变速永磁交流电机发电系统及其稳压控制方法。

背景技术

永磁交流发电机输出交流电压，经PWM整流器进行交流/直流(亦称ac/dc)变换和经直流滤波装置滤波后，可以获得可控的直流电压，为直流负载供电。永磁交流发电机系统的结构一般包括永磁交流发电机、PWM整流器、直流滤波装置以及控制系统。

永磁交流发电机通过定子或转子上的永磁体产生发电所需的主磁场，因此可以省去集电环和电刷装置，简化发电机的结构，并且提升了可靠性与功率密度。相比于电励磁电机，永磁交流发电机气隙磁密较大，但是难以调节磁场，所以其输出电压会随着转速的变化而变化，当永磁交流发电机转速过高时，常规PWM整流器的控制方法已无法将直流滤波装置输出端的直流电压稳定在预先设定的值。

此时通常需要使用弱磁控制的方法，使PWM整流器提供一个能削弱永磁交流发电机气隙磁场的交流电流分量，降低永磁交流发电机的反电势，保证直流滤波装置输出端的直流电压稳定。但是现有的弱磁控制方法大多只针对永磁交流电动机，并且存在方法复杂，响应速度慢，稳定运行条件有限的缺点。

现有的弱磁稳压控制方法包括公式计算法、查表法、电流误差法、梯度降阶法、电压反馈法等。其中公式反馈法依赖电机参数，鲁棒性差；查表法可移植性较差；电流误差法以及电压反馈法的高速稳定性较差；梯度降阶法算法复杂，有一定的参数依赖性。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种变速永磁交流发电机系统及其稳压控制方法，在现有发电机系统在高速运行时依然能够有效、简单、快速地实现直流输出端电压的稳定。

发明内容：一种变速永磁交流发电机系统，包括永磁交流发电机、接入永磁交流发电机交流输出端的PWM整流器、与所述的PWM整流器相连的直流滤波装置以及控制器，所述的控制器包括：

转子位置检测模块，用于获得所述发电机转子的位置θ；

接入所述的直流滤波装置直流输出端的直流电压检测模块，用于获得直流输出端的直流电压U_dc；

接入所述发电机交流输出端的交流电流检测模块，用于获得交流输出端的交流电流；

坐标变换模块，用于根据所述发电机转子的位置θ将所述交流电流检测模块输出的交流电流进行坐标变换，得到交轴电流I_q以及直轴电流I_d；

电压环调节器，用于接收所述直流电压检测模块输出的直流电压U_dc，并根据预设的直流电压标准值产生并输出发电机交流输出端的交流电流幅值给定值

电流限幅模块，用于接收所述坐标变换模块输出的直轴电流I_d以及所述交流电流幅值给定值输出限幅后的交流电流给定值使其与所述直轴电流I_d的相量和的幅值不超过发电机的交流电流幅值极限值I_smax；

交轴单电流环调节器，用于接收所述电流限幅模块输出的交轴电流给定值以及所述坐标变换模块输出的交轴电流I_q，产生并输出发电机交流输出端的交轴电压给定值以及直轴电压给定值

PWM发生模块，用于接收所述发电机转子的位置θ、所述交轴单电流环调节器输出的交轴电压给定值以及直轴电压给定值并根据预设的直流电压标准值以及所述PWM整流器的功率开关管的开关周期T_s产生所述PWM整流器的功率开关管导通或关断的PWM触发脉冲。

进一步的，当所述直流输出端电压U_dc大于所述直流电压标准值增大所述电压环调节器输出的所述交流电流幅值给定值

当所述直流输出端电压U_dc小于所述直流电压标准值减小所述电压环调节器输出的所述交流电流幅值给定值

进一步的，当所述交轴电流I_q小于所述交流电流给定值增大所述交轴单电流环调节器输出的所述交轴电压给定值同时通过所述的交轴电压给定值与预先给定的交流电压幅值计算得到所述直轴电压给定值

当所述交轴电流I_q大于所述交流电流给定值减小所述交轴单电流环调节器输出的所述交轴电压给定值同时通过所述的交轴电压给定值与预先给定的交流电压幅值计算得到所述直轴电压给定值

进一步的，所述的电流限幅模块具体实现如下步骤：

步骤一，将接收到的所述交流电流幅值给定值计算得到未限幅交轴电流给定值

式(1)中，K_MTPA为一个预先根据电机参数设定的MTPA系数，0≤K_MTPA≤1，|·|为取绝对值；

步骤二，将接收到的所述直轴电流I_d与预先设定的发电机交流电流幅值极限值I_smax计算得到交轴电流限幅值

步骤三，判断所述未限幅交轴电流给定值是否小于所述的交轴电流限幅值

若是，则输出所述交轴电流给定值满足：

若否，则输出所述交轴电流给定值满足：

一种应用于变速永磁交流电机发电系统的稳压控制方法，所述发电系统包括永磁交流发电机、接入发电机交流输出端的PWM整流器、与所述的PWM整流器相连的直流滤波装置以及控制器，包括步骤：

(1)检测所述发电机转子的位置θ；采集所述发电机交流输出端的交流电流，并将所述交流电流进行坐标变换得到交轴电流I_q以及直轴电流I_d；采集所述直流滤波装置的直流输出端的直流电压U_dc；

(2)经闭环控制产生交流输出端的交流电流幅值给定值

接收所述直流电压U_dc，根据预设的直流电压标准值经闭环控制产生并输出交流输出端的交流电流幅值给定值

(3)经电流限幅，得到限幅后的交轴电流给定值

接收所述交流电流幅值给定值根据预设的MTPA系数K_MTPA计算产生交流输出端的未限幅交轴电流给定值

接收所述直轴电流I_d、未限幅交轴电流给定值并根据预设的交流电流幅值极限值I_smax对所述未限幅交轴电流给定值进行限幅，输出限幅后的交轴电流给定值使其与所述直轴电流I_d的相量和的幅值不超过发电机的交流电流幅值极限值I_smax；

(4)比较所述的交轴电流I_q与限幅后的交轴电流给定值经闭环控制产生并输出发电机交流输出端的交轴电压给定值

根据所述交轴电压给定值以及预先设定的交流电压幅值限定值计算产生并输出交流输出端的直轴电压给定值

(5)接收所述发电机转子的位置θ、所述交轴电压给定值以及直轴电压给定值发出控制所述的PWM整流器的功率开关管导通或关断的PWM触发脉冲。

进一步的，所述的步骤(3)具体为：

(3.1)将接收到的所述交流电流幅值给定值计算得到未限幅交轴电流给定值

式(1)中，K_MTPA为一个预先根据电机参数设定的MTPA系数，0≤K_MTPA≤1，|·|为取绝对值；

(3.2)将接收到的所述直轴电流I_d与预先设定的发电机交流电流幅值极限值I_smax计算得到交轴电流限幅值

(3.3)判断所述未限幅交轴电流给定值是否小于所述的交轴电流限幅值

若是，则输出所述交轴电流给定值满足：

若否，则输出所述交轴电流给定值满足：

有益效果：(1)、本发明通过由坐标变换模块电压环调节器、电流限幅模块、交轴单电流环调节器、PWM发生模块组成的控制器实现了变速永磁交流发电机系统在转速变化时，输出的直流电压依然能稳定在预先设定的值；(2)、本发明通过交轴单电流环调节器实现了变速永磁交流发电机可以运行在高转速状态下，保证输出的直流电压依然能稳定在预先设定的值，方法简单，可靠，实用性强。

附图说明

图1为本发明变速永磁交流发电机系统功能模块框图及变量示意图；

图2为本发明变速永磁交流发电机系统电流限幅模块的典型程序流程图；

图3为本发明实施例的永磁交流发电机的转速以及变速永磁交流发电系统输出的直流电压波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种变速永磁交流发电机系统，包括永磁交流发电机、接入永磁交流发电机交流输出端的PWM整流器、与PWM整流器相连的直流滤波装置以及控制器。其中，控制器包括：

转子位置检测模块，采用传感器直接检测或者采用无传感器控制算法观测发电机转子的位置θ。

接入直流滤波装置直流输出端的直流电压检测模块，用于获得直流输出端的直流电压U_dc。

接入发电机交流输出端的交流电流检测模块，用于获得交流输出端的交流电流。

坐标变换模块，用于根据发电机转子的位置θ将交流电流检测模块输出的交流电流进行坐标变换，得到交轴电流I_q以及直轴电流I_d。

电压环调节器，用于接收直流电压检测模块输出的直流电压U_dc，并根据预设的直流电压标准值产生并输出发电机交流输出端的交流电流幅值给定值其中，当直流输出端电压U_dc大于直流电压标准值增大电压环调节器输出的交流电流幅值给定值当直流输出端电压U_dc小于直流电压标准值减小电压环调节器输出的交流电流幅值给定值

电流限幅模块，用于接收坐标变换模块输出的直轴电流I_d以及交流电流幅值给定值输出限幅后的交流电流给定值使其与直轴电流I_d的相量和的幅值不超过发电机的交流电流幅值极限值I_smax。具体为：

步骤一，将接收到的交流电流幅值给定值计算得到未限幅交轴电流给定值

式(1)中，K_MTPA为一个预先根据电机参数设定的MTPA系数，0≤K_MTPA≤1，|·|为取绝对值；

步骤二，将接收到的直轴电流I_d与预先设定的发电机交流电流幅值极限值I_smax计算得到交轴电流限幅值

步骤三，判断未限幅交轴电流给定值是否小于交轴电流限幅值

若是，则输出交轴电流给定值满足：

若否，则输出交轴电流给定值满足：

交轴单电流环调节器，用于接收电流限幅模块输出的交轴电流给定值以及坐标变换模块输出的交轴电流I_q，产生并输出发电机交流输出端的交轴电压给定值以及直轴电压给定值其中，当交轴电流I_q小于交流电流给定值增大交轴单电流环调节器输出的交轴电压给定值同时通过交轴电压给定值与预先给定的交流电压幅值计算得到直轴电压给定值当交轴电流I_q大于交流电流给定值减小交轴单电流环调节器输出的交轴电压给定值同时通过的交轴电压给定值与预先给定的交流电压幅值计算得到直轴电压给定值

PWM发生模块，用于接收发电机转子的位置θ、交轴单电流环调节器输出的交轴电压给定值以及直轴电压给定值并根据预设的直流电压标准值以及PWM整流器的功率开关管的开关周期T_s产生PWM整流器的功率开关管导通或关断的PWM触发脉冲。

一种应用于变速永磁交流电机发电系统的稳压控制方法，发电系统包括永磁交流发电机、接入发电机交流输出端的PWM整流器、与PWM整流器相连的直流滤波装置以及控制器，包括如下步骤：

(1)检测发电机转子的位置θ；采集发电机交流输出端的交流电流，并将交流电流进行坐标变换得到交轴电流I_q以及直轴电流I_d；采集直流滤波装置的直流输出端的直流电压U_dc。

(2)经闭环控制产生交流输出端的交流电流幅值给定值

接收直流电压U_dc，根据预设的直流电压标准值经闭环控制产生并输出交流输出端的交流电流幅值给定值

(3)经电流限幅，得到限幅后的交轴电流给定值

接收交流电流幅值给定值根据预设的MTPA系数K_MTPA计算产生交流输出端的未限幅交轴电流给定值

接收直轴电流I_d、未限幅交轴电流给定值并根据预设的交流电流幅值极限值I_smax对未限幅交轴电流给定值进行限幅，输出限幅后的交轴电流给定值使其与直轴电流I_d的相量和的幅值不超过发电机的交流电流幅值极限值I_smax。

(4)比较交轴电流I_q与限幅后的交轴电流给定值经闭环控制产生并输出发电机交流输出端的交轴电压给定值

根据交轴电压给定值以及预先设定的交流电压幅值限定值计算产生并输出交流输出端的直轴电压给定值

(5)接收发电机转子的位置θ、交轴电压给定值以及直轴电压给定值发出控制PWM整流器的功率开关管导通或关断的PWM触发脉冲。

其中，步骤(3)如图2所示，具体为：

(3.1)将接收到的交流电流幅值给定值计算得到未限幅交轴电流给定值

式(1)中，K_MTPA为一个预先根据电机参数设定的MTPA系数，0≤K_MTPA≤1，|·|为取绝对值；

(3.2)将接收到的直轴电流I_d与预先设定的发电机交流电流幅值极限值I_smax计算得到交轴电流限幅值

(3.3)判断未限幅交轴电流给定值是否小于交轴电流限幅值

若是，则输出交轴电流给定值满足：

若否，则输出交轴电流给定值满足：

本发明的变速永磁交流发电机系统的实现原理如下：

当永磁交流发电机转子的高速运行时，PWM整流器为永磁交流发电机交流输出端提供弱磁性质的合适大小的直轴电流I_d(即可以对气隙磁场产生削弱作用的交流电流分量)，并根据转速的变化提供不同大小的直轴电流值I_d，使得交流电压幅值始终与直流输出端的直流电压保持对应关系。于是可以实现在永磁交流发电机的转速变化范围内，使得变速永磁交流发电机系统直流输出端的直流电压U_dc稳定在预设的标准值发电机交流输出端的交流电流幅值I_s的大小是由调节器根据及直流电压U_dc及其标准值之间的差值经闭环控制确定的。然后经过电流限幅模块计算得到限幅后的交轴电流给定值通过闭环控制后控制PWM整流器提供合适大小的交轴电流I_q，并由于直轴电流I_d与交轴电流I_q存在相应的耦合关系，同时也提供了合适大小的直轴电流I_d。因此可以在保证变速永磁交流发电机系统直流输出端的直流电压U_dc稳定在预设的标准值的同时保证变速永磁交流发电机系统交流输出端的电流幅值不超过预设的极限值I_smax。

本发明变速永磁交流发电机系统中，永磁交流发电机可以是定子永磁型交流发电机或转子永磁型交流发电机。

本发明变速永磁交流发电机系统中，PWM整流器可以是三相全桥变换器或是级联H桥多电平变换器以及混合级联型多电平变换器等多种三相整流器。

本发明变速永磁交流发电机系统中，直流滤波装置可以是单个或多个并联的滤波电容或是多个电容以及电感组成的高阶滤波装置。

图3是本实施例中永磁交流发电机的转速以及变速永磁交流发电系统输出的直流电压波形，从图中可见，在永磁交流发电机转速从10000rpm提升至24000rpm过程中，变速永磁交流发电系统始终能保证输出的直流电压稳定在28V不变；并且在永磁交流发电机转速保持在24000rpm的高速状态时，变速永磁交流发电系统仍能保证输出的直流电压为28V。

本发明使用交轴单电流调节器实现PWM整流器对永磁交流发电机的交流输出提供合适大小的直轴电流I_d，同时对永磁交流发电机的交流输出端的交流电流幅值限幅，在转速变化时实现简单、可靠、响应快速地稳定变速永磁交流发电机系统输出的直流电压；方法易实现，可靠性高，具有良好的应用前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种变速永磁交流发电机系统，包括永磁交流发电机、接入永磁交流发电机交流输出端的PWM整流器、与所述的PWM整流器相连的直流滤波装置以及控制器，其特征在于，所述的控制器包括：

转子位置检测模块，用于获得所述发电机转子的位置θ；

接入所述的直流滤波装置直流输出端的直流电压检测模块，用于获得直流输出端的直流电压U_dc；

接入所述发电机交流输出端的交流电流检测模块，用于获得交流输出端的交流电流；

坐标变换模块，用于根据所述发电机转子的位置θ将所述交流电流检测模块输出的交流电流进行坐标变换，得到交轴电流I_q以及直轴电流I_d；

电压环调节器，用于接收所述直流电压检测模块输出的直流电压U_dc，并根据预设的直流电压标准值产生并输出发电机交流输出端的交流电流幅值给定值

电流限幅模块，用于接收所述坐标变换模块输出的直轴电流I_d以及所述交流电流幅值给定值输出限幅后的交流电流给定值使其与所述直轴电流I_d的相量和的幅值不超过发电机的交流电流幅值极限值I_smax；

交轴单电流环调节器，用于接收所述电流限幅模块输出的交轴电流给定值以及所述坐标变换模块输出的交轴电流I_q，产生并输出发电机交流输出端的交轴电压给定值以及直轴电压给定值

PWM发生模块，用于接收所述发电机转子的位置θ、所述交轴单电流环调节器输出的交轴电压给定值以及直轴电压给定值并根据预设的直流电压标准值以及所述PWM整流器的功率开关管的开关周期T_s产生所述PWM整流器的功率开关管导通或关断的PWM触发脉冲；

所述的电流限幅模块具体实现如下步骤：

步骤一，将接收到的所述交流电流幅值给定值计算得到未限幅交轴电流给定值

式(1)中，K_MTPA为一个预先根据电机参数设定的MTPA系数，0≤K_MTPA≤1，|·|为取绝对值；

步骤二，将接收到的所述直轴电流I_d与预先设定的发电机交流电流幅值极限值I_smax计算得到交轴电流限幅值

步骤三，判断所述未限幅交轴电流给定值是否小于所述的交轴电流限幅值

若是，则输出所述交轴电流给定值满足：

若否，则输出所述交轴电流给定值满足：

当所述直流输出端电压U_dc大于所述直流电压标准值增大所述电压环调节器输出的所述交流电流幅值给定值

当所述直流输出端电压U_dc小于所述直流电压标准值减小所述电压环调节器输出的所述交流电流幅值给定值

当所述交轴电流I_q小于所述交流电流给定值增大所述交轴单电流环调节器输出的所述交轴电压给定值同时通过所述的交轴电压给定值与预先给定的交流电压幅值计算得到所述直轴电压给定值

当所述交轴电流I_q大于所述交流电流给定值减小所述交轴单电流环调节器输出的所述交轴电压给定值同时通过所述的交轴电压给定值与预先给定的交流电压幅值计算得到所述直轴电压给定值

2.一种应用于变速永磁交流电机发电系统的稳压控制方法，所述发电系统包括永磁交流发电机、接入发电机交流输出端的PWM整流器、与所述的PWM整流器相连的直流滤波装置以及控制器，其特征在于，包括步骤：

(1)检测所述发电机转子的位置θ；采集所述发电机交流输出端的交流电流，并将所述交流电流进行坐标变换得到交轴电流I_q以及直轴电流I_d；采集所述直流滤波装置的直流输出端的直流电压U_dc；

(2)经闭环控制产生交流输出端的交流电流幅值给定值

接收所述直流电压U_dc，根据预设的直流电压标准值经闭环控制产生并输出交流输出端的交流电流幅值给定值

(3)经电流限幅，得到限幅后的交轴电流给定值

接收所述交流电流幅值给定值根据预设的MTPA系数K_MTPA计算产生交流输出端的未限幅交轴电流给定值

接收所述直轴电流I_d、未限幅交轴电流给定值并根据预设的交流电流幅值极限值I_smax对所述未限幅交轴电流给定值进行限幅，输出限幅后的交轴电流给定值使其与所述直轴电流I_d的相量和的幅值不超过发电机的交流电流幅值极限值I_smax；

(4)比较所述的交轴电流I_q与限幅后的交轴电流给定值经闭环控制产生并输出发电机交流输出端的交轴电压给定值

根据所述交轴电压给定值以及预先设定的交流电压幅值限定值计算产生并输出交流输出端的直轴电压给定值

(5)接收所述发电机转子的位置θ、所述交轴电压给定值以及直轴电压给定值发出控制所述的PWM整流器的功率开关管导通或关断的PWM触发脉冲；

所述的步骤(3)具体为：

(3.1)将接收到的所述交流电流幅值给定值计算得到未限幅交轴电流给定值

式(1)中，K_MTPA为一个预先根据电机参数设定的MTPA系数，0≤K_MTPA≤1，|·|为取绝对值；

(3.2)将接收到的所述直轴电流I_d与预先设定的发电机交流电流幅值极限值I_smax计算得到交轴电流限幅值

(3.3)判断所述未限幅交轴电流给定值是否小于所述的交轴电流限幅值

若是，则输出所述交轴电流给定值满足：

若否，则输出所述交轴电流给定值满足：