CN106452262B - 独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法 - Google Patents

独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法，将无刷双馈感应发电机的功率绕组PW电压矢量分解为同步旋转坐标系中的d轴和q轴分量，调节控制绕组CW电流幅值使PW电压的d轴分量收敛至PW电压的参考幅值，调节CW电流频率使PW电压的q轴分量收敛至0，当系统稳定时PW电压矢量与同步旋转坐标系的d轴重合，于是同时实现了对PW电压幅值和频率的控制。该控制方法省去了速度传感器，降低了发电系统的硬件成本，提高了运行可靠性，并增强发电机安装的灵活性。该控制方法既适用于无刷双馈感应发电机的独立运行，也适用于无刷双馈感应发电机并网运行前对外电网的相位跟踪控制。

Description

独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法
技术领域
本发明属于发电机控制技术领域，更具体地，涉及一种独立无刷双馈感应发电机的无速度传感器直接电压控制方法。
背景技术
无刷双馈感应发电机是一种新型交流感应电机含有两套不同极对数的定子绕组，其转子经过特殊设计，能使两套定子绕组所产生的不同极对数的旋转磁场间接相互作用，从而实现能量传递。无刷双馈电机的两套定子绕组分别称为功率绕组(power winding，以下简称PW)和控制绕组(control winding，以下简称CW)，与有刷双馈感应发电机相比，它取消了电刷和滑环，具有结构简单且可靠性高的优点。
无刷双馈感应发电机可实现变速恒频发电，再加上其结构简单可靠，使得其在风力发电、独立船舶轴带发电等领域具有显著的应用优势。通常风力发电机在运行时与电网相连，风力发电系统的控制目标是调节有功功率与无功功率。然而，独立发电机不与电网相连，需要对其输出电压进行直接控制，使得发电机的转速或用电负载变化时其输出电压的幅值和频率保持恒定。
传统的独立无刷双馈感应发电机控制方法中大多使用了速度传感器，其缺点在于：(1)增加了系统的硬件成本；(2)当运行环境比较恶劣时速度传感器容易损坏，从而降低了系统的可靠性；(3)速度传感器的安装会增大电机轴向体积，降低了发电机安装的灵活性。因此，为了降低硬件成本，提高运行可靠性，并增强发电机安装的灵活性，有必要设计无速度传感器控制方法。
发明内容
本发明提供了一种独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法，其目的在于，通过对PW电压矢量在旋转dq坐标系中的d轴和q轴分量进行直接控制，使得系统稳定时PW电压矢量与旋转dq坐标系的d轴重合，PW电压幅值收敛至参考幅值，同时实现对PW电压的幅值和频率的控制，避免了使用速度传感器导致的成本增加和运行可靠性降低的技术问题。
独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法，包括如下步骤：
(1)采样功率绕组PW三相电压u1a、u1b和u1c，将u1a、u1b和u1c从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系，得到PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量u1d和q轴分量u1q；
(2)将PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量u1d作为反馈值，利用PW电压幅值控制环计算得到CW电流幅值参考值
(3)将PW电压在旋转dq坐标系中的q轴分量u1q作为反馈值，利用PW电压频率控制环计算得到CW电流频率参考值
(4)对CW电流频率参考值积分得到CW电流的相位参考值采样CW三相电流i2a、i2b和i2c，采用CW电流相位参考值将CW三相电流i2a、i2b和i2c从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系，得到CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量i2d和q轴分量i2q；将CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量i2d和q轴分量i2q作为反馈值，利用CW电流控制环计算得到CW三相电压的参考值和
(5)根据CW三相电压的参考值和利用SVPWM算法生成调制信号，使逆变器输出相应的电压至控制绕组CW；
(6)重复上述步骤(1)～(5)，使PW电压的幅值和频率分别收敛至给定值。
进一步地，所述步骤(1)的具体实现方式为：
采用PW电压相位参考值将u1a、u1b和u1c从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系，得到PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量u1d和q轴分量u1q，变换表达式如下：
进一步地，所述PW电压相位参考值的获取方式为：
(1-1)判断发电机工作模式，如果为独立运行模式则执行(1-2)，如果为并网准备模式则执行(1-3)；
(1-2)对PW电压给定频率进行积分得到PW电压相位参考值
(1-3)采样三相电网电压uga、ugb和ugc，利用锁相环计算出电网电压的相位θg，令PW电压相位参考值等于θg。
进一步地，所述步骤(2)的具体实施方式为：
将PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量u1d送入第一低通滤波器，计算第一低通滤波器的输出与PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量参考值的差值，其中等于功率绕组电压幅值参考值将该差值作为第一PI调节器的输入，第一PI调节器的输出为CW电流幅值参考值
进一步地，所述步骤(3)的具体实施方式为：
将PW电压在旋转dq坐标系中的q轴分量u1q送入第二低通滤波器，计算第二低通滤波器的输出与PW电压在旋转dq坐标系中的q轴分量参考值的差值，其中等于0，将该差值作为第二PI调节器的输入，第二PI调节器的输出为CW电流频率参考值
进一步地，所述步骤(4)的具体实施方式为：
对CW电流频率参考值积分得到CW电流的相位参考值采样CW三相电流i2a、i2b和i2c，采用CW电流相位参考值将CW三相电流i2a、i2b和i2c从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系，得到CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量i2d和q轴分量i2q；
令CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量参考值等于计算与CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量i2d的差值，将该差值作为第三PI调节器的输入，第三PI调节器的输出为CW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量参考值
令CW电流在旋转dq坐标系中的q轴分量参考值等于0，计算与CW电流在旋转dq坐标系中的q轴分量i2q的差值，将该差值作为第四PI调节器的输入，第四PI调节器的输出为CW电压在旋转dq坐标系中的q轴分量参考值
最后采用CW电流相位参考值将和从旋转dq坐标系变换到静止abc坐标系，得到静止abc坐标系中的CW三相电压参考值和
进一步地，所述采用CW电流相位参考值将CW三相电流i2a、i2b和i2c从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系，得到CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量i2d和q轴分量i2q的变换表达式为：
进一步地，所述采用CW电流相位参考值将和从旋转dq坐标系变换到静止abc坐标系，得到静止abc坐标系中的CW三相电压参考值和变换表达式如下：
本发明的有益技术效果体现在：
本发明将无刷双馈感应发电机的功率绕组(power winding，以下简称PW)电压矢量分解为同步旋转坐标系中的d轴和q轴分量，调节控制绕组(control winding，以下简称CW)电流幅值使PW电压的d轴分量收敛至PW电压的参考幅值，调节CW电流频率使PW电压的q轴分量收敛至0，当系统稳定时PW电压矢量与同步旋转坐标系的d轴重合，于是同时实现了对PW电压幅值和频率的控制。该控制方法省去了速度传感器，降低了发电系统的硬件成本，提高了运行可靠性，并增强发电机安装的灵活性。该控制方法既适用于无刷双馈感应发电机的独立运行，也适用于无刷双馈感应发电机并网运行前对外电网的相位跟踪控制。
附图说明
图1是本发明控制方法流程图；
图2是本发明PW电压幅值控制原理框图；
图3是本发明PW电压频率控制原理框图；
图4是本发明CW电流控制环原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明控制方法流程图，本发明独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法包括如下步骤：
(1)采样PW三相电压u1a、u1b和u1c，将u1a、u1b和u1c从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系，得到PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量u1d和q轴分量u1q；
(2)将PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量u1d作为反馈值，利用PW电压幅值控制环计算得到CW电流幅值参考值
(3)将PW电压在旋转dq坐标系中的q轴分量u1q作为反馈值，利用PW电压频率控制环计算得到CW电流频率参考值
(4)对CW电流频率参考值积分得到CW电流的相位参考值采样CW三相电流i2a、i2b和i2c，采用CW电流相位参考值将CW三相电流i2a、i2b和i2c从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系，得到CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量i2d和q轴分量i2q；将CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量i2d和q轴分量i2q作为反馈值，利用CW电流控制环计算得到CW三相电压的参考值和
(5)根据CW三相电压的参考值和利用SVPWM算法生成调制信号，使逆变器输出相应的电压至CW。
重复上述步骤(1)～(5)，使PW电压的幅值和频率分别收敛至给定值。
在本发明实施例中，步骤(1)的具体实施方式为：
首先采样PW三相电压u1a、u1b和u1c，然后将u1a、u1b和u1c从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系，得到PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量u1d和q轴分量u1q，坐标变换的参考角度为PW电压相位参考值u1a、u1b和u1c中通常含有采样噪声和谐波，这使得通过坐标变换得到的u1d和u1q也会含有噪声和谐波，因此在步骤(2)和步骤(3)中使用u1d和u1q之前需要先对它们分别进行滤波。
变换表达式如下：
PW电压相位参考值的计算方式为：
(1-1)判断发电机工作模式，如果为独立运行模式则执行(1-2)，如果为并网准备模式则执行(1-3)；
(1-2)对PW电压给定频率进行积分得到PW电压相位参考值
(1-3)采样三相电网电压uga、ugb和ugc，利用锁相环计算出电网电压的相位θg，令PW电压相位参考值等于θg。
在本发明实施例中，如图2所示，步骤(2)的具体实施方式为：
将步骤(1)得到的PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量u1d送入低第一通滤波器1，计算低通滤波器1的输出与PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量参考值的差值，其中等于功率绕组电压幅值参考值将该差值作为第一PI调节器1的输入，第一PI调节器1的输出为CW电流幅值参考值
在本发明实施例中，如图3所示，步骤(3)的具体实施方式为：
将步骤(1)得到PW电压在旋转dq坐标系中的q轴分量u1q送入第二低通滤波器2，计算第二低通滤波器2的输出与PW电压在旋转dq坐标系中的q轴分量参考值的差值，其中等于0，将该差值作为第二PI调节器2的输入，第二PI调节器2的输出为CW电流频率参考值
在本发明实施例中，如图4所示，步骤(4)的具体实施方式为：
对步骤(4)得到的CW电流频率参考值积分得到CW电流的相位参考值采用CW电流相位参考值将CW三相电流i2a、i2b和i2c从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系，得到CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量i2d和q轴分量i2q。变换表达式如下：
令CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量参考值等于计算与i2d的差值，将该差值作为第三PI调节器3的输入，第三PI调节器3的输出为CW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量参考值
令CW电流在旋转dq坐标系中的q轴分量参考值等于0，计算i2q与的差值，将该差值作为第四PI调节器4的输入，第四PI调节器4的输出为CW电压在旋转dq坐标系中的q轴分量参考值
最后采用参考角度将和从旋转dq坐标系变换到静止abc坐标系，得到静止abc坐标系中的CW三相电压参考值和变换表达式如下：
在本发明实施例中，根据步骤(3)计算得到的静止abc坐标系中CW三相电压参考值和利用SVPWM算法生成调制信号使逆变器输出相应的电压至CW。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采样功率绕组PW三相电压u1a、u1b和u1c，将u1a、u1b和u1c从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系，得到PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量u1d和q轴分量u1q；
(2)将PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量u1d作为反馈值，利用PW电压幅值控制环计算得到CW电流幅值参考值
(3)将PW电压在旋转dq坐标系中的q轴分量u1q作为反馈值，利用PW电压频率控制环计算得到CW电流频率参考值
(4)对CW电流频率参考值积分得到CW电流的相位参考值采样CW三相电流i2a、i2b和i2c，采用CW电流相位参考值将CW三相电流i2a、i2b和i2c从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系，得到CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量i2d和q轴分量i2q；将CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量i2d和q轴分量i2q作为反馈值，利用CW电流控制环计算得到CW三相电压的参考值和
(5)根据CW三相电压的参考值和利用SVPWM算法生成调制信号，使逆变器输出相应的电压至控制绕组CW；
(6)重复上述步骤(1)～(5)，使PW电压的幅值和频率分别收敛至给定值。
2.根据权利要求1所述的独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法，所述步骤(1)的具体实现方式为：
采用PW电压相位参考值将u1a、u1b和u1c从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系，得到PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量u1d和q轴分量u1q，变换表达式如下：
3.根据权利要求2所述的独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法，其特征在于，所述PW电压相位参考值的获取方式为：
(1-1)判断发电机工作模式，如果为独立运行模式则执行(1-2)，如果为并网准备模式则执行(1-3)；
(1-2)对PW电压给定频率进行积分得到PW电压相位参考值
(1-3)采样三相电网电压uga、ugb和ugc，利用锁相环计算出电网电压的相位θg，令PW电压相位参考值等于θg。
4.根据权利要求1所述的独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法，所述步骤(2)的具体实施方式为：
将PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量u1d送入第一低通滤波器，计算第一低通滤波器的输出与PW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量参考值的差值，其中等于功率绕组电压幅值参考值将该差值作为第一PI调节器的输入，第一PI调节器的输出为CW电流幅值参考值
5.根据权利要求1所述的独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法，所述步骤(3)的具体实施方式为：
将PW电压在旋转dq坐标系中的q轴分量u1q送入第二低通滤波器，计算第二低通滤波器的输出与PW电压在旋转dq坐标系中的q轴分量参考值的差值，其中等于0，将该差值作为第二PI调节器的输入，第二PI调节器的输出为CW电流频率参考值
6.根据权利要求1所述的独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法，所述步骤(4)的具体实施方式为：
对CW电流频率参考值积分得到CW电流的相位参考值采样CW三相电流i2a、i2b和i2c，采用CW电流相位参考值将CW三相电流i2a、i2b和i2c从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系，得到CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量i2d和q轴分量i2q；
令CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量参考值等于计算与CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量i2d的差值，将该差值作为第三PI调节器的输入，第三PI调节器的输出为CW电压在旋转dq坐标系中的d轴分量参考值
令CW电流在旋转dq坐标系中的q轴分量参考值等于0，计算与CW电流在旋转dq坐标系中的q轴分量i2q的差值，将该差值作为第四PI调节器的输入，第四PI调节器的输出为CW电压在旋转dq坐标系中的q轴分量参考值
最后采用CW电流相位参考值将和从旋转dq坐标系变换到静止abc坐标系，得到静止abc坐标系中的CW三相电压参考值和
7.根据权利要求6所述的独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法，所述采用CW电流相位参考值将CW三相电流i2a、i2b和i2c从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系，得到CW电流在旋转dq坐标系中的d轴分量i2d和q轴分量i2q的变换表达式为：
8.根据权利要求6所述的独立无刷双馈感应发电机无速度传感器直接电压控制方法，所述采用CW电流相位参考值将和从旋转dq坐标系变换到静止abc坐标系，得到静止abc坐标系中的CW三相电压参考值和变换表达式如下：
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