CN107017812A - 一种自励异步发电机的装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自励异步发电机的装置及其控制方法，自励异步发电机的装置由信号采集和调理模块、STATCOM模块、控制器模块和自励异步发电机模块构成。本发明的有益效果：(1)STATCOM模块对自励异步发电机进行实时动态的无功补偿，对无功功率的连续调节的能力，实现了电压稳定控制以及电能质量的改善作用。(2)控制器模块的电压外环采用PI控制结构，充分融合了其结构简单、易于实现的优点。(3)控制器模块的电流内环控制采用预测电流控制算法替代传统的PI控制，其系统鲁棒性好、响应速度快的特性，保证了自励异步发电机的高精度控制。本发明提高了系统的性能，设计过程简单且计算量小。
Description
技术领域
本发明属于电气工程领域。具体是一种自励异步发电机的装置及控制方法。
背景技术
SEIG具有结构简单坚固、价格便宜、便于维护、可靠性高等优点，在可再生能源发电系统中具有广泛应用，在独立发电系统中具有很高的经济效益。
当SEIG转速与励磁电容相匹配时可自激建压作为独立电源来使用。但由于SEIG的带载能力较差，不具有连续调节电压的能力，仅依靠固定的励磁电容不能够维持机端电压稳定运行，电压会随负载不同而产生变化，严重时甚至发生崩溃。为保证电压稳定，应随负载变化动态补偿无功功率。随着电力电子技术的发展以及多种无功补偿技术的出现，多种电压调节方法和无功补偿技术被应用在SEIG的稳压控制中。其中通过STATCOM并联补偿SEIG系统(SEIG-STATCOM)具有十分显著的优点。目前，SEIG-STATCOM系统大都采用电压定向控制和双闭环PID结构，虽然该控制结构简单，但是传统的PID控制存在一些不足，其PI参数在实际操作中不易设定。
发明内容
本发明为提高自励异步发电机系统运行的稳定性和可靠性，提供一种自励异步发电机的装置及控制方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
1.一种自励异步发电机的装置由信号采集和调理模块、STATCOM模块、控制器模块和自励异步发电机构成。
所述信号采集和调理模块由自励异步发电机控制系统电压和电流信号的实时采和锁相环输出角度和机端电压幅值的计算构成，其中自励异步发电机控制系统电压和电流信号的实时采集包括对自励异步发电机机端电压信号usa、usb、usc以及所述STATCOM模块交流侧输入电流信号ica、icb、icc和直流侧电压信号udc的采集，锁相环输出角度和机端电压幅值的计算包括对锁相环输出角度θ的正余弦值和机端电压幅值ut的计算。所述信号采集和调理模块将采集到的电压信号usa、usb、usc，通过计算获得机端电压幅值ut作为电压外环控制的机端电压幅值控制的无功输入量，所述STATCOM模块的直流侧电压udc作为电压外环控制的直流侧电压控制的有功输入量；所述STATCOM模块交流侧输入电流信号ica、icb、icc通过abc-αβ坐标变换获得的电流icα、icβ分别作为所述控制器模块的电流内环控制的有功输入量和无功输入量。
机端电压幅值ut的计算公式为
abc-αβ坐标变换表达式为
锁相环输出角度θ的计算公式为
式中，usα、usβ为αβ坐标系下的自励异步发电机机端相电压值。
所述STATCOM模块包括滤波电感3-1、三相全桥开关管以及直流侧电容；滤波电感滤去进入STATCOM模块交流电中的脉动成分；直流侧电容的储能作用，支持直流电压的稳定；STATCOM模块通过并联自励异步发电机用于补偿SEIG系统来实现自励异步发电机的机端电压连续可调，闭合KM2开关通过STATCOM模块发出连续的无功功率，使系统在通过断开KM1开关投切负载的情况下，能够维持自励异步发电机的机端电压稳定。
所述控制器模块用于对所述STATCOM模块进行控制，包括对电压外环控制中机端电压幅值控制和直流侧电压控制、电流内环控制的预测电流模型和价值函数g以及电压空间矢量的选择；直流侧电压控制将所述STATCOM模块的直流侧电压udc和直流侧电压的参考量的偏差量通过PI控制器后，其输出作为电流内环控制的有功给定；机端电压幅值控制将机端电压幅值ut和电压幅值的参考量的偏差量通过PI控制器后，其输出作为电流内环控制的无功给定；在电流内环控制中通过预测电流模型对从电压外环控制输出的和所述STATCOM模块获得的电流ica、icβ以及所述STATCOM模块的直流侧电压udc在预测电流模型下进行相应的算法计算获得下一时刻的预测电流值i(k+1)在αβ坐标系下的电流iα(k+1)和iβ(k+1)；价值函数g采用绝对误差计算方式计算，即通过将电压外环控制输出的通过dq-αβ坐标变换后获得αβ坐标系下的给定电流和预测电流模型在αβ坐标系下输出的预测电流iα(k+1)和iβ(k+1)，这两个分量的绝对值之和进行计算；电压空间矢量的选择通过选择价值函数g的最小值，即电流误差最小时所对应的开关状态组合sa、sb和sc。
dq-αβ坐标变换的表达式为
所述自励异步发电机由异步发电机和励磁电容并联组成，自励异步发电机通过原动机驱动其转子转动，其中励磁电容向自励异步发电机提供建压过程中的励磁电流，用于异步发电机的空载建压。负载通过KM1开关直接以并联形式接在自励异步发电机的机端。
2.一种自励异步发电机的控制方法，操作如下：
1)所述信号采集和调理模块在装置中分三个步骤操作：
步骤一：使用电压传感器采集的自励异步发电机的机端电压信号usa、usb、usc以及STATCOM模块的直流侧电容两端的电压udc，使用电流传感器采集STATCOM模块交流侧输入电流信号ica、icb、icc。
步骤二：将采集的自励异步发电机机端电压信号usa、usb、usc，通过公式计算出机端电压幅值ut，通过锁相环输出角度θ的正余弦计算公式计算出锁相环输出角度θ的正余弦值。
步骤三：将采集的STATCOM模块交流侧输入电流信号ica、icb、icc通过abc-αβ坐标变换，得到dq坐标系下的电流icα、icβ。
2)所述STATCOM模块在装置中的补偿过程分三个阶段：
第一阶段：自励异步发电机自激建压成功后，闭合KM2开关并通过滤波电感，投入STATCOM模块，STATCOM模块不发出无功电流。
第二阶段：闭合KM1开关，此时负载投入后，自励异步发电机的机端电压幅值产生跌落，STATCOM模块检测到系统电压的跌落，从而快速发出感性或容性无功电流，连续的补偿自励异步发电机所需的无功功率，直到自励异步发电机的机端电压达到给定值，系统到达稳态状态。
第三阶段：当切除负载时，因为STATCOM模块不能瞬间检测到，还按前一状态发送容性无功电流，从而使自励异步发电机获得过多无功功率，因而发电机机端电压升高；当STATCOM模块检测到电压升高后，立刻快速发出感性无功电流，从而使自励异步发电机的机端电压快速恢复稳定，实现系统电压的稳定控制。
3)所述控制器模块的控制过程分五个阶段：
第一阶段：对STATCOM模块给定的直流侧电压指令和反馈的STATCOM模块直流侧电压指令udc的差值进行PI控制，得到给定的有功电流指令对自励异步发电机的机端电压幅值ut和电压幅值的参考量的偏差量通过PI控制器后，其输出作为电流内环控制的无功给定。
第二阶段：在电流内环控制中通过预测电流模型对从电压外环控制输出的和STATCOM模块获得的电流ica、icβ以及STATCOM模块的直流侧电压udc在预测电流模型下进行相应的算法计算获得下一时刻的预测电流值i(k+1)在αβ坐标系下的电流iα(k+1)和iβ(k+1)。
第三阶段：价值函数g采用绝对误差计算方式计算，即通过将电压外环控制输出的通过dq-αβ坐标变换后获得αβ坐标系下的给定电流 和预测电流模型在αβ坐标系下输出的预测电流iα(k+1)和iβ(k+1)，这两个分量的绝对值之和进行计算。
第四阶段：电压空间矢量的选择通过选择价值函数g的最小值，即电流误差最小时所对应的开关状态组合sa、sb和sc。
第五阶段：对电流内环控制输出的PWM信号产生开关状态组合sa、sb和sc，控制三相全桥开关管的通断，使STATCOM模块实时动态的发出系统所需无功量，从而维持自励异步发电机机端电压的稳定。
4)所述自励异步发电机的空载建压过程如下：
在原动机的拖动下，异步发电机转子以一定转速高速旋转，转子中残留的磁通将切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势，通过并联上励磁电容，感应电动势作用在电容上所产生的感应电流，对剩磁起了加强作用，气隙磁通的增加使定子绕组感应出更大的电势，再作用在励磁电容中，再次增大了电容电流，从而进一步增加了气隙磁通，通过如此反复的自激过程，磁通量不断递增，使气隙磁通得到增强，从而感应出更高的电动势，当转子转速大于同步转速时，异步发电机能够发出足够的电压，直到励磁电容阻抗曲线与发电机空载特性曲线的交点时建压完成，此时自励异步发电机的机端电压逼近某一稳态值，从而进入到稳定的工作点。
本发明的优点：
1.本发明设计了一种并联STATCOM进行无功补偿的稳压系统；
2.本发明采用STATCOM与自励异步发电机并联结构，利用STATCOM进行实时的无功补偿，使发电机机端电压连续可调，实现提高发电机带载能力和维持电压稳定控制的目的；
3.本发明电压外环采用传统的PI控制器保持系统的简单性，电流内环控制采用预测电流控制方法进行设计，克服了以往采用传统的PI控制时其PI参数在实际操作中整定较为困难的问题，提高了电流的跟踪能力且具有良好的自适应能力和鲁棒性。
附图说明
图1是本发明一种自励异步发电机的装置结构示意图。
图中，自励异步发电机装置1、信号采集和调理模块2、STATCOM模块3、控制器模块4、自励异步发电机5、原动机6、KM1开关7、KM2开关8、负载9、异步发电机控制系统电压和电流信号的实时采集2-1、锁相环输出角度和机端电压幅值的计算2-2、滤波电感3-1、三相全桥开关管3-2、直流侧电容3-3、电压外环控制4-1、电流内环控制4-2、电压空间矢量的选择4-3、异步发电机5-1、励磁电容5-2、机端电压幅值控制4-1-1、直流侧电压控制4-1-2、预测电流模型4-2-1、价值函数g 4-2-2。
图2是本发明一种自励异步发电机的装置及控制方法的控制原理图。
图中，控制器模块4、电压外环控制4-1、机端电压幅值控制4-1-1、直流侧电压控制4-1-2、电流内环控制4-2、预测电流模型4-2-1、价值函数g4-2-2、电压空间矢量的选择4-3、信号采集和调理模块2、自励异步发电机控制系统电压和电流信号的实时采集2-1、锁相环输出角度和机端电压幅值的计算2-2、udc为STATCOM直流侧电压，为给定的直流侧电压指令，ut为自励异步发电机5机端电压幅值，为电压幅值的参考量，和分别dq坐标系下给定的有功电流指令和无功电流指令，和分别αβ坐标系下给定的有功电流指令和无功电流，sa、sb、sc为开关状态组合，iα(k+1)和iβ(k+1)为下一时刻的预测电流值i(k+1)在αβ坐标系下的电流，icα和icβ分别为αβ坐标系下有功电流和无功电流的实际值，usabc为自励异步发电机5的机端电压实际值，icabc为STATCOM模块3的交流侧电流信号，θ为锁相环输出角度。
图3是本发明一种自励异步发电机的装置及控制方法的STATCOM的电压矢量。
图4是本发明一种自励异步发电机的装置及控制方法的预测电流模型控制算法流程图。
图5是本发明一种自励异步发电机的装置及控制方法在不同控制器下，加减三相对称阻性负载时机端电压仿真波形。
图中，(a)为加50Ω三相对称阻性，负载下机端电压波形、(b)为减50Ω三相对称阻性，负载下机端电压波形、实线表示预测电流控制下机端电压幅值仿真波形，虚线表示PI控制下机端电压幅值仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述，但不构成对本发明保护范围的限制。
一种自励异步发电机的装置的结构如图1所示，1.一种自励异步发电机的装置1由信号采集和调理模块2、STATCOM模块3、控制器模块4和自励异步发电机5构成。
所述信号采集和调理模块2由自励异步发电机控制系统电压和电流信号的实时采集2-1和锁相环输出角度和机端电压幅值的计算2-2构成，其中自励异步发电机控制系统电压和电流信号的实时采集2-1包括对自励异步发电机5机端电压信号usa、usb、usc以及所述STATCOM模块3交流侧输入电流信号ica、icb、icc和直流侧电压信号udc的采集，锁相环输出角度和机端电压幅值的计算2-2包括对锁相环输出角度θ的正余弦值和机端电压幅值ut的计算。所述信号采集和调理模块2将采集到的电压信号usa、usb、usc，通过计算获得机端电压幅值ut作为电压外环控制4-1的机端电压幅值控制4-1-1的无功输入量，所述STATCOM模块3的直流侧电压udc作为电压外环控制的直流侧电压控制4-1-2的有功输入量；所述STATCOM模块3交流侧输入电流信号ica、icb、icc通过abc-αβ坐标变换获得的电流icα、icβ分别作为所述控制器模块4的电流内环控制4-2的有功输入量和无功输入量。
机端电压幅值ut的计算公式为
abc-αβ坐标变换表达式为
锁相环输出角度θ的计算公式为
式中，usα、usβ为αβ坐标系下的自励异步发电机5机端相电压值。
所述STATCOM模块3包括滤波电感3-1、三相全桥开关管3-2以及直流侧电容3-3；滤波电感3-1滤去进入STATCOM模块3交流电中的脉动成分；直流侧电容3-3的储能作用，支持直流电压的稳定；STATCOM模块3通过并联自励异步发电机5用于补偿SEIG系统来实现自励异步发电机的机端电压连续可调，闭合KM2开关8通过STATCOM模块3发出连续的无功功率，使系统在通过断开KM1开关7投切负载9的情况下，能够维持自励异步发电机5的机端电压稳定。
所述控制器模块4用于对所述STATCOM模块3进行控制，包括对电压外环控制4-1中机端电压幅值控制4-1-1和直流侧电压控制4-1-2、电流内环控制4-2的预测电流模型4-2-1和价值函数g 4-2-2以及电压空间矢量的选择4-3；直流侧电压控制4-1-2将所述STATCOM模块3的直流侧电压udc和直流侧电压的参考量的偏差量通过PI控制器后，其输出作为电流内环控制4-2的有功给定；机端电压幅值控制4-1-1将机端电压幅值ut和电压幅值的参考量的偏差量通过PI控制器后，其输出作为电流内环控制4-2的无功给定；在电流内环控制4-2中通过预测电流模型4-2-1对从电压外环控制4-1输出的 和所述STATCOM模块3获得的电流ica、icβ以及所述STATCOM模块3的直流侧电压udc在预测电流模型4-2-1下进行相应的算法计算获得下一时刻的预测电流值i(k+1)在αβ坐标系下的电流iα(k+1)和iβ(k+1)；价值函数g 4-2-2采用绝对误差计算方式计算，即通过将电压外环控制4-1输出的通过dq-αβ坐标变换后获得αβ坐标系下的给定电流和预测电流模型4-2-1在αβ坐标系下输出的预测电流iα(k+1)和iβ(k+1)，这两个分量的绝对值之和进行计算；电压空间矢量的选择4-3通过选择价值函数g 4-2-2的最小值，即电流误差最小时所对应的开关状态组合sa、sb和sc。
dq-αβ坐标变换的表达式为
所述自励异步发电机5由异步发电机5-1和励磁电容5-2并联组成，自励异步发电机5通过原动机6驱动其转子转动，其中励磁电容5-2向自励异步发电机5提供建压过程中的励磁电流，用于异步发电机5-1的空载建压。负载9通过KM1开关7直接以并联形式接在自励异步发电机5的机端。
2.一种自励异步发电机的控制方法，操作如下：
1)所述信号采集和调理模块2在装置1中分三个步骤操作：
步骤一：使用电压传感器采集的自励异步发电机5的机端电压信号usa、usb、usc以及STATCOM模块3的直流侧电容3-3两端的电压udc，使用电流传感器采集STATCOM模块3交流侧输入电流信号ica、icb、icc。
步骤二：将采集的自励异步发电机5机端电压信号usa、usb、usc，通过公式计算出机端电压幅值ut，通过锁相环输出角度θ的正余弦计算公式计算出锁相环输出角度θ的正余弦值。
步骤三：将采集的STATCOM模块3交流侧输入电流信号ica、icb、icc通过abc-αβ坐标变换，得到dq坐标系下的电流icα、icβ。
2)所述STATCOM模块3在装置1中的补偿过程分三个阶段：
第一阶段：自励异步发电机5自激建压成功后，闭合KM2开关8并通过滤波电感3-1，投入STATCOM模块3，STATCOM模块3不发出无功电流。
第二阶段：闭合KM1开关7，此时负载9投入后，自励异步发电机5的机端电压幅值产生跌落，STATCOM模块3检测到系统电压的跌落，从而快速发出感性或容性无功电流，连续的补偿自励异步发电机5所需的无功功率，直到自励异步发电机5的机端电压达到给定值，系统到达稳态状态。
第三阶段：当切除负载9时，因为STATCOM模块3不能瞬间检测到，还按前一状态发送容性无功电流，从而使自励异步发电机5获得过多无功功率，因而发电机机端电压升高；当STATCOM模块3检测到电压升高后，立刻快速发出感性无功电流，从而使自励异步发电机5的机端电压快速恢复稳定，实现系统电压的稳定控制。
3)所述控制器模块4的控制过程分五个阶段：
第一阶段：对STATCOM模块3给定的直流侧电压指令和反馈的STATCOM模块3直流侧电压指令udc的差值进行PI控制，得到给定的有功电流指令对自励异步发电机5的机端电压幅值ut和电压幅值的参考量的偏差量通过PI控制器后，其输出作为电流内环控制4-2的无功给定。
第二阶段：在电流内环控制4-2中通过预测电流模型4-2-1对从电压外环控制4-1输出的和STATCOM模块3获得的电流ica、icβ以及STATCOM模块3的直流侧电压udc在预测电流模型4-2-1下进行相应的算法计算获得下一时刻的预测电流值i(k+1)在αβ坐标系下的电流iα(k+1)和iβ(k+1)。
第三阶段：价值函数g 4-2-2采用绝对误差计算方式计算，即通过将电压外环控制4-1输出的通过dq-αβ坐标变换后获得αβ坐标系下的给定电流和预测电流模型4-2-1在αβ坐标系下输出的预测电流iα(k+1)和iβ(k+1)，这两个分量的绝对值之和进行计算。
第四阶段：电压空间矢量的选择4-3通过选择价值函数g 4-2-2的最小值，即电流误差最小时所对应的开关状态组合sa、sb和sc。
第五阶段：对电流内环控制4-2输出的PWM信号产生开关状态组合sa、sb和sc，控制三相全桥开关管3-2的通断，使STATCOM模块实时动态的发出系统所需无功量，从而维持自励异步发电机5机端电压的稳定。
4)所述自励异步发电机5的空载建压过程如下：
在原动机6的拖动下，异步发电机5-1转子以一定转速高速旋转，转子中残留的磁通将切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势，通过并联上励磁电容5-2，感应电动势作用在电容上所产生的感应电流，对剩磁起了加强作用，气隙磁通的增加使定子绕组感应出更大的电势，再作用在励磁电容5-2中，再次增大了电容电流，从而进一步增加了气隙磁通，通过如此反复的自激过程，磁通量不断递增，使气隙磁通得到增强，从而感应出更高的电动势，当转子转速大于同步转速时，异步发电机5-1能够发出足够的电压，直到励磁电容阻抗曲线与发电机空载特性曲线的交点时建压完成，此时自励异步发电机5的机端电压逼近某一稳态值，从而进入到稳定的工作点。
一种自励异步发电机的装置及控制方法的控制原理如图2所示，图中，控制器模块4、电压外环控制4-1、机端电压幅值控制4-1-1、直流侧电压控制4-1-2、电流内环控制4-2、预测电流模型4-2-1、价值函数g 4-2-2、电压空间矢量的选择4-3、信号采集和调理模块2、自励异步发电机控制系统电压和电流信号的实时采集2-1、锁相环输出角度和机端电压幅值的计算2-2、udc为STATCOM直流侧电压，为给定的直流侧电压指令，ut为自励异步发电机5机端电压幅值，为电压幅值的参考量，和分别dq坐标系下给定的有功电流指令和无功电流指令，和分别αβ坐标系下给定的有功电流指令和无功电流，sa、sb、sc为开关状态组合，iα(k+1)和iβ(k+1)为下一时刻的预测电流值i(k+1)在αβ坐标系下的电流，icα和icβ分别为αβ坐标系下有功电流和无功电流的实际值，usabc为自励异步发电机5的机端电压实际值，icabc为STATCOM模块3的交流侧电流信号，θ为锁相环输出角度。自励异步发电机控制系统电压、电流信号的实时采集2-1、锁相环输出角度和机端电压幅值的计算2-2，主要通过利用相应的传感器采集这些信号，采集到的自励异步发电机5的机端电压usabc、三相全桥开关管3-2的直流侧电容两端电压udc和STCATCOM模块3交流侧的电流icabc，通过公式计算和abc-αβ坐标变换获得的锁相环输出角度θ、αβ坐标系下的电流isα和isβ以及自励异步发电机5的机端电压幅值ut，并将其传递给控制器模块4；控制器模块4将采集的信号经过电压外环控制4-1的直流侧电压控制4-1-2和机端电压幅值控制4-1-1，分别通过外环电压PI控制器后，通过电流内环控制4-2的预测电流控制方法选择出电流误差最小时所对应的开关状态组合sa、sb和sc，来驱动三相全桥开关管3-2实时动态的通断，实现对整个系统的控制。
根据图2所示，本发明一种自励异步发电机控制方法，具体的实现包括以下步骤：
步骤一：电压外环控制4-1。
通过信号采集和调理模块2将获取的电压信号usa、usb、usc计算出自励异步发电机5机端电压幅值机端电压幅值控制4-1-1将机端电压幅值ut和电压幅值的参考量的偏差量通过PI控制器后，其输出作为电流内环控制4-2的无功给定，同时，直流侧电压控制(4-1-2)将STATCOM模块(3)的直流侧电压udc和直流侧电压的参考量的偏差量通过PI控制器后，其输出作为电流内环控制(4-2)的有功给定；计算公式如下:
式中，为直流电压参考值，为机端电压参考值，Kp_dc和KI_dc为直流电压PI控制器的比例系数和积分系数，Kp_ac和KI_ac为交流电压PI控制器的比例系数和积分系数，但在实际应用中比例系数和积分系数由工程经验获得。
为了实现电压的准确定向，通过对电压信号进行计算获得电压定向角即锁相环输出角度θ。其计算表达式表示如下:
式中，usα、usβ为αβ坐标系下的自励异步发电机5机端相电压值。
步骤二：电流内环控制4-2。
①建立系统模型和可能的开关状态
STATCOM的输入电压空间矢量为:
式中，a＝ej2π/3，a2＝ej4π/3，uca，ucb和ucc为输入相电压。
三相平衡情况下，电流空间矢量可以定义为
三相全桥开关管3-2的开关状态由开关状态组合sa、sb和sc决定，可以用向量的形式直接表示为
输入电压空间矢量和开关状态矢量S有关，可表示为
uc＝udcS
式中，udc是三相全桥开关管3-2直流侧电容3-3两端的电压。
考虑到门极信号Sa，Sb和Sc所有的组合，有八个开关状态，从而获得八个电压矢量。其中V0＝V7，因此只有7个不同的电压矢量。如图3所示，变流器是非线性离散系统，只有七个不同的状态作为可能的输入。简化模型，使用一个简单的变流器模型来表示。
us是电机输出电压，可以表示为:
式中，usa，usb和usc为异步发电机5-1机端输出相电压。这样输出电压空间矢量可用电压方程表示：
式中，R、L分别为三相全桥开关管3-2交流侧滤波电抗的等效电阻和等效电感。
②建立离散时间模型
电流i在采样时间Ts的离散时间形式，可预测第k个采样时刻的电流和测量电压。di/dt约为
把上式代入电压方程，得到第k个采样时刻的电流
其中，当采样时间足够小且负载侧主要为电感时，RTs可忽略不计。
将上式离散时间往前推一步，可确定下一时刻的电流为:
可得uc(k)的估计值:
可利用估计的输出电压空间矢量当前及过去的值来推断出下一采样时刻的输出电压，由于输出电压在采样间隔内没有太大的改变，在这种情况下可假设
③电压空间矢量选择与价值函数g的定义。
为了运算的简单以及更为有效地跟踪，价值函数采用绝对误差的方式，即给定值与预测值在两相静止αβ坐标系下两分量的绝对值之和为:
式中，iα(k+1)和iβ(k+1)以及和分别为αβ坐标系下第k+1个采样时刻的预测电流值和给定电流值。
在预测算法中，估算出可能存在的7个电压矢量，得出7个不同的电流预测值。电压矢量的电流预测值接近预期的下一个采样时刻电流参考值。即选择的矢量将作为最小化的价值函数。在具体算法的实现过程中，由于采样时间Ts为数微秒，相对50Hz发电系统其电流保持不变，因此可认为i*(k+1)≈i*(k)。
步骤三：电压空间矢量选择4-3。
如图4所示，在第k个采样时刻利用电流反馈和所有开关状态组合(Sa，Sb和Sc)，根据电流预测模型对第k+1个采样时刻的电流进行预测，然后选择使电流误差最小，即价值函数的最小化时所对应的Sa，Sb和Sc作用于STATCOM，并在接下来的每一个采样周期内不断地循环运行该运算流程，可以实现对每一个电压矢量的预测。生成的PWM信号控制开关管通断，实现发电机机端电压的稳定控制。
采用上述控制策略及装置，针对2kW/380V/1440r/min的鼠笼式异步发电机进行高性能控制设计，其仿真结果如图5所示。对比了在电流内环分别使用常规PI控制下和预测电流控制方法下，加减三相对称阻性负载时机端电压仿真波形。
对图5分析可知，本发明一种自励异步发电机的装置及控制方法分别在内环采用预测电流控制和PI控制下，加减50Ω三相对称阻性负载时机端电压幅值仿真波形。动态响应快，稳态精度高，满足异步电动机的电流跟踪能力，同时在电阻变化时，该装置具有较好的控制性能，说明其动态性能和鲁棒性较好。
最后应说明的是：以上内容仅用以对本发明进一步详细说明，而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (2)
1.一种自励异步发电机的装置，其特征在于，该装置(1)由信号采集和调理模块(2)、STATCOM模块(3)、控制器模块(4)和自励异步发电机(5)构成；
所述信号采集和调理模块(2)由自励异步发电机控制系统电压和电流信号的实时采集(2-1)和锁相环输出角度和机端电压幅值的计算(2-2)构成；其中自励异步发电机控制系统电压和电流信号的实时采集(2-1)包括对自励异步发电机(5)机端电压信号usa、usb、usc以及所述STATCOM模块(3)交流侧输入电流信号ica、icb、icc和直流侧电压信号udc的采集，锁相环输出角度和机端电压幅值的计算(2-2)包括对锁相环输出角度θ的正余弦值和机端电压幅值ut的计算；所述信号采集和调理模块(2)将采集到的电压信号usa、usb、usc，通过计算获得机端电压幅值ut作为电压外环控制(4-1)的机端电压幅值控制(4-1-1)的无功输入量，所述STATCOM模块(3)的直流侧电压udc作为电压外环控制的直流侧电压控制(4-1-2)的有功输入量；所述STATCOM模块(3)交流侧输入电流信号ica、icb、icc通过abc-αβ坐标变换获得的电流icα、icβ分别作为所述控制器模块(4)的电流内环控制(4-2)的有功输入量和无功输入量；
机端电压幅值ut的计算公式为
abc-αβ坐标变换表达式为
锁相环输出角度θ的正余弦计算公式为
式中，usα、usβ为αβ坐标系下的自励异步发电机5机端相电压值；
所述STATCOM模块(3)包括滤波电感(3-1)、三相全桥开关管(3-2)以及直流侧电容(3-3)；滤波电感(3-1)滤去进入STATCOM模块(3)交流电中的脉动成分；直流侧电容(3-3)的储能作用，支持直流电压的稳定；STATCOM模块(3)通过并联自励异步发电机(5)用于补偿SEIG系统来实现自励异步发电机的机端电压连续可调，闭合KM2开关(8)通过STATCOM模块(3)发出连续的无功功率，使系统在通过断开KM1开关(7)投切负载(9)的情况下，能够维持自励异步发电机(5)的机端电压稳定；
所述控制器模块(4)用于对所述STATCOM模块(3)进行控制，包括对电压外环控制(4-1)中机端电压幅值控制(4-1-1)和直流侧电压控制(4-1-2)、电流内环控制(4-2)的预测电流模型(4-2-1)和价值函数g(4-2-2)以及电压空间矢量的选择(4-3)；直流侧电压控制(4-1-2)将所述STATCOM模块(3)的直流侧电压udc和直流侧电压的参考量的偏差量通过PI控制器后，其输出作为电流内环控制(4-2)的有功给定；机端电压幅值控制(4-1-1)将机端电压幅值ut和电压幅值的参考量的偏差量通过PI控制器后，其输出作为电流内环控制(4-2)的无功给定；在电流内环控制(4-2)中通过预测电流模型(4-2-1)对从电压外环控制(4-1)输出的和所述STATCOM模块(3)获得的电流ica、icβ以及所述STATCOM模块(3)的直流侧电压udc在预测电流模型(4-2-1)下进行相应的算法计算获得下一时刻的预测电流值i(k+1)在αβ坐标系下的电流iα(k+1)和iβ(k+1)；价值函数g(4-2-2)采用绝对误差计算方式计算，即通过将电压外环控制(4-1)输出的通过dq-αβ坐标变换后获得αβ坐标系下的给定电流和预测电流模型4-2-1在αβ坐标系下输出的预测电流iα(k+1)和iβ(k+1)，这两个分量的绝对值之和进行计算；电压空间矢量的选择(4-3)通过选择价值函数g(4-2-2)的最小值，即电流误差最小时所对应的开关状态组合sa、sb和sc；
dq-αβ坐标变换的表达式为
所述自励异步发电机(5)由异步发电机(5-1)和励磁电容(5-2)并联组成，自励异步发电机(5)通过原动机(6)驱动其转子转动，其中励磁电容(5-2)向自励异步发电机(5)提供建压过程中的励磁电流，用于异步发电机(5-1)的空载建压。负载(9)通过KM1开关(7)直接以并联形式接在自励异步发电机(5)的机端。
2.如权利要求1所述的一种自励异步发电机的控制方法，其操作如下：
1)所述信号采集和调理模块(2)在装置(1)中可分三个步骤：
步骤一：使用电压传感器采集的自励异步发电机(5)的机端电压信号usa、usb、usc以及STATCOM模块(3)的直流侧电容(3-3)两端的电压udc，使用电流传感器采集STATCOM模块(3)交流侧输入电流信号ica、icb、icc；
步骤二：将采集的自励异步发电机(5)机端电压信号usa、usb、usc，通过公式计算出机端电压幅值ut，通过锁相环输出角度θ的正余弦计算公式计算出锁相环输出角度θ的正余弦值；
步骤三：将采集的STATCOM模块(3)交流侧输入电流信号ica、icb、icc通过abc-αβ坐标变换，得到αβ坐标系下的电流icα、icβ；
2)所述STATCOM模块(3)在装置(1)中的补偿过程可分三个阶段：
第一阶段：自励异步发电机(5)自激建压成功后，闭合KM2开关(8)并通过滤波电感(3-1)，投入STATCOM模块(3)，STATCOM模块(3)不发出无功电流；
第二阶段：闭合KM1开关(7)，此时负载(9)投入后，自励异步发电机(5)的机端电压幅值产生跌落，STATCOM模块(3)检测到系统电压的跌落，从而快速发出感性或容性无功电流，连续的补偿自励异步发电机(5)所需的无功功率，直到自励异步发电机(5)的机端电压达到给定值，系统到达稳态状态；
第三阶段：当切除负载(9)时，因为STATCOM模块(3)不能瞬间检测到，还按前一状态发送容性无功电流，从而使自励异步发电机(5)获得过多无功功率，因而自励异步发电机(5)的机端电压升高；当STATCOM模块(3)检测到电压升高后，立刻快速发出感性无功电流，从而使自励异步发电机(5)的机端电压快速恢复稳定，实现系统电压的稳定控制；
3)所述控制器模块(4)的控制过程可分五个阶段：
第一阶段：对STATCOM模块(3)给定的直流侧电压指令和反馈的STATCOM模块(3)直流侧电压指令udc的差值进行PI控制，得到给定的有功电流指令对自励异步发电机(5)的机端电压幅值ut和电压幅值的参考量的偏差量通过PI控制器后，其输出作为电流内环控制(4-2)的无功给定；
第二阶段：在电流内环控制(4-2)中通过预测电流模型(4-2-1)对从电压外环控制(4-1)输出的和STATCOM模块(3)获得的电流ica、icβ以及STATCOM模块(3)的直流侧电压udc在预测电流模型(4-2-1)下进行相应的算法计算获得下一时刻的预测电流值i(k+1)在αβ坐标系下的电流iα(k+1)和iβ(k+1)；
第三阶段：价值函数g(4-2-2)采用绝对误差计算方式计算，即通过将电压外环控制(4-1)输出的通过dq-αβ坐标变换后获得αβ坐标系下的给定电流和预测电流模型(4-2-1)在αβ坐标系下输出的预测电流iα(k+1)和iβ(k+1)，这两个分量的绝对值之和进行计算；
第四阶段：电压空间矢量的选择(4-3)通过选择价值函数g(4-2-2)的最小值，即电流误差最小时所对应的开关状态组合sa、sb和sc；
第五阶段：对电流内环控制(4-2)输出的PWM信号产生开关状态组合sa、sb和sc，控制三相全桥开关管(3-2)的通断，使STATCOM模块实时动态的发出系统所需无功量，从而维持自励异步发电机(5)机端电压的稳定；
4)所述自励异步发电机(5)的空载建压过程如下：
在原动机(6)的拖动下，异步发电机(5-1)转子以一定转速高速旋转，转子中残留的磁通将切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势，通过并联上励磁电容(5-2)，感应电动势作用在电容上所产生的感应电流，对剩磁起了加强作用，气隙磁通的增加使定子绕组感应出更大的电势，再作用在励磁电容(5-2)中，再次增大了电容电流，从而进一步增加了气隙磁通，通过如此反复的自激过程，磁通量不断递增，使气隙磁通得到增强，从而感应出更高的电动势，当转子转速大于同步转速时，异步发电机(5-1)能够发出足够的电压，直到励磁电容阻抗曲线与发电机空载特性曲线的交点时建压完成，此时自励异步发电机(5)的机端电压逼近某一稳态值，从而进入到稳定的工作点。
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