CN107276482B - 一种起动/发电系统的起动/发电软切换方法 - Google Patents

一种起动/发电系统的起动/发电软切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种起动/发电系统的起动/发电软切换方法，包括如下步骤：步骤S1，在起动/发电切换过程中，将负载切入到系统中，起动电源与负载并存；步骤S2，双向开关级调制；步骤S3，对电源d轴电流进行闭环控制；步骤S4，对电机电流进行闭环控制；步骤S5，单向开关级调制；步骤S6，当电源d轴电流的期望值小于切出阈值时，系统进入稳态，断开电源侧开关，切出起动电源并进入发电状态下的系统控制。此种软切换方法简单易实现，能够保证切换过程中直流母线电压平稳，实现起动/发电软切换。

Description

一种起动/发电系统的起动/发电软切换方法
技术领域
本发明属于矩阵变换器和起动/发电系统领域，涉及一种基于双级矩阵变换器的起动/发电系统，特别涉及一种保持母线电压平稳的起动/发电状态切换方法。
背景技术
长期以来，飞机等装备中发动机需要借助专用电起动机(如直流电动机)或非电起动机(如燃气涡轮起动机和空气涡轮起动机)才能起动。起动/发电一体化技术使与发动机连接的发电机一机两用，实现起动和发电两项功能。在发动机起动是，起动发电机作为电动机运行，带动发动机旋转，到达一定转速后发动机进入自行工作状态；随着转速的上升，发动机反过来传动起动发电机，使其工作在发电机状态，向用电设备供电。起动/发电技术使起动机和发电机实现了统一，革除了传统的起动机，减轻了发电系统的重量，提高了可靠性。因此，起动/发电技术引起了人们的广泛关注。
四象限交-交功率变换器是起动/发电系统不可缺少的关键部件。传统的双PWM变换器需要较大体积的直流母线储能电容和较大重量的滤波电感，且无法集成于起动/发电系统内部，不利于系统性能的提高。最近十几年，矩阵变换器成为一大研究热点，它无需大体积滤波电容和大重量滤波电感、结构紧凑易于集成，具有“绿色变换器”的称号。其中，双极式矩阵变换器的换流控制和箝位电路均较简单，易于实现，是目前极具发展前景的交-交变换器之一。将双极式矩阵变换器应用于起动/发电系统，能够较大程度利用双极式矩阵变换器结构上的优势，使整个系统的结构变得更为简单可靠。
目前，基于双极式矩阵变换器的起动/发电系统起动/发电切换方法主要有2种。第一种方法是先关断矩阵变换器所有开关管，通过箝位电路进行过压保护，再将电源切为负载，切入滤波电容，从而进入发电模式。该方法第一步中，由于箝位电路为过压保护，感性电流突变会引起直流母线电压产生尖峰，这使得变换器承担过压风险，且引入了过压吸收电路，整个系统需要较多的电容和电感元件，硬件构成复杂，不具有双极式矩阵变换器结构紧凑的优势。第二种方法是先将电源切为负载，电机电流通过双级式矩阵变换器的前级续流，续流完成后关断所有开关管切入滤波电容，进入发电模式。该方法电机电流续流时间较长，算法较方法一而言更为复杂。另外，以上两种切换方法中，变换器需要改变滤波器结构来避免过流问题，这增加了系统结构的复杂性，也增加了算法实现难度。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种起动/发电系统的起动/发电软切换方法，其简单易实现，能够保证切换过程中直流母线电压平稳，实现起动/发电软切换。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种起动/发电系统的起动/发电软切换方法，包括如下步骤：
步骤S1，在起动/发电切换过程中，将负载切入到系统中，起动电源与负载并存；
步骤S2，双向开关级调制；
步骤S3，对电源d轴电流进行闭环控制；
步骤S4，对电机电流进行闭环控制；
步骤S5，单向开关级调制；
步骤S6，当电源d轴电流的期望值小于切出阈值时，系统进入稳态，断开电源侧开关，切出起动电源并进入发电状态下的系统控制。
上述步骤S1的详细内容是：在起动/发电切换过程中，将负载侧开关闭合，并保持起动电源侧开关闭合，起动电源与负载并存，此时系统进入发电状态。
上述步骤S2的详细内容是：令双向开关级电流调制比mc＝1，相角信号θc＝2πfLt，其中，fL为期望的负载电压频率，t为时间变量；根据mc和θc采用电流空间矢量算法产生双向开关级的驱动信号并调制。
上述步骤S3的详细内容是：
步骤S31，检测电源电流isa、isb、isc，通过下式进行abc/αβ坐标变换，计算isα和isβ：
步骤S32，通过下式计算电源相角θs：
步骤S33，通过下式计算isd和isq：
步骤S34，对电源d轴电流进行闭环控制，将电源电流d轴分量isd的期望值设为0，根据下式计算电机电流的q轴分量期望值
其中，kvp和kvi为电流环PI调节器的参数，s为复频域算子。
上述步骤S4的详细内容是：
步骤S41，控制器检测起动/发电机的三相电枢电流isA、isB、isC，此时为发电状态下电机电流，采用下式计算出电流dq分量id、iq：
其中，坐标变换所需的相角为位置传感器获得的电机位置角度θ；
步骤S42，对电机dq轴电流进行闭环控制，令其d轴电流期望值为0，q轴电流期望值为通过下式计算单向开关侧电压dq分量uId和uIq：
其中，kip和kii为PI调节器的参数，s为复频域算子。
上述步骤S5的详细内容是：
步骤S51，通过如下公式所示的dq/abc坐标变换计算出三相电压uIA、uIB、uIC：
其中，θ为电机位置传感器获得的转子角度，随后通过下式计算线电压uILA、uILB、uILC：
uILA＝uIA-uIB,uILB＝uIB-uIC,uILC＝uIC-uIA
步骤S52，通过下式计算出αβ分量uILα、uILβ：
然后通过下式计算出单向开关级电压调制比mv及矢量相角θv：
其中，udc为母线电压；获得mv及θv后采用电压空间矢量算法产生单向开关级的驱动信号进行调制。
采用上述方案后，本发明具有如下特点：
(1)本发明的起动/发电软切换方法，起动状态切换为发电状态时，先不将起动电源切出，利用起动电源保持母线电压的平稳，实现起动到发电的软切换。
(2)本发明的起动/发电软切换方法，起动状态切换为发电状态时，硬件上只需先将负载切入系统，稳态后再将起动电源切出，无需切换滤波器，且无需改变变换器的调制算法，算法容易实现，适合航空起动/发电系统。
附图说明
图1是现有的两种基于双级式矩阵变换器的常规交流电能转换系统架构图；
其中，(a)是起动/发电机位于电流型变换器侧，负载位于电压型变换器侧的架构图，(b)是起动/发电机位于电压型变换器侧，负载位于电流型变换器侧的架构图；
图2是本发明应用的基于双级式矩阵变换器的常规交流电能转换系统架构图；
图3是本发明的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明所应用的基于双级式矩阵变换器的常规交流电能转换系统如图2所示，包括如下部分：起动电源1、负载2、切换开关3和4、LC滤波器5、双级式矩阵变换器6、起动/发电机7、电机位置传感器8、电源/负载采样电路9、电机采样电路10、系统控制器11、驱动电路12，其中，LC滤波器5由滤波电感Lf 51和滤波电容Cf 52组成。双级式矩阵变换器6由双向开关级61、箝位电路62和单向开关级63组成，双向开关级61包含6个双向开关611，每个双向开关611由2个IGBT共射级构成，箝位电路包含1个快恢复二极管621和小容量电容622，单向开关级63与三相逆变器的结构相同。起动/发电机7位于双级式矩阵变换器的单向开关侧，与单向开关级63直接相连，起动电源1和负载2位于双向开关侧，通过LC滤波器5与双向开关级61相连。硬件上，起动状态到发电状态的改变只需通过切换开关3和切换开关4的切换就可实现。
三相交流电源通过电源侧滤波电感接到三相电压型整流器的交流输入侧，电压型整流器的结构与普通的三相全桥电压型PWM整流器或者三相全桥电压型PWM逆变器的结构相同。三相交流负载通过交流负载侧LC滤波器连接三相电流型逆变器的交流输出侧，电流型逆变器的结构与普通的三相全桥电流型PWM整流器或者三相全桥电流型PWM逆变器的结构相同。
本系统基于双向功率流动原理，无需改变变换器的调制算法，只需根据控制目标设定整个系统的控制方法即可实现运行，下面对系统的控制方法进行详细说明。
本发明提供一种起动/发电系统的起动/发电软切换方法，其思想是：在起动/发电切换过程中，借助起动电源来保持母线电压平稳，先将负载切入到系统中，电源和负载共存，通过对电源电流闭环控制来实现电源的切出。具体包括如下步骤：
步骤1，控制器发出控制信号，将负载侧开关SL闭合，并保持起动电源侧开关SS闭合，即将负载切入主电路，起动电源与负载并存，此时系统进入发电状态；
起动/发电系统起动完成后，原动机已能自行维持转速，起动电源无需再向起动/发电机提供功率，此时电机即可转为发电运行状态，此时只需将切换开关4闭合，将电源电流闭环切入控制系统；
步骤2，双向开关级采用常用的电流空间矢量算法，令双向开关级电流调制比mc＝1，相角信号θc＝2πfLt，其中，fL为期望的负载电压频率，t为时间变量。发电时相角信号θc决定了负载电压频率，根据mc和θc采用电流空间矢量算法产生双向开关级的驱动信号并调制；
步骤3，检测电源电流isa、isb、isc，通过式(1)进行αβ/abc坐标变换，计算isα和isβ：
计算电源相角θs：
计算isd和isq：
步骤4，对电源d轴电流进行闭环控制，将电源电流d轴分量(有功电流)isd的期望值设为0，将isd与期望值作差，经PI调节后即可产生电机电流的q轴分量(有功电流)期望值
其中，kvp和kvi为电流环PI调节器的参数，s为复频域算子。
这种控制思路的物理意义在于：电机电流的q轴分量为电磁转矩电流分量iq，也是电机的有功电流分量，三相负载的有功电流iLd，起动电源向负载提供有功电流isd，忽略变换器的损耗，则三者的关系为：
iLd＝isd+iq (5)
由此可知iLd一定时，isd与iq成正比，因此将电源电流闭环作为电机q轴电流环的外环，可以根据电源有功电流的大小自动调节电机发出的有功功率，最终使电源有功电流与期望值相同。
步骤5，控制器检测起动/发电机的三相电枢电流isA、isB、isC，此时为发电状态下电机电流，采用式(6)计算出电流dq分量id、iq：
其中，坐标变换所需的相角为位置传感器获得的电机位置角度θ。
步骤6，对电机dq轴电流进行闭环控制，令其d轴电流期望值为0，q轴电流期望值为即为步骤3产生的通过式(7)计算单向开关侧电压dq分量uId和uIq：
其中，kip和kii为PI调节器的参数，s为复频域算子。
步骤7，通过式(8)所示的dq/abc坐标变换计算出三相电压uIA、uIB、uIC：
其中，θ为电机位置传感器获得的转子角度，随后通过式(9)计算线电压uILA、uILB、uILC：
uILA＝uIA-uIB,uILB＝uIB-uIC,uILC＝uIC-uIA (9)
步骤8，通过式(10)所示的abc/αβ变换计算出αβ分量uILα、uILβ：
然后通过式(11)计算出单向开关级电压调制比mv及矢量相角θv：
其中，udc为母线电压，可采用估计值，获得mv及θv后即可采用电压空间矢量算法产生单向开关级的驱动信号进行调制；
步骤9，等待<切出阈值，系统进入稳态，断开电源侧开关SS，切出起动电源并进入发电状态下的系统控制。
综合上述，本发明一种起动/发电系统的起动/发电软切换方法，所述起动/发电系统将起动/发电机置于矩阵变换器的逆变级侧，起动电源和负载置于整流级侧，在状态转换时，先将负载切入到系统中，此时电源和负载共存，起动电源保持母线电压平稳，通过对电源电流的闭环控制来实现电源的切出，本发明实现时结构简单，思路清晰，实现了起动/发电过程的软切换。
以上实施例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。

Claims (6)

1.一种起动/发电系统的起动/发电软切换方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1，在起动/发电切换过程中，将负载切入到系统中，起动电源与负载并存；
步骤S2，双向开关级调制；
步骤S3，对电源d轴电流进行闭环控制；
步骤S4，对电机电流进行闭环控制；
步骤S5，单向开关级调制；
步骤S6，当电源d轴电流的期望值小于切出阈值时，系统进入稳态，断开电源侧开关，切出起动电源并进入发电状态下的系统控制。
2.如权利要求1所述的一种起动/发电系统的起动/发电软切换方法，其特征在于：所述步骤S1的详细内容是：在起动/发电切换过程中，将负载侧开关闭合，并保持起动电源侧开关闭合，起动电源与负载并存，此时系统进入发电状态。
3.如权利要求1所述的一种起动/发电系统的起动/发电软切换方法，其特征在于：所述步骤S2的详细内容是：令双向开关级电流调制比mc＝1，相角信号θc＝2πfLt，其中，fL为期望的负载电压频率，t为时间变量；根据mc和θc采用电流空间矢量算法产生双向开关级的驱动信号并调制。
4.如权利要求1所述的一种起动/发电系统的起动/发电软切换方法，其特征在于：所述步骤S3的详细内容是：
步骤S31，检测电源电流isa、isb、isc，通过下式进行abc/αβ坐标变换，计算isα和isβ：
其中，isα、isβ分别为电源电流的α、β分量；
步骤S32，通过下式计算电源相角θs：
步骤S33，通过下式计算isd和isq：
其中，isd、isq分别为电源电流d轴分量和q轴分量；
步骤S34，对电源d轴电流进行闭环控制，将电源电流d轴分量isd的期望值设为0，根据下式计算电机电流的q轴分量期望值
其中，kvp和kvi为电流环PI调节器的参数，s为复频域算子。
5.如权利要求1所述的一种起动/发电系统的起动/发电软切换方法，其特征在于：所述步骤S4的详细内容是：
步骤S41，控制器检测起动/发电机的三相电枢电流isA、isB、isC，此时为发电状态下电机电流，采用下式计算出电流dq分量id、iq：
其中，坐标变换所需的相角为位置传感器获得的电机位置角度θ；
步骤S42，对电机dq轴电流进行闭环控制，令其d轴电流期望值为0，q轴电流期望值为通过下式计算单向开关侧电压dq分量uId和uIq：
其中，kip和kii为PI调节器的参数，s为复频域算子。
6.如权利要求1所述的一种起动/发电系统的起动/发电软切换方法，其特征在于：所述步骤S5的详细内容是：
步骤S51，通过如下公式所示的dq/abc坐标变换计算出三相电压uIA、uIB、uIC：
其中，θ为电机位置传感器获得的转子角度，uId和uIq表示单向开关侧电压dq分量：随后通过下式计算线电压uILA、uILB、uILC：
uILA＝uIA-uIB,uILB＝uIB-uIC,uILC＝uIC-uIA
步骤S52，通过下式计算出αβ分量uILα、uILβ：
然后通过下式计算出单向开关级电压调制比mv及矢量相角θv：
其中，udc为母线电压；获得mv及θv后采用电压空间矢量算法产生单向开关级的驱动信号进行调制。
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