CN108123649A - 一种单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法，包括：利用采集到的绕组开放式永磁同步电机系统的转子位置角对当前采集到的三相定子电流进行Clarke和Park变换，得到当前时刻的电流；根据得到的当前时刻的电流，计算下一时刻的预测电流；根据给定的负载电压与实际测量的负载电压比较，得到电压的误差信号；将得到电压的误差信号进行电压外环调节，得到下一时刻的参考电流；根据代价函数评价下一时刻的参考电流与下一时刻的预测电流之间的误差，选择使代价函数值最小的一组开关信号作用于三相变流器。本发明提供的绕组开放式永磁同步发电机控制方法，不仅降低了PI调节器参数调节的复杂度，并且电流无带宽限制提高了系统动态性能。

Description

一种单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别是指一种单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法。

背景技术

近年来，随着高性能稀土永磁材料、电力电子开关器件、脉冲宽度调制技术及电机控制方法的发展，永磁电机得以迅速地发展，特别是我国稀土资源丰富，总量远大于世界其他国家含量总和，这更使永磁电机在国内发展具有天然优势。并且永磁同步电机相比传统的异步电机和绕线式同步电机而言，具有功率密度高、转矩惯性比高、效率高及磁钢结构灵活多变等优异的性能，较好地克服了励磁绕组短路、开路、温升及电刷结构带来的问题，已经广泛地应用于风力发电和交流伺服、电气传动等领域。

绕组开放式永磁电机从上世纪年代初被提出以来，受限于电力电子器件的发展，直至本世纪初，随着高压大功率场合应用的增加，开绕组电机的研究迎来了新的发展。而电力电子器件由最早的晶闸管、历经可关断晶闸管、双极型大功率晶体管到场控元器件等，其单管容量及开关频率都有了大幅的提升，为开绕组电机的发展提供了坚实的基础。关于开绕组电机的研究可以大致归结为两大类：(1)对绕组开放式永磁电机外接不同的变流器拓扑结构的研究；(2)运用于不同场合时开绕组电机的控制方法研究。

绕组开放式永磁电机是将传统星接绕组中性点拆分开，构成独立的三相绕组。开放式绕组电机采用双逆变器供电，即由两个传统两电平逆变器分别连接到绕组的两端，按照两个逆变器的直流母线是否连接在一起分为共母线双逆变器和隔离母线双逆变器。隔离母线双逆变器系统中绕组三相电流之和为零，不存在零序电流，但需要采用两个隔离的电源供电，系统较复杂，成本高。而共母线双逆变器仅需一个电源供电，结构简单，但系统中不存在三相绕组电流之和等于零的拓扑约束。变流器调制产生的共模电压导致系统产生环流的零序电流，给系统带来了额外的铜耗、温升及转矩波动等负面效应。

目前为止对于这一种绕组开放式永磁电机拓扑结构控制方法的研究，主要是矢量控制，该控制方法虽然能有效的抑制系统产生的零序电流，减小波动，具有良好的稳态性能。但矢量控制系统PI(比例积分)参数多，增加了参数调节的复杂度；当转速、负载变化时，系统动态响应较慢。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供了一种单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法，能够有效地降低PI调节器参数调节的复杂度。

基于上述目的本发明提供的一种单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法，包括：

利用采集到的绕组开放式永磁同步电机系统的转子位置角对当前采集到的三相定子电流进行Clarke和Park变换，得到当前时刻的d轴、q轴和零轴的电流；

根据得到的当前时刻的d轴、q轴和零轴的电流，计算下一时刻d轴、q轴和零轴的预测电流；

根据给定的负载电压与实际测量的负载电压比较，得到电压的误差信号；

将得到电压的误差信号进行电压外环调节，得到下一时刻q轴的参考电流，设定下一时刻d轴和零轴的参考电流为0；

根据代价函数评价下一时刻q轴、d轴和零轴的参考电流与下一时刻d轴、q轴和零轴的预测电流之间的误差，选择使代价函数值最小的一组开关信号作用于三相变流器。

可选的，根据得到的当前时刻的d轴、q轴和零轴的电流，计算下一时刻d轴、q轴和零轴的预测电流的公式为：i(k+1)＝F(k)*i(k)+G(u₁(k)-u₂(k))+H(k)，其中 i(k+1)是k+1时刻电流，i(k)是k时刻电流、u₁(k)为作用在可控变流器上的电压，u₂(k)为作用在不控整流器上的电压，R为定子电阻，L是电感，ω(k)为k时刻的电机转速，ψ_f为永磁体磁链，θ为转子位置角，T为采样周期。

可选的，所述u₂(k)为作用在不控整流器上的电压是由采集的永磁同步电机系统的三相定子电流的正负极性决定，三相定子电流方向不同则输出的不控整流器三相电压不同。

可选的，所述代价函数为其中为d、q、零轴的参考电流，i_d(k+1)、i_q(k+1)、i₀(k+1)为k+1时刻d、q、零轴的预测电流。

本发明提供的一种单边可控并联式绕组开放式永磁发电系统，包括绕组开放式永磁同步发电机、变流器、整流桥、控制器和负载；将永磁同步发电机的三相定子绕组中性点打开，构成绕组开放式永磁同步发电机，并引出三个新端子，将所述绕组开放式永磁发电机的三相定子绕组一端连接三相可控变流器，另一端连接三相不控整流器，所述变流器和所述整流桥的直流侧共联在一条直流母线，所述直流侧输出的电压通过电容滤波后供给负载；

所述控制器用于采集绕组开放式永磁同步发电机的三相定子电流、转子位置角以及直流母线电压，通过如权利要求1-4任意一项所述的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法发出开关信号，实现对变流器的控制。

从上面所述可以看出，本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法，通过采用模型预测电流控制方法，根据代价函数去评价需要控制的电流预测值，然后选择使代价函数最小的一组开关状态。本发明提供的控制方法摒弃了磁场定向控制中的电流内环和零序电流环，利用模型预测电流控制方法得到下一时刻电压矢量，整个控制系统仅有电压外环，控制方法简单，不仅降低了PI调节器参数调节的复杂度，并且电流无带宽限制提高了系统动态性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法实施例的控制框图；

图2为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机系统实施例的结构示意图；

图3为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法实施例的直流侧电压波形图；

图4为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法实施例的三相电流波形图；

图5为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法实施例的i_d和i_q轴电流波形图；

图6为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法实施例的零序电流波形图；

图7为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法实施例的a相电流谐波分析示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

基于上述目的，本发明的实施例提出了一种单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法。如图1所示，为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法实施例的控制框图；本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法包括：

利用采集到的绕组开放式永磁同步电机系统的转子位置角对当前采集到的三相定子电流进行Clarke和Park变换，得到当前时刻的d轴、q轴和零轴的电流；

根据得到的当前时刻的d轴、q轴和零轴的电流，计算下一时刻d轴、q轴和零轴的预测电流；

根据给定的负载电压与实际测量的负载电压比较，得到电压的误差信号；

将得到电压的误差信号进行电压外环调节，得到下一时刻q轴的参考电流，设定下一时刻d轴和零轴的参考电流为0；

根据代价函数评价下一时刻q轴、d轴和零轴的参考电流与下一时刻d轴、q轴和零轴的预测电流之间的误差，选择使代价函数值最小的一组开关信号作用于三相变流器。

绕组开放式永磁同步电机系统采用模型电流预测控制方法，其实现过程如下，根据开绕组电机系统模型，得出d，q，零轴的定子电压方程为其中，采集永磁同步电机系统的三相定子电流i_d、i_q、i₀；R为定子电阻，L_d、L_q、L₀分别为d轴、q轴、零轴电感，ω电机转速，ψ_f为永磁体磁链。

选择电机电流为状态变量，将所述的定子电压方程变为状态方程形式，再将状态方程形式离散化，得到永磁同步电机预测控制模型。

因此，在第k个控制周期有：

根据得到的当前时刻的d轴、q轴和零轴的电流，计算下一时刻d轴、q轴和零轴的预测电流的公式为：i(k+1)＝F(k)*i(k)+G(u₁(k)-u₂(k))+H(k)，其中 i(k+1)是k+1时刻电流，i(k)是k时刻电流、u₁(k)为作用在可控变流器上的电压，u₂(k)为作用在不控整流器上的电压，R为定子电阻，L是电感，ω(k)为k时刻的电机转速，ψ_f为永磁体磁链，θ为转子位置角，T为采样周期。

所述u₂(k)为作用在不控整流器上的电压是由采集的永磁同步电机系统的三相定子电流的正负极性决定，三相定子电流方向不同则输出的不控整流器三相电压不同。

由公式：可求出不控整流器端a、b、c三相电压，再将不控整流器端a、b、c三相电压进行Clark变换和Park变换，得到d轴、q轴、零轴电压。

u₁(k)为作用在可控变流器上的电压，由以下公式得到：

其中，u_dc为直流母线电压，s_a、s_b和s_c为可控变流器侧功率变换的开关状态。可定义如下：s＝1,则上管导通下管关断；s＝0,则上管关断下管导通。考虑到所有可能的开关信号s_a、s_b和s_c组合，可获得8种开关状态。然后把开关状态依次带入上式，就可计算出每种开关状态对应下的电压u₁(k)。

所述代价函数为其中 为d、q、零轴的参考电流，i_d(k+1)、i_q(k+1)、i₀(k+1)为k+1时刻d、q、零轴的预测电流。根据代价函数评价下一时刻q轴、d轴和零轴的参考电流与下一时刻d轴、q轴和零轴的预测电流之间的误差，选择使代价函数值最小的一组开关信号作用于三相变流器。

基于上述目的，本发明还提供了一种单边可控并联式绕组开放式永磁发电系统，如图2所示，为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机系统实施例的结构示意图；一种单边可控并联式绕组开放式永磁发电系统，包括绕组开放式永磁同步发电机、变流器、整流桥、控制器和负载；将永磁同步发电机的三相定子绕组中性点打开，构成绕组开放式永磁同步发电机，并引出三个新端子(a₂/b₂/c₂)，将所述绕组开放式永磁同步发电机的三相定子绕组一端连接三相可控变流器，另一端连接三相不控整流器，所述变流器和所述整流桥的直流侧共联在一条直流母线上，所述直流侧输出的电压通过电容滤波后供给负载；

所述控制器用于采集绕组开放式永磁同步发电机的相电流(i_a/i_b/i_c)、转子位置角以及直流母线电压u_dc，通过如权利要求1-4任意一项所述的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法发出开关信号(s_a/s_b/s_c)，实现对变流器的控制。

所述控制器用于采集绕组开放式永磁同步发电机的三相定子电流(i_a/i_b/i_c)、转子位置角以及直流母线电压u_dc，利用采集到的绕组开放式永磁同步电机系统的转子位置角对当前采集到的三相定子电流进行Clarke和Park变换，得到当前时刻的d轴、q轴和零轴的电流；

根据得到的当前时刻的d轴、q轴和零轴的电流，计算下一时刻的d轴、q轴和零轴的预测电流；

根据给定的负载电压与实际测量的负载电压比较，得到电压的误差信号；

将得到电压的误差信号进行电压外环调节，得到下一时刻q轴的参考电流，设定下一时刻d轴和零轴的参考电流为0；

根据代价函数评价下一时刻q轴、d轴和零轴的参考电流与下一时刻d轴、q轴和零轴的预测电流之间的误差，选择使代价函数值最小的一组开关信号作用于三相变流器。

以下是对电机系统进行仿真的电机参数，如表1所示：

电机参数	参数值
		额定转速	2000r/min
定子电阻	1.5Ω
		自感	0.005292H
互感	0.000496H
		极对数	2
永磁体磁链	0.2404

如图3、图4、图5、图6所示，为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法的仿真波形图，输入转速为600r/min，0s～0.5s给定直流电压60V，0.5s～1.5s直流母线电压变为90V。

如图3所示，为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法实施例的直流侧电压波形图，从图3的直流侧电压波形图可以看出，电机运行稳态时，实测直流母线电压能稳定在给定值；当给定电压改变后系统能快速跟踪给定电压。

如图4所示，为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法实施例的三相电流波形图，从图4的三相电流波形图可以看出，三相定子电流稳态时成正弦波形，谐波含量少。

如图5所示，为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法实施例的i_d和i_q轴电流波形图，从图5的i_d和i_q轴电流波形图可以看出，系统稳定时，测量电流i_d和i_q能快速跟踪参考电流和

如图6所示，为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法实施例的零序电流波形图，从图6的零序电流波形图可以看出，采用本发明的控制方法零序电流能够有效的被抑制，抑制后的零序电流幅值为0.3A。

如图7所示，为本发明提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法实施例的a相电流谐波分析示意图，三相电流波形中含有谐波成分，从图7的a相电流谐波分析示意图中可以看出，电流畸变率THD＝8.24％。

由仿真结果可以看出，本发明提供的控制方法不仅能够有效地抑制系统存在的零序电流，还降低了PI调节器参数调节的复杂度，使PI参数调节简单化。

从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法，通过采用模型预测电流控制方法，根据代价函数去评价需要控制的电流预测值，然后选择使代价函数最小的一组开关状态。本发明提供的控制方法摒弃了磁场定向控制中的电流内环和零序电流环，利用模型预测电流控制方法得到下一时刻电压矢量，整个控制系统仅有电压外环，控制方法简单，不仅降低了PI调节器参数调节的复杂度，并且电流无带宽限制提高了系统动态性能。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法，其特征在于，包括：

利用采集到的绕组开放式永磁同步电机系统的转子位置角对当前采集到的三相定子电流进行Clarke和Park变换，得到当前时刻的d轴、q轴和零轴的电流；

根据得到的当前时刻的d轴、q轴和零轴的电流，计算下一时刻d轴、q轴和零轴的预测电流；

根据给定的负载电压与实际测量的负载电压比较，得到电压的误差信号；

将得到电压的误差信号进行电压外环调节，得到下一时刻q轴的参考电流，设定下一时刻d轴和零轴的参考电流为0；

根据代价函数评价下一时刻q轴、d轴和零轴的参考电流与下一时刻d轴、q轴和零轴的预测电流之间的误差，选择使代价函数值最小的一组开关信号作用于三相变流器。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据得到的当前时刻的d轴、q轴和零轴的电流，计算下一时刻d轴、q轴和零轴的预测电流的公式为：i(k+1)＝F(k)*i(k)+G(u₁(k)-u₂(k))+H(k)，

其中 i(k+1)是k+1时刻电流，i(k)是k时刻电流、u1(k)为作用在可控变流器上的电压，u₂(k)为作用在不控整流器上的电压，R为定子电阻，L是电感，ω(k)为k时刻的电机转速，ψ_f为永磁体磁链，θ为转子位置角，T为采样周期。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述u₂(k)为作用在不控整流器上的电压是由采集的永磁同步电机系统的三相定子电流的正负极性决定，三相定子电流方向不同则输出的不控整流器三相电压不同。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述代价函数为其中为d、q、零轴的参考电流，i_d(k+1)、i_q(k+1)、i₀(k+1)为k+1时刻d、q、零轴的预测电流。

5.一种单边可控并联式绕组开放式永磁发电系统，其特征在于，包括绕组开放式永磁同步发电机、变流器、整流桥、控制器和负载；将永磁同步发电机的三相定子绕组中性点打开，构成绕组开放式永磁同步发电机，并引出三个新端子，将所述绕组开放式永磁同步发电机的三相定子绕组一端连接三相可控变流器，另一端连接三相不控整流器，所述变流器和所述整流桥的直流侧共联在一条直流母线上，所述直流侧输出的电压通过电容滤波后供给负载；

所述控制器用于采集绕组开放式永磁同步发电机的三相定子电流、转子位置角以及直流母线电压，通过如权利要求1-4任意一项所述的单边可控并联式绕组开放式永磁同步发电机控制方法发出开关信号，实现对变流器的控制。