CN108448971A - 一种无刷双馈发电机的控制系统及模型预测电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷双馈发电机的控制系统及模型预测电流控制方法，该方法包括如下步骤：检测当前k时刻控制绕组电流值，通过坐标变换，得到控制绕组电流在dq旋转坐标系下的dq轴分量；通过控制绕组k+1时刻电流给定值dq轴分量与检测得到的k时刻控制绕组电流dq轴分量进行运算，得到控制绕组电流差值；将电流预测差值带入控制绕组电压预测方程，计算出平均控制绕组电压；将平均控制绕组电压输入到SVM调制模块，产生驱动脉冲，控制控制绕组电流，使其跟踪电流给定值。该方法根据控制绕组电流给定值的要求，提前预测出控制绕组所需施加的电压值，提高控制绕组电流的动态跟踪性能，从而能够对功率绕组测输出电压的幅值和频率进行快速的调节控制。

Description

一种无刷双馈发电机的控制系统及模型预测电流控制方法

技术领域

本发明属于无刷双馈发电机控制技术领域，更具体地，涉及一种无刷双馈发电机的控制系统及模型预测电流控制方法。

背景技术

无刷双馈发电机(Brushless Doubly-fed Induction Generator)是一种新型的感应发电机，其定子侧具有两套绕组，一套为控制绕组，一套为功率绕组，两套绕组极对数不同，之间没有电磁耦合；其转子有多种形式，包括同心笼式、磁阻式以及绕线式，转子可以同时与定子的两套绕组耦合。通过控制控制绕组电流的频率和幅值大小可以有效控制功率绕组输出电压的频率和幅值。无刷双馈发电机没有电刷和滑环，具有高可靠性易维护等特点。在船舶轴带发电、风力发电、水力发电等领域具有显著的应用优势。

在独立发电系统中，发电机输出端不与大电网连接。因此，发电电压受到电机转速以及负载等的影响较大。当发电机转速快速变化以及突加突卸负载时，发电机输出电压幅值和频率会出现波动现象。对于无刷双馈发电机，主要是通过控制控制绕组电流的频率和幅值来控制输出电压的频率和幅值。为了减小发电机转速快速变化以及突加突卸负载时输出电压和频率和幅值的波动，需要提高控制绕组电流控制环的动态响应性能，使得控制绕组电流能够快速响应，跟踪给定值，从而使的输出电压频率和幅值波动减小，并且能够快速恢复稳定，提高发电系统的稳定性和电压质量。

发明内容

本发明提出了一种无刷双馈发电机的控制系统及模型预测电流控制方法，该方法根据控制绕组电流给定值的要求，提前预测出控制绕组所需施加的电压值，可以大大提高控制绕组电流的动态跟踪性能，从而能够对功率绕组测输出电压的幅值和频率进行快速的调节控制。在无刷双馈发电机发电系统中，对发电质量要求严格，快速的电流动态跟踪性能，可以保证并提高发电电压质量，具有很高的实用价值。

作为本发明的一方面，本发明提供一种无刷双馈发电机的控制系统，包括：依次连接的控制绕组电流变换模块、模型预测电流控制模块及SVM调制器；

控制绕组电流变换模块用于将三相abc坐标系下的控制绕组实际电流值转换到dq旋转坐标系下，得到控制绕组实际电流值dq轴分量；

模型预测电流控制模块用于根据实际电流值dq轴分量和控制绕组电流给定值进行电压预测输出控制绕组电压；

SVM调制器用于对控制绕组电压进行脉冲调制产生驱动脉冲，控制控制绕组电流，使其跟踪电流给定值；

其中，预测时刻控制绕组电压d轴分量与当前时刻控制绕组电流d轴分量、控制绕组当前时刻电流和预测时刻电流给定值差值的d轴分量及当前时刻功率绕组电流q轴分量相关，k+1时刻控制绕组电压q轴分量与当前时刻控制绕组电流q轴分量、控制绕组当前时刻电流和预测时刻电流给定值差值的q轴分量、当前时刻功率绕组电流d轴分量、q轴分量以及当前时刻控制绕组电流d轴分量相关。

优选地，模型预测电流控制模块根据公式

获得预测时刻控制绕组电压d轴分量；

其中，U_2d(k+1)是k+1时刻控制绕组电压在dq旋转坐标系中的d轴分量；ω₁和ω_r分别是输出电压角频率和转子角速度；L₂、L_1r、L_2r、L_r分别是控制绕组自感、功率绕组与转子互感、控制绕组与转子互感以及转子自感；R₂和R_r是控制绕组电阻和转子电阻；p₁和p₂分别为功率绕组极对数和控制绕组极对数；i_1d(k)和i_1q(k)分别为k时刻功率绕组电流dq轴分量，Ts是采样周期。

优选地，模型预测电流控制模块根据公式

获得k+1时刻控制绕组电压q轴分量；

其中，U_2q(k+1)是k+1时刻控制绕组电压在dq旋转坐标系中的q轴分量；ω₁和ω_r分别是输出电压角频率和转子角速度；L₂、L_1r、L_2r、L_r分别是控制绕组自感、功率绕组与转子互感、控制绕组与转子互感以及转子自感；R₂和R_r是控制绕组电阻和转子电阻；p₁和p₂分别为功率绕组极对数和控制绕组极对数；i_1d(k)和i_1q(k)分别为k时刻功率绕组电流dq轴分量，Ts是采样周期。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种无刷双馈发电机的模型预测电流控制方法，包括如下步骤：

(1)检测当前k时刻控制绕组实际电流值，通过坐标变换，将三相abc坐标系下的控制绕组实际电流值转换到dq旋转坐标系下，得到控制绕组实际电流值dq轴分量；

(2)通过控制绕组k+1时刻电流给定值dq轴分量与检测得到的k时刻控制绕组实际电流值dq轴分量进行运算，得到控制绕组电流差值dq轴分量；

(3)根据控制绕组电流差值和控制绕组电压预测方程获得k+1时刻控制绕组电压；k+1时刻控制绕组电压d轴分量与k时刻控制绕组电流d轴分量、控制绕组电流差值d轴分量及k时刻功率绕组电流q轴分量相关，k+1时刻控制绕组电压q轴分量与k时刻控制绕组电流q轴分量、控制绕组电流差值q轴分量、k时刻功率绕组电流d轴分量、q轴分量以及k时刻控制绕组电流d轴分量相关；

(4)将k+1时刻控制绕组电压输入到SVM调制模块，产生驱动脉冲，控制控制绕组电流，使其跟踪电流给定值。

优选地，所述步骤(2)中，根据公式获得k+1时刻控制绕组电流给定值dq轴分量；

其中，i表示电流，k+1、k、k-1分别表示k+1时刻、k时刻、k-1时刻，上标“*”表示给定值，下标“2”代表控制绕组，下标“d”、“q”分别表示dq坐标系下的d轴分量和q轴分量。

优选地，根据公式获得k+1时刻控制绕组电压d轴分量；

其中，U_2d(k+1)是k+1时刻控制绕组电压在dq旋转坐标系中的d轴分量；ω₁和ω_r分别是输出电压角频率和转子角速度；L₂、L_1r、L_2r、L_r分别是控制绕组自感、功率绕组与转子互感、控制绕组与转子互感以及转子自感；R₂和R_r是控制绕组电阻和转子电阻；p₁和p₂分别为功率绕组极对数和控制绕组极对数；i_1d(k)和i_1q(k)分别为k时刻功率绕组电流dq轴分量，T_s是采样周期。

优选地，根据公式获得k+1时刻控制绕组电压q轴分量；

其中，U_2q(k+1)是k+1时刻控制绕组电压在dq旋转坐标系中的q轴分量；ω₁和ω_r分别是输出电压角频率和转子角速度；L₂、L_1r、L_2r、L_r分别是控制绕组自感、功率绕组与转子互感、控制绕组与转子互感以及转子自感；R₂和R_r是控制绕组电阻和转子电阻；p₁和p₂分别为功率绕组极对数和控制绕组极对数；i_1d(k)和i_1q(k)分别为k时刻功率绕组电流dq轴分量，Ts是采样周期。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明以体现控制绕组电流差值和控制绕组电压的预测方程获得控制绕组电压，能实现对无刷双馈发电机控制绕组电流的精确控制。

2、本发明利用当前时刻和前一个时刻的控制绕组电流给定值获得预测时刻的控制绕组电流给定值，当电流给定值包含交流成分或本身为交流量时，也可以实现电流准确的跟随控制。

3、本发明以体现控制绕组电流差值和控制绕组电压的预测方程获得控制绕组电压，能有效提高无刷双馈发电机发电系统控制绕组电流环的动态性能，进而改善发电质量，增强抗扰能力，提高系统稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的无刷双馈发电机的控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种无刷双馈发电机的模型预测电流控制方法流程图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

模型预测控制方法，通过预测控制量的变化规律，提前做出响应，可以大大提高控制系统的动态响应性能，是一种快速响应的高级控制方法。将模型预测控制方法用于无刷双馈发电机发电系统的电流控制，可以有效提升系统的动态响应能力，增强系统的抗扰动能力和系统稳定性。

以下对本发明中有关概念加以解释：

abc坐标系：对应于交流电机的三相对称的静止绕组，具有相交于原点的a轴、b轴和c轴三个坐标轴，这三个坐标轴在空间静止且互差120度对称分布，按顺时针方向，依次为a轴、b轴和c轴；

dq标系：具有相交于原点的d轴和q轴两个坐标轴，这两个坐标轴互差90度(按逆时针方向，依次为d轴和q轴)，以一定的角速度逆时针旋转。按正序电压频率旋转的称为正序同步旋转坐标系；按负序电压频率旋转的称为负序同步旋转坐标系。

SVM调制：为电机控制中常用概念。以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。

无刷双馈发电机的基本数学方程式如下：

其中，U、i、R、ψ、L分别表示电压、电流、电阻、磁链、电感；下标“1”代表功率绕组；下标“2”代表控制绕组；下标“r”代表转子；“s”是微分算子，“d”、“q”表示dq坐标系下的dq轴分量。

实际电机转子侧绕组短接，所以端电压为零。令式(5)等于零，结合式(6)，可以得到转子电流表达式(7)：

转子电流表达式过于复杂，经过简化得到新的转子电流表达式：

将(8)式转子电流带入式(3)控制绕组电压方程，结合式(1)、(2)和(4)式可得到下式：

根据(9)(10)式，推出控制绕组电流的微分项表达式(11)(12)：

将电流的微分用电流差分除以采样周期Ts的方式代替，可以推出电流的误差关于控制绕组电压的表达式为(13)(14)：

预测电流误差值的另一种算法采用(15)和(16)式的计算方式计算：

然后，根据将(15)和(16)式带入(13)和(14)式，反推出所需的控制电压值：

基于上述分析，如图1所示，本发明提供一种无刷发电机的控制系统，该控制系统包括控制绕组电流变换模块、模型预测电流控制模块及SVM调制器；控制绕组电流变换模块的输出端同模型预测电流控制模块的一个输入端连接，模型预测电流控制模块的另一输入端用于接收控制绕组电流给定值，模型预测电流控制模块的输出端同SVM调制器的输入端连接。

控制绕组电流变换模块用于将三相abc坐标系下的控制绕组实际电流值转换到dq旋转坐标系下，得到控制绕组实际电流值dq轴分量；模型预测电流控制模块用于根据实际电流值dq轴分量和控制绕组电流给定值进行电压预测输出控制绕组电压；SVM调制器用于对控制绕组电压进行脉冲调制产生驱动脉冲，控制控制绕组电流，使其跟踪电流给定值。

如图2所示，本发明提供一种基于上述无刷双馈发电机的控制系统的模型预测电流控制方法，包括如下步骤：

步骤1：控制绕组电流变换模块检测当前k时刻控制绕组实际电流值，通过坐标变换，将三相abc坐标系下的控制绕组电流值转换到dq旋转坐标系下，得到dq轴分量。即根据如下公式获得dq轴分量：

其中，i_2a、i_2b和i_2c分别表示控制绕组a相、b相和c相电流；是无刷双馈电机控制绕组相位给定值；i_2d和i_2q分别为控制绕组电流d轴分量和q轴分量。

步骤2：模型预测电流控制模块接收k+1时刻控制绕组电流给定，其中，k+1时刻控制绕组电流给定值dq轴分量分别为和

模型预测电流控制模块根据公式和可计算出控制绕组电流误差值Δi_2d(k)和Δi_2q(k)。

在控制系统中，指令值保持不变或者为交流成分存在，通过使用k时刻和k-1时刻的电流给定值，可以减小k+1时刻电流给定值的偏差，可以使预测电流给定值更加准确。

步骤3：模型预测电流控制模块将控制绕组电流差值带入控制绕组电压预测方程，计算控制绕组电压，控制绕组电压预测方程如下式所示：

其中，U_2d(k+1)和U_2q(k+1)分别是控制绕组电压在dq旋转坐标系中的dq轴分量；ω₁，ω₂和ω_r分别是功率绕组输出电压角频率、控制绕组电压角频率和转子角速度；L₂、L_1r、L_2r、L_r分别是控制绕组自感、功率绕组与转子互感、控制绕组与转子互感以及转子自感；R₂和R_r是控制绕组电阻和转子电阻；p₁和p₂分别为功率绕组极对数和控制绕组极对数；i_1d和i_1q分别为功率绕组电流dq轴分量，i_2d(k)和i_2q(k)分别为k时刻控制绕组电流dq轴分量，Δi_2d(k)和Δi_2q(k)分别为k+1时刻和k时刻控制绕组电流给定值dq轴分量差值，Ts是采样周期。

U_2d(k+1)表达式右边第一项和第二项表示控制绕组d轴电压与d轴电流之间的传递关系，第三项D_2d(k)表示功率绕组q轴电流与控制绕组d轴电压之间的交叉扰动；U_2q(k+1)表达式右边第一项和第二项表示控制绕组q轴电压与q轴电流之间的传递关系，第三项D_2q(k)表示功率绕组d轴电流、q轴电流以及控制绕组d轴电流与控制绕组q轴电压之间的交叉扰动。

步骤4：利用U_2d(k+1)和U_2q(k+1)，进行SVM调制，产生控制绕组控制器驱动脉冲，控制控制绕组电流，产生所需电压，完成电流控制，消除电流误差，使得实际电流跟踪给定电流所需控制绕组电压值。

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 (7)

1.一种无刷发电机的控制系统，其特征在于，包括：依次连接的控制绕组电流变换模块、模型预测电流控制模块及SVM调制器；

控制绕组电流变换模块用于将三相abc坐标系下的控制绕组实际电流值转换到dq旋转坐标系下，得到控制绕组实际电流值dq轴分量；

模型预测电流控制模块用于根据实际电流值dq轴分量和控制绕组电流给定值进行电压预测输出控制绕组电压；

SVM调制器用于对控制绕组电压进行脉冲调制产生驱动脉冲，控制控制绕组电流，使其跟踪电流给定值；

其中，预测时刻控制绕组电压d轴分量与当前时刻控制绕组电流d轴分量、控制绕组当前时刻电流和预测时刻电流给定值差值的d轴分量及当前时刻功率绕组电流q轴分量相关，k+1时刻控制绕组电压q轴分量与当前时刻控制绕组电流q轴分量、控制绕组当前时刻电流和预测时刻电流给定值差值的q轴分量、当前时刻功率绕组电流d轴分量、q轴分量以及当前时刻控制绕组电流d轴分量相关。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，模型预测电流控制模块根据公式获得预测时刻控制绕组电压d轴分量；

其中，U_2d(k+1)是k+1时刻控制绕组电压在dq旋转坐标系中的d轴分量；ω₁和ω_r分别是输出电压角频率和转子角速度；L₂、L_1r、L_2r、L_r分别是控制绕组自感、功率绕组与转子互感、控制绕组与转子互感以及转子自感；R₂和R_r是控制绕组电阻和转子电阻；p₁和p₂分别为功率绕组极对数和控制绕组极对数；i_1d(k)和i_1q(k)分别为k时刻功率绕组电流dq轴分量，T_s是采样周期。

3.如权利要求1或2所述的模型预测电流控制方法，其特征在于，模型预测电流控制模块根据公式获得k+1时刻控制绕组电压q轴分量；

其中，U_2q(k+1)是k+1时刻控制绕组电压在dq旋转坐标系中的q轴分量；ω₁和ω_r分别是输出电压角频率和转子角速度；L₂、L_1r、L_2r、L_r分别是控制绕组自感、功率绕组与转子互感、控制绕组与转子互感以及转子自感；R₂和R_r是控制绕组电阻和转子电阻；p₁和p₂分别为功率绕组极对数和控制绕组极对数；i_1d(k)和i_1q(k)分别为k时刻功率绕组电流dq轴分量，Ts是采样周期。

4.一种无刷双馈发电机的模型预测电流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)检测当前k时刻控制绕组实际电流值，通过坐标变换，将三相abc坐标系下的控制绕组实际电流值转换到dq旋转坐标系下，得到控制绕组实际电流值dq轴分量；

(2)通过控制绕组k+1时刻电流给定值dq轴分量与检测得到的k时刻控制绕组实际电流值dq轴分量进行运算，得到控制绕组电流差值dq轴分量；

(3)根据控制绕组电流差值和控制绕组电压预测方程获得k+1时刻控制绕组电压；k+1时刻控制绕组电压d轴分量与k时刻控制绕组电流d轴分量、控制绕组电流差值d轴分量及k时刻功率绕组电流q轴分量相关，k+1时刻控制绕组电压q轴分量与k时刻控制绕组电流q轴分量、控制绕组电流差值q轴分量、k时刻功率绕组电流d轴分量、q轴分量以及k时刻控制绕组电流d轴分量相关；

(4)将k+1时刻控制绕组电压输入到SVM调制模块，产生驱动脉冲，控制控制绕组电流，使其跟踪电流给定值。

5.如权利要求4所述的模型预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据公式获得k+1时刻控制绕组电流给定值dq轴分量；

其中，i表示电流，k+1、k、k-1分别表示k+1时刻、k时刻、k-1时刻，上标“*”表示给定值，下标“2”代表控制绕组，下标“d”、“q”分别表示dq坐标系下的d轴分量和q轴分量。

6.如权利要求4或5所述的模型预测电流控制方法，其特征在于，根据公式

获得k+1时刻控制绕组电压d轴分量；

其中，U_2d(k+1)是k+1时刻控制绕组电压在dq旋转坐标系中的d轴分量；ω₁和ω_r分别是输出电压角频率和转子角速度；L₂、L_1r、L_2r、L_r分别是控制绕组自感、功率绕组与转子互感、控制绕组与转子互感以及转子自感；R₂和R_r是控制绕组电阻和转子电阻；p₁和p₂分别为功率绕组极对数和控制绕组极对数；i_1d(k)和i_1q(k)分别为k时刻功率绕组电流dq轴分量，T_s是采样周期。

7.如权利要求4至6任一项所述的模型预测电流控制方法，其特征在于，根据公式

获得k+1时刻控制绕组电压q轴分量；

其中，U_2q(k+1)是k+1时刻控制绕组电压在dq旋转坐标系中的q轴分量；ω₁和ω_r分别是输出电压角频率和转子角速度；L₂、L_1r、L_2r、L_r分别是控制绕组自感、功率绕组与转子互感、控制绕组与转子互感以及转子自感；R₂和R_r是控制绕组电阻和转子电阻；p₁和p₂分别为功率绕组极对数和控制绕组极对数；i_1d(k)和i_1q(k)分别为k时刻功率绕组电流dq轴分量，Ts是采样周期。