CN109245642A - 高压无刷双馈电机控制方法、系统、设备及可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压无刷双馈电机的控制方法、系统、设备及可读存储介质，包括：获取高压无刷双馈电机的变频绕组侧的参考量；根据参考量及变频绕组侧的电角频率得到频率变化量；控制变频器输出目标频率，其中，目标频率为电角频率和频率变化量的和；获取变频绕组侧的当前无功电流；根据当前无功电流及VF曲线调整变频器的输出电压，以使当前无功电流等于预设无功电流。本发明通过对变频器的输出频率进行补偿，可以维持高压无刷双馈电机稳定运行，不会引起失步现象，在高压无刷双馈电机稳定运行的前提下，根据VF曲线，以变频绕组侧的无功电流作参考，即可调节变频器的输出电压，从而控制变频绕组侧的无功电流的大小，通用性强，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及双馈电机领域，特别是涉及一种高压无刷双馈电机的控制方法、系统、设备及可读存储介质。
背景技术
高压无刷双馈电机有两套定子绕组，分别为功率绕组和变频绕组，其中，功率绕组接6kV高压电网，变频绕组接低压变频器，通过低压变频器实现对高压无刷双馈电机的励磁/调速控制，可广泛应用于风机、水泵等调速范围不大的变频调速系统中。高压无刷双馈电机运行在双馈工况，也即同步运行状态时，如果变频器的输出电压过小或过大，容易导致电机失步或无功电流过大，从而导致高压无刷双馈电机运行不稳定。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压无刷双馈电机的控制方法、系统、设备及可读存储介质，可以维持高压无刷双馈电机稳定运行，不会引起失步现象，以变频绕组侧的无功电流作参考，即可调节变频器的输出电压，从而控制变频绕组侧的无功电流的大小，通用性强，可靠性高。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高压无刷双馈电机的控制方法，包括：
获取高压无刷双馈电机的变频绕组侧的参考量；
根据所述参考量及所述变频绕组侧的电角频率得到频率变化量；
控制变频器输出目标频率，其中，所述目标频率为所述电角频率和所述频率变化量的和；
获取所述变频绕组侧的当前无功电流；
根据当前无功电流及VF曲线调整所述变频器的输出电压，以使当前无功电流等于预设无功电流。
优选的，所述参考量为有功功率或有功电流。
优选的，当所述参考量为所述有功功率时，所述根据所述参考量及所述变频绕组侧的电角频率得到频率变化量的过程具体为：
获取有功功率增量，根据所述有功功率增量和频率变化关系式得到所述频率变化量，其中，所述频率变化关系式为Δωc为所述频率变化量，pc为所述变频绕组侧的极对数，pp为所述高压无刷双馈电机的功率绕组侧的极对数，ωc为所述电角频率，J为转动惯量，ΔP1c为所述有功功率增量，Δt是变量观察时间或计算步长。
优选的，所述获取有功功率增量的过程具体为：
对所述有功功率进行一阶高通滤波处理得到有功功率增量。
优选的，所述根据当前无功电流及VF曲线调整所述变频器的输出电压的过程具体为：
判断当前无功电流是否大于预设电流；
若是，根据VF曲线减小所述变频器的输出电压；
若否，根据所述VF曲线增大所述变频器的输出电压。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种高压无刷双馈电机的控制系统，包括：
获取模块，用于获取高压无刷双馈电机的变频绕组侧的参考量；
补偿模块，用于根据所述参考量及所述变频绕组侧的电角频率得到频率变化量；
控制模块，用于控制变频器输出目标频率，其中，所述目标频率为所述电角频率和所述频率变化量的和；
调整模块，用于获取所述变频绕组侧的当前无功电流，根据当前无功电流及VF曲线调整所述变频器的输出电压，以使当前无功电流等于预设无功电流。
优选的，所述参考量为有功功率或有功电流。
优选的，所述补偿模块包括：
获取单元，用于当所述参考量为所述有功功率时，获取有功功率增量；
计算单元，用于根据所述有功功率增量和频率变化关系式得到所述频率变化量，其中，所述频率变化关系式为Δωc为所述频率变化量，pc为所述变频绕组侧的极对数，pp为所述高压无刷双馈电机的功率绕组侧的极对数，ωc为所述电角频率，J为转动惯量，ΔP1c为所述有功功率增量，Δt是变量观察时间或计算步长。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种高压无刷双馈电机的控制设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任意一项所述高压无刷双馈电机的控制方法的步骤。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任意一项所述高压无刷双馈电机的控制方法的步骤。
本发明提供了一种高压无刷双馈电机的控制方法，包括：获取高压无刷双馈电机的变频绕组侧的参考量；根据参考量及变频绕组侧的电角频率得到频率变化量；控制变频器输出目标频率，其中，目标频率为电角频率和频率变化量的和；获取变频绕组侧的当前无功电流；根据当前无功电流及VF曲线调整变频器的输出电压，以使当前无功电流等于预设无功电流。
可见，在实际应用中，采用本发明的方案，通过对变频器的输出频率进行补偿，可以维持高压无刷双馈电机稳定运行，不会引起失步现象，在高压无刷双馈电机稳定运行的前提下，根据VF曲线，以变频绕组侧的无功电流作参考，即可调节变频器的输出电压，从而控制变频绕组侧的无功电流的大小，通用性强，可靠性高。
本发明还提供了一种高压无刷双馈电机的控制系统、设备及可读存储介质，具有和上述控制方法相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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为本发明所提供的一种高压无刷双馈电机的控制方法的步骤流程图；
图2为本发明所提供的一种高压无刷双馈电机变频绕组侧的VF曲线图；
图3为本发明所提供的一种双馈电机的稳态等效电路图；
图4为本发明所提供的一种稳态电压矢量图；
图5为本发明所提供的一种双馈电机稳态运行时的定转子电流矢量图；
图6为本发明所提供的一种高压无刷双馈电机的控制系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种高压无刷双馈电机的控制方法、系统、设备及可读存储介质，可以维持高压无刷双馈电机稳定运行，不会引起失步现象，以变频绕组侧的无功电流作参考，即可调节变频器的输出电压，从而控制变频绕组侧的无功电流的大小，通用性强，可靠性高。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明所提供的一种高压无刷双馈电机的控制方法的步骤流程图，包括：
步骤1：获取高压无刷双馈电机的变频绕组侧的参考量；
作为一种优选的实施例，参考量为有功功率或有功电流。
首先需要说明的是，本发明适用于高压无刷双馈电机的串电阻启动后，在超同步运行范围的调速控制。高压无刷双馈电机包括两套绕组，分别为功率绕组和变频绕组，下文用变频绕组侧和功率绕组侧代替，高压无刷双馈电机的变频绕组侧的VF曲线图参照图2所示，从图2中可以看出，接近自然同步频率点附近，电压曲线提前转折，转折位置随着负载大小变化而变化。具体的，采用690V/25Hz的VF曲线，空载时变频器的输出电压应下调以适应不同的频率(空载运行时电流较小，基本上就是图2中的理想反电势曲线)。根据图2中的曲线可知在超同步区间范围内，运行在一定速度和一定负载下，若变频器的输出电压低于理想反电势电压，电机将失步，高于标准690V/25Hz曲线电压，高压无刷双馈电机的无功电流会越变越大，最终超过额定电流而引起过流故障，导致高压无刷双馈电机无法运行，因此需要控制变频器的输出电压在理想反电势电压和标准690V/25Hz曲线电压之间。
由于高压无刷双馈电机的数学模型及其稳态矢量图比较复杂，从变频绕组侧考虑，与有刷双馈电机非常类似，参照图3所示，图3为基于定子磁场定向绕线转子双馈电机的稳态等效电路，图3中的阻抗都经过了频率和绕组折算，其中us、ur、es、er依次为定子电压矢量、转子电压矢量、定子反电势矢量及转子反电势矢量，is、ir依次为定子电流矢量和转子电流矢量，Ls、Lr、Lm依次为定子自感、转子自感、定转子互感，Rs是定子电阻。通过图3所示的稳态等效电路可以得到如图4所示的稳态电压矢量图，其中ωslip是转差频率，ψs是定子磁链矢量，定义电机定子侧等效励磁电流为im，它与定子磁链矢量ψs的关系式为：
上述关系式可以表示为下述坐标分量形式：
其中，ism为定子侧的定子电流的励磁分量，irm为定子侧的转子电流的励磁分量，ist为定子侧的定子电流的转矩分量，irt为定子侧的转子电流的转矩分量，上面的电流关系式反映了双馈电机定转子之间的磁动势平衡。根据如图3所示的稳态等效电路可得高压无刷双馈电机的转子侧的电压方程为ur＝(Rr+jωslipLσr)ir-er，其中，Lσr为转子绕组的漏感；
结合上述电压方程和如图4所示的稳态电压矢量图可以得到高压无刷双馈电机在稳态运行时，定转子电流形成的磁动势相对平衡，认为定子侧所需的定子转矩、励磁电流可由转子侧的转矩、励磁电流决定。在一定频率、一定负载下，定、转子的反电势矢量es、er的长度基本不变，那么在高压无刷双馈电机的转子侧输入的电压幅值和相位即决定了转子电流的幅值和相位，进而影响了定子侧的电流。
假设上述稳态电压矢量图中，转子电压矢量ur处于第二象限，根据转子方程，转子电流矢量处于第一象限，根据前面的电流关系也就是磁动势平衡式可知，不同大小的电压矢量决定第一象限不同大小的转子电流矢量，决定了定子电流矢量处于第二象限还是第三象限，决定了高压无刷双馈电机定子电流无功分量为正值还是为负值，即决定了连接定子绕组的电网侧与电机之间的无功功率为感性或是容性无功。将电流矢量单独提取出来，可得到如图5所示的双馈电机稳态运行时的定转子电流矢量图。因为电机定转子磁动势平衡，转子电流的转矩分量决定了定子电流转矩分量，也决定了高压无刷双馈电机的电磁转矩，维持高压无刷双馈电机带载运行。若高压无刷双馈电机负载有轻微变化，会引起负载转矩波动，电机电磁转矩、转矩电流都需要调整。如果仅仅在转子侧输入相应频率的电压，转子位置和电压矢量位置要作反复调整，同时还影响了定转子的无功电流分量，整个过程容易引起电流持续振荡，严重时会造成电机失步。
因此，在转子给定电压幅值较大时，应调整转子电压矢量与转子反电势之间或是定子反电势之间的夹角，维持高压无刷双馈电机输出电磁转矩与负载转矩动态平衡。这个夹角与同步电机的功角(表示发电机的励磁电势和端电压之间相角差)非常类似，与电机电磁转矩成正比。也就是说当输入的转子电压不变，并且有足够裕量时，调节转子电压矢量与转子反电势之间或是定子反电势之间的夹角，以适应不同的负载转矩。
具体的，本发明可以采用变频绕组侧的有功功率作为参考量。考虑到变频器以输出的电压作为d轴定向，电压是固定的，通过获取有功电流就能得到有功功率，具体的，变频绕组侧的有功功率计算关系式为P1c＝Ucicd，P1c为有功功率，icd为有功电流，Uc为变频器的输出电压，Uc可以从VF曲线获取，是确定的，因此，有功电流icd的变化与有功功率P1c的变化一致，因此，本发明也可以采用变频绕组侧的有功电流作为参考量，将有功电流作为参考量时，将增益调节量相应修改即可。
步骤2：根据参考量及变频绕组侧的电角频率得到频率变化量；
步骤3：控制变频器输出目标频率，其中，目标频率为电角频率和频率变化量的和；
具体的，变频绕组的电角频率可以理解为给定频率，也即未进行调整之前，变频器的输出频率，根据获取到的参考量和电角频率，即可得到与参考量相对应的频率变化量，将频率变化量补偿到给定频率得到目标频率，从而调整变频器的输出频率，这样就调整了转子电压矢量与转子反电势或定子反电势之间的夹角，维持了高压无刷双馈电机输出电磁转矩与负载转矩的动态平衡，使高压无刷双馈电机重新回到稳定状态。
步骤4：获取变频绕组侧的当前无功电流；
步骤5：根据当前无功电流及VF曲线调整变频器的输出电压，以使当前无功电流等于预设无功电流。
具体的，参照图2所示的VF曲线图，可以得知，随着负载的变化，在同一个频率点，变频器的输出电压并不相同，因此，还应调整变频器的输出电压，以适应负载变化，由于高压无刷双馈电机的负载有变化时，会影响定转子的无功电流分量，在高压无刷双馈电机稳定运行的前提下，获取变频绕组侧的当前无功电流，将当前无功电流与预设无功电流进行比较，根据上述VF型曲线，调整高压无刷双馈电机变频绕组侧的电压值(即变频器的输出电压)，就能调整变频绕组侧的无功电流，也就间接控制了电网侧功率因数。其中，变频绕组侧的无功电流反映了变频绕组侧的电压矢量的裕度，因此在电机负载突变时，也能增大电压矢量幅值，维持电压矢量的裕度。
本发明采用VF控制方法，在690V/25Hz理想VF曲线的基础上，结合高压无刷双馈电机运行实际情况加入控制算法进行微调，处理后的VF曲线能够适应不同频率和不同负载的电动工况。
采用上述控制方案，能调整动态时变频绕组侧的电压矢量的两个自由度，即幅值和相位，控制高压无刷双馈电机在VF模式下调速、带载稳定运行。
本发明提供了一种高压无刷双馈电机的控制方法，包括：获取高压无刷双馈电机的变频绕组侧的参考量；根据参考量及变频绕组侧的电角频率得到频率变化量；控制变频器输出目标频率，其中，目标频率为电角频率和频率变化量的和；获取变频绕组侧的当前无功电流；根据当前无功电流及VF曲线调整变频器的输出电压，以使当前无功电流等于预设无功电流。
可见，在实际应用中，采用本发明的方案，通过对变频器的输出频率进行补偿，可以维持高压无刷双馈电机稳定运行，不会引起失步现象，在高压无刷双馈电机稳定运行的前提下，根据VF曲线，以变频绕组侧的无功电流作参考，即可调节变频器的输出电压，从而控制变频绕组侧的无功电流的大小，通用性强，可靠性高。
在上述实施例的基础上：
作为一种优选的实施例，当参考量为有功功率时，根据参考量及变频绕组侧的电角频率得到频率变化量的过程具体为：
获取有功功率增量，根据有功功率增量和频率变化关系式得到频率变化量，其中，频率变化关系式为Δωc为频率变化量，pc为变频绕组侧的极对数，pp为高压无刷双馈电机的功率绕组侧的极对数，ωc为电角频率，J为转动惯量，ΔP1c为有功功率增量，Δt是变量观察时间或计算步长。
具体的，电机的机械运动方程为其中Tem是电机电磁转矩，TL是负载转矩，J是转动惯量。稳态时，Tem＝TL，采用小信号分析可以得到在稳定运行点附近有：经申请人研发分析发现双馈运行的高压无刷双馈电机的变频绕组侧的频率变化量Δωc与其有功功率增量ΔP1c之间的关系为：其中，pc为变频绕组侧的极对数，pp为高压无刷双馈电机的功率绕组侧的极对数，ωc为电角频率，Δt是变量观察时间或者计算步长。
可以理解的是，要维持系统稳定可作比例调节，即Δωc＝kpΔP1c，其中，可以理解的是，高压无刷双馈电机的变频绕组侧的有功功率变化量ΔP1c是电机转速发生变化造成的，若电机转速或相对位置发生变化，根据ΔP1c的变化趋势即可计算出变频绕组侧的频率变化量Δωc，将该频率变化量Δωc补偿到给定频率ωc，这样就调整了同步运行的功角，使高压无刷双馈电机重新回到稳定状态。
作为一种优选的实施例，获取有功功率增量的过程具体为：
对有功功率进行一阶高通滤波处理得到有功功率增量。
具体的，有功功率增量可以通过对有功功率进行一阶高通滤波得到，ΔP1c可写为式中τh是高通滤波时间常数。
作为一种优选的实施例，根据当前无功电流及VF曲线调整变频器的输出电压的过程具体为：
判断当前无功电流是否大于预设电流；
若是，根据VF曲线减小变频器的输出电压；
若否，根据VF曲线增大变频器的输出电压。
具体的，这里的预设电流即为即给定无功电流，根据VF曲线调整变频绕组侧的电压，需保证变频绕组侧的电压在理想反电势电压和标准690V/25Hz曲线电压之间即可。
请参照图6，图6为本发明所提供的一种高压无刷双馈电机的控制系统的结构示意图，包括：
获取模块1，用于获取高压无刷双馈电机的变频绕组侧的参考量；
补偿模块2，用于根据参考量及变频绕组侧的电角频率得到频率变化量；
控制模块3，用于控制变频器输出目标频率，其中，目标频率为电角频率和频率变化量的和；
调整模块4，用于获取变频绕组侧的当前无功电流，根据当前无功电流及VF曲线调整变频器的输出电压，以使当前无功电流等于预设无功电流。
作为一种优选的实施例，参考量为有功功率或有功电流。
作为一种优选的实施例，补偿模块2包括：
获取单元，用于当参考量为有功功率时，获取有功功率增量；
计算单元，用于根据有功功率增量和频率变化关系式得到频率变化量，其中，频率变化关系式为Δωc为频率变化量，pc为变频绕组侧的极对数，pp为高压无刷双馈电机的功率绕组侧的极对数，ωc为电角频率，J为转动惯量，ΔP1c为有功功率增量，Δt是变量观察时间或计算步长。
相应的，本发明还提供了一种高压无刷双馈电机的控制设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行计算机程序时实现如上文任意一项高压无刷双馈电机的控制方法的步骤。
相应的，本发明还提供了一种可读存储介质，可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上文任意一项高压无刷双馈电机的控制方法的步骤。
本发明所提供的一种高压无刷双馈电机的控制系统、设备及可读存储介质，具有和上述控制方法相同的有益效果。
对于本发明所提供的一种高压无刷双馈电机的控制系统、设备及可读存储介质的介绍，请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种高压无刷双馈电机的控制方法，其特征在于，包括：
获取高压无刷双馈电机的变频绕组侧的参考量；
根据所述参考量及所述变频绕组侧的电角频率得到频率变化量；
控制变频器输出目标频率，其中，所述目标频率为所述电角频率和所述频率变化量的和；
获取所述变频绕组侧的当前无功电流；
根据当前无功电流及VF曲线调整所述变频器的输出电压，以使当前无功电流等于预设无功电流。
2.根据权利要求1所述的高压无刷双馈电机的控制方法，其特征在于，所述参考量为有功功率或有功电流。
3.根据权利要求2所述的高压无刷双馈电机的控制方法，其特征在于，当所述参考量为所述有功功率时，所述根据所述参考量及所述变频绕组侧的电角频率得到频率变化量的过程具体为：
获取有功功率增量，根据所述有功功率增量和频率变化关系式得到所述频率变化量，其中，所述频率变化关系式为Δωc为所述频率变化量，pc为所述变频绕组侧的极对数，pp为所述高压无刷双馈电机的功率绕组侧的极对数，ωc为所述电角频率，J为转动惯量，ΔP1c为所述有功功率增量，Δt为变量观察时间或计算步长。
4.根据权利要求3所述的高压无刷双馈电机的控制方法，其特征在于，所述获取有功功率增量的过程具体为：
对所述有功功率进行一阶高通滤波处理得到有功功率增量。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的高压无刷双馈电机的控制方法，其特征在于，所述根据当前无功电流及VF曲线调整所述变频器的输出电压的过程具体为：
判断当前无功电流是否大于预设电流；
若是，根据VF曲线减小所述变频器的输出电压；
若否，根据所述VF曲线增大所述变频器的输出电压。
6.一种高压无刷双馈电机的控制系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取高压无刷双馈电机的变频绕组侧的参考量；
补偿模块，用于根据所述参考量及所述变频绕组侧的电角频率得到频率变化量；
控制模块，用于控制变频器输出目标频率，其中，所述目标频率为所述电角频率和所述频率变化量的和；
调整模块，用于获取所述变频绕组侧的当前无功电流，根据当前无功电流及VF曲线调整所述变频器的输出电压，以使当前无功电流等于预设无功电流。
7.根据权利要求6所述的高压无刷双馈电机的控制系统，其特征在于，所述参考量为有功功率或有功电流。
8.根据权利要求7所述的高压无刷双馈电机的控制系统，其特征在于，所述补偿模块包括：
获取单元，用于当所述参考量为所述有功功率时，获取有功功率增量；
计算单元，用于根据所述有功功率增量和频率变化关系式得到所述频率变化量，其中，所述频率变化关系式为Δωc为所述频率变化量，pc为所述变频绕组侧的极对数，pp为所述高压无刷双馈电机的功率绕组侧的极对数，ωc为所述电角频率，J为转动惯量，ΔP1c为所述有功功率增量，Δt是变量观察时间或计算步长。
9.一种高压无刷双馈电机的控制设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5任意一项所述高压无刷双馈电机的控制方法的步骤。
10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任意一项所述高压无刷双馈电机的控制方法的步骤。
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Citations (4)
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| JPS59149788A (ja) * | 1983-02-10 | 1984-08-27 | Toshiba Corp | 周波数変換装置の制御方法 |
| CN104052356A (zh) * | 2014-06-25 | 2014-09-17 | 合康变频科技（武汉）有限公司 | 基于无刷双馈电机的变速恒频发电控制装置及发电方法 |
| CN105207566A (zh) * | 2015-09-29 | 2015-12-30 | 深圳市英威腾电气股份有限公司 | 他控式双馈电机的失步振荡抑制方法及其双馈电机系统 |
| CN106208860A (zh) * | 2016-07-26 | 2016-12-07 | 五邑大学 | 异步电机v/f调速轻载振荡的抑制方法以及v/f调速系统 |
-
2018
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Patent Citations (4)
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| Title |
|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112152525A (zh) * | 2020-09-30 | 2020-12-29 | 华中科技大学 | 一种无刷双馈感应发电机不平衡电压补偿装置及方法 |
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