CN109309462A - 一种能源互联网新型发电机系统效率优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种能源互联网新型发电机系统效率优化控制方法，首先根据开关磁阻发电机的数学模型和电磁特性推导出参数θ_p的特征值(θ_p为相电流第一次达到电流参考值对应的转子位置角)；接着依据参数θ_p推导出参数θ_e的特征值(θ_e为续流电流降至零对应的转子位置角)；最后采用两个PI闭环，分别调节开通角和关断角，使参数θ_p和θ_e位于特征值附近。与此同时采用电流斩波控制，使发电功率跟随目标功率的变化而变化，从而实现开关角的自动调节以及效率在线优化。该方法不需要估算机械功率，取而代之测量相对容易且不受外界干扰的θ_p和θ_e，实现方式简单，动态响应速度快，优化精度高，具有良好的工程应用价值。

Description

一种能源互联网新型发电机系统效率优化控制方法

技术领域

本发明属于能源互联网领域，涉及一种能源互联网新型发电机系统效率优化控制方法。

背景技术

开关磁阻发电机以结构简单、制造成本低、容错能力强、运行可靠性高，在较宽的转速 范围内具有较高的效率，已经成功的应用于许多场合。由电压方程、磁链方程、转矩方程及 运动方程构成的数学模型从理论上准确地、完整地描述了电磁与力学关系，然而由于开关磁 阻发电机具有的双凸极结构使其电磁特性具有严重非线性，导致这些数学模型在实际中很少 得到应用。无法建立开关磁阻发电机准确的损耗解析模型，则难以获得开关角与系统输出功 率或发电效率之间准确的解析函数，因此无法通过计算法推导出最优开关角。目前开关角优 化方法主要分为：离线数据优化法和在线寻优法。离线数据优化法通过仿真或实验获得开关 磁阻发电机系统在不同工况下的最优开关角，并建立最优开关角与系统运行状态物理量(转 速、电流参考值、目标功率和母线电压)之间的映射关系，接着导入到查找表，从而在系统 运行过程中能根据运行状态物理量在线输出最优开关角。系统性能优化结果与查找表的维数 及存储数据量有关。高维数和大量的数据可以提升系统性能，但需要占用大量内存以及消耗 更多计算资源，对处理器的运算速度和存储空间有较高要求。同时随着开关磁阻发电机系统 运行工况、环境及时间的改变，最优开关角也随之发生变化，因此静态获取的离线数据往往 不能一直取得较好的控制性能。在线寻优法不依赖发电机的数学模型与结构参数，通过寻优 算法迭代调节开关角，使系统发电效率不断增加，最终稳定于最优值。寻优算法的快速性和 准确性由初始点(优化区间)和步长决定。较大的步长可以缩短发电机系统到达最优值附近 的时间，但容易引起系统振荡，降低了寻优算法的准确性和系统的稳定性。而缩短步长可以 提高优化精度并增强系统稳定性，但需要耗费大量时间，降低了算法的快速性。此外随着运 行工况的变化，开关磁阻发电机系统需要重新启动寻优算法，多次进行功率闭环控制，耗时 较多。同时估算机械功率不但需要消耗处理器资源，而且估算结果容易受测量误差与外界干 扰所影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提出一种开关磁阻发电机系统效率优化控制方 法。根据开关磁阻发电机的数学模型和电磁特性推导出系统运行于效率最优对应的参数特征 值，接着采用PI闭环，通过调节开通角和关断角，使系统参数处于特征值附近，从而自动完 成开关角优化控制，实现系统发电效率最优。

一种开关磁阻发电机系统效率优化控制方法，其特征在于：根据开关磁阻发电机的对称 原理，通过实验法测量得到转子位置角分别为0°、7.5°、15°和22.5°对应的磁链-电流数据，采 用高阶傅里叶级数建立磁链与转子位置角和相电流之间的函数关系，并使用四个特殊位置角 的磁链-电流数据拟合高阶傅里叶级数，得到系数矩阵，从而建立起任意转子位置角和任意电 流到磁链的映射；接着根据磁链得到相电感，进而得到相电感对角度偏导的表达式，求解相 电感对角度偏导表达式，可以得到角度θ_L，使相电感对角度偏导的绝对值最大，为有效利用 旋转电动势绝对值较大的区域，提高电磁功率与发电效率，需要相电流在到达θ_L之前已建立 起足够励磁，即满足θ_P<θ_L(θ_p为相电流第一次达到电流参考值对应的转子位置角)；最后 通过仿真与实验，得到开关磁阻发电机系统在不同工况下运行于效率最优对应的θ_P优化区间； 与此同时依据参数θ_p推导出参数θ_e的特征值(θ_e为续流电流降至零对应的转子位置角)， 并采用两个PI闭环，分别调节开通角和关断角，使参数θ_p和θ_e位于特征值附近，实现系统 发电效率最优。

依据参数θ_p推导出参数θ_e的特征值步骤如下：开关磁阻发电机系统的运行过程分为 两个阶段，即励磁阶段和续流阶段，相应的磁链幅值表达式分别为：中(a)和(b)，联立式(a)和(b)，可得 为：在中低速斩波模式，由于在θ_p后还伴随有电流斩波， 则将表达式改写为：其中为θ_e的特征值，ψ_max为绕 组磁链幅值，θ_on为开通角，θ_p为相电流第一次达到电流参考值对应的转子位置角，θ_e为续流 电流降至零对应的转子位置角，U_dc为母线电压，U_D为续流二极管压降，i_ph为相电流，R_ph为相绕组，θ_b为补偿角。

在开关磁阻发电机系统运行过程中，调节开通角使参数θ_p处于特征值附近，调节关断角 使θ_e跟随特征值的变化而变化，与此同时调节电流参考值使发电功率跟随目标功率的变化 而变化。

关断角由三部分决定，分别是特征值与实际θ_e的差值经过PI调节器的输出值(第一 部分)、电流参考值与i_p(i_p是转子位置角为θ_p对应的相电流)的差值经过死区模块的输出 值(第二部分)和补偿角度θ_b(第三部分)；设置第二部分是为了避免导通角较小使相电流 无法达到电流参考值，导致功率闭环失败；当关断角较大时相电流可以达到电流参考值，则 第二部分的输出值为零，即第二部分不发挥作用，此时由第一部分和第三部分共同决定关断 角；当关断角较小时相电流无法达到电流参考值，则第二部分的输出值不为零，第二部分发 挥作用，此时由三部分共同决定关断角。

有益效果：与现有技术相比，本发明不需要估算机械功率，取而代之测量相对容易且不 受外界干扰的θ_p(θ_p为相电流第一次达到电流参考值对应的转子位置角)，测量简单、快速 性好、准确性高。此外其能根据系统运行工况在线改变励磁参数使系统发电效率最优，具有 调节速度快、控制精度高的优点

附图说明

图1是开关磁阻发电机系统的组成。

图2是开关磁阻发电机运行过程。

图3是相电感及电感对角度偏导曲线。

图4是效率优化控制方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实例作进一步的描述：

开关磁阻发电机系统主要由原动机、开关磁阻发电机、功率变换器、控制系统和励磁电 源及负载组成，如图1所示。开关磁阻发电机作为机电能量转换的核心，在原动机的拖动下 将外部输入的机械能转换成电能。功率变换器作为能量转换的通道，在励磁阶段外加的直流 电源通过功率变换器为绕组励磁；在续流阶段绕组通过功率变换器回馈能量给负载。控制器 作为整个系统的中枢部分，采样外部给定量及运行状态量，按照某种控制策略综合处理，输 出主开关管的门极控制信号，从而使开关磁阻发电机安全、高效运行。

1、励磁参数优化建模

开关磁阻发电机的运行过程分为励磁阶段和续流阶段，如图2所示。在θ_on时开通主开关 器件，绕组进行励磁，相电流上升，电流变化率为式(1)中(a)。在θ_P时相电流瞬时值大于电流参考值，关闭主开关器件，绕组回馈能量给负载，电流变化率为式(1)中(c)。当 开关磁阻发电机运行于中低速斩波模式时，在θ_P后还伴随有绕组励磁，电流变化率为式(1) 中(b)。将式(1)中(b)与(c)比较可知，在电感下降区相电流上升速率远大于下降速 率，即该阶段励磁区间远小于续流区间，因此可以认为此后一直处于续流阶段。综上分析，θ_P作为励磁阶段和续流阶段的分界点，通过调节该角度能改变励磁过程与续流过程的发生时刻。 根据开关磁阻发电机的电磁特性，合理安排θ_P能显著提高系统发电性能。

式中，i_ph为相电流，U_dc为母线电压，U_D为续流二极管压降，L为相电感，e_ph为旋转电动势。

开关磁阻发电机的励磁过程需要从电源吸收能量转换成磁场储能，快速励磁对增强系统 功率输出能力以及提高发电效率具有重要意义。对比式(1)中(a)和(b)可知：在电感下 降区励磁，由于旋转电动势的反向，从而在励磁母线电压和旋转电动势的共同激励下，相电 流上升更快，励磁能力增强。而在电感上升区励磁，相电流上升较慢，励磁能力减弱，同时 会产生正向转矩，不利于发电机高效运行。此外考虑到电感下降区主要用于续流发电过程， 因此将部分励磁过程设置于电感下降区较为合理。开关磁阻发电机的电感曲线和电感对角度 偏导曲线如图3所示，相电感随着电流的增加而减小，即电感值随磁路饱和而下降；同时其 随着角度的增加先增加后减小，即在定转子凸极对齐时获得最大电感；在电感下降区电感对 角度的偏导随着角度的增加先减小后增加，即存在角度θ_L使电感对角度偏导的绝对值最大。 电感对角度的偏导与角速度之积为旋转电动势e_ph，旋转电动势与相电流i_ph之积为电磁功率， 因此为有效利用旋转电动势绝对值较大的区域，提高电磁功率与发电效率，需要相电流在到 达θ_L之前已建立起足够励磁，即满足θ_P<θ_L。同时考虑电流对相电感的影响，根据式(2) 求解得到θ_L最小为32.1°。

式中，ψ_ph为绕组磁链，M_4x7为拟合系数矩阵，θ为转子位置角。

开关磁阻发电机的转速以100r/min为间隔从500r/min变化到1200r/min，目标功率以50W 为间隔从100W变化到500W，进行仿真与实验，得到系统在不同工况下运行于效率最优对应 的θ_P，θ_P的优化区间为[30°,31°]。

开关磁阻发电机的续流阶段将由机械能转换的磁场储能输送给负载。在高速单脉冲模式， 为了避免相电流再次斩波，关断角需要满足：θ_P<θ_off。在中低速斩波模式，为充分利用电感 下降区，关断角需要适当延后。当关断角很大时，相电流的续流阶段会延伸到电感上升区， 严重影响系统的发电性能，因此考虑发电机系统在中低速和高速下对关断角的要求，给出一 种关断角自动调节方法。

开关磁阻发电机的绕组磁链由相电压、相电流和绕组内阻决定，由式(3)计算得到。不 考虑绕组内阻的压降，联立式(3)中(a)和(b)，可得为式(4)。在中低速斩波模式，由于θ_p后还伴随有电流斩波，因此将式(4)改写为(5)，其中θ_b为补偿角度，通过实验确 定最优效率对应的θ_b。

式中为θ_e的特征值，ψ_max为绕组磁链幅值，θ_on为开通角，θ_p为相电流第一次达到电流参 考值对应的转子位置角，θ_e为续流电流降至零对应的转子位置角，R_ph为相绕组，θ_b为补偿角

综上所述在开关磁阻发电机系统运行过程中，当θ_p稳定于优化区间[30°,31°]，θ_e跟随特 征值的变化而变化，则能提升系统的发电性能。而θ_p与开通角有关，θ_e与关断角有关，因 此可以通过调节开通角和关断角，使θ_p和θ_e满足要求。效率优化控制方案示意如图4所示。 角度与电流观测模块的输入为转子位置角θ、相电流i_ph和电流参考值I_ref，输出为θ_p、θ_e和i_p， 其中i_p是转子位置角为θ_p对应的相电流，将θ_on和θ_p代入到式(5)中计算得到关断角 θ_off由三部分决定，分别是给定与实际θ_e的差值经过PI调节器的输出值、电流参考值与i_p的差值经过死区模块的输出值和补偿角度θ_b。设置第二部分是为了避免导通角较小使相电流 无法达到电流参考值，导致功率闭环失败。当关断角较大时相电流可以达到电流参考值，则 第二部分的输出值为零，即第二部分不发挥作用，此时由第一部分和第三部分共同决定关断 角；当关断角较小时相电流无法达到电流参考值，则第二部分的输出值不为零，第二部分发 挥作用，此时由三部分共同决定关断角。此外给定与实际θ_p的差值经过PI调节器输出开 通角，给定功率P_ref与发电功率P_out的差值经过PI调节器输出电流参考值。当三个PI调节器 同时达到稳定，系统运行于效率最优状态，即实现了开关角的在线优化。

Claims (4)

1.一种能源互联网新型发电机系统效率优化控制方法，其特征在于：根据开关磁阻发电机的对称原理，通过实验法测量得到转子位置角分别为0°、7.5°、15°和22.5°对应的磁链-电流数据，采用高阶傅里叶级数建立磁链与转子位置角和相电流之间的函数关系，并使用四个特殊位置角的磁链-电流数据拟合高阶傅里叶级数，得到系数矩阵，从而建立起任意转子位置角和任意电流到磁链的映射；接着根据磁链得到相电感，进而得到相电感对角度偏导的表达式，求解相电感对角度偏导表达式，可以得到角度θ_L，使相电感对角度偏导的绝对值最大，为有效利用旋转电动势绝对值较大的区域，提高电磁功率与发电效率，需要相电流在到达θ_L之前已建立起足够励磁，即满足θ_P<θ_L(θ_p为相电流第一次达到电流参考值对应的转子位置角)；最后通过仿真与实验，得到开关磁阻发电机系统在不同工况下运行于效率最优对应的θ_P优化区间；与此同时依据参数θ_p推导出参数θ_e的特征值(θ_e为续流电流降至零对应的转子位置角)，并采用两个PI闭环，分别调节开通角和关断角，使参数θ_p和θ_e位于特征值附近，实现系统发电效率最优。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻发电机系统效率优化控制方法，其特征在于：依据参数θ_p推导出参数θ_e的特征值步骤如下：开关磁阻发电机系统的运行过程分为两个阶段，即励磁阶段和续流阶段，相应的磁链幅值表达式分别为：中(a)和(b)，联立式(a)和(b)，可得为：在中低速斩波模式，由于在θ_p后还伴随有电流斩波，则将表达式改写为：其中为θ_e的特征值，ψ_max为绕组磁链幅值，θ_on为开通角，θ_p为相电流第一次达到电流参考值对应的转子位置角，θ_e为续流电流降至零对应的转子位置角，U_dc为母线电压，U_D为续流二极管压降，i_ph为相电流，R_ph为相绕组，θ_b为补偿角。

3.根据权利要求1所述的开关磁阻发电机系统效率优化控制方法，其特征在于：在开关磁阻发电机系统运行过程中，调节开通角使参数θ_p处于特征值附近，调节关断角使θ_e跟随特征值的变化而变化，与此同时调节电流参考值使发电功率跟随目标功率的变化而变化。

4.根据权利要求1所述的开关磁阻发电机系统效率优化控制方法，其特征在于：关断角由三部分决定，分别是特征值与实际θ_e的差值经过PI调节器的输出值(第一部分)、电流参考值与i_p(i_p是转子位置角为θ_p对应的相电流)的差值经过死区模块的输出值(第二部分)和补偿角度θ_b(第三部分)；设置第二部分是为了避免导通角较小使相电流无法达到电流参考值，导致功率闭环失败；当关断角较大时相电流可以达到电流参考值，则第二部分的输出值为零，即第二部分不发挥作用，此时由第一部分和第三部分共同决定关断角；当关断角较小时相电流无法达到电流参考值，则第二部分的输出值不为零，第二部分发挥作用，此时由三部分共同决定关断角。