CN111641309A - 一种永磁同步发电机组及双模式发电方法 - Google Patents

一种永磁同步发电机组及双模式发电方法 Download PDF

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赵宏志
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张锦
许宝立
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Abstract

本发明提供了一种永磁同步发电机组及双模式发电方法，解决现有永磁同步发电机发电模式单一的技术问题。包括：发动机，用于输出轴与永磁同步发电机转子共轴连接，受控调整工作转速；永磁同步发电机，用于转子随输出轴同步转动定子形成三相交流电，根据励磁控制信号或转矩控制信号将三相交流电转换为直流输出；发电机控制器，用于形成发电模式切换，根据发电模式形成励磁等效电流和转矩等效电流的控制信号控制三相交流电形成恒定功率或恒定电压输出。可以在输出稳定的期望直流电压和期望直流功率间进行切换。能够独立为负载供电，输出电压值可调，负载电压调整率小。设定直流功率信号时信号稳定。使得现有永磁同步发电机组的综合工作性能大幅提高。

Description

一种永磁同步发电机组及双模式发电方法
技术领域
本发明涉及发电机技术领域，具体涉及一种永磁同步发电机组及双模式发电方法。
背景技术
现有技术中，永磁同步发电机组在工业领域及增程式新能源汽车领域有诸多应用。对于新能源汽车领域中使用的以输出功率为控制目标的永磁同步发电机组，需要并联电池一起使用，脱离电池后无法独立为负载供电。这是因为如采取永磁同步发电机组加不控整流方式发电，其稳定性差，电压品质低。因此为了提高永磁同步发电机组供电稳定性，提升系统匹配灵活性，有必要设计一种新型发电技术，使永磁同步发电机组可以根据使用需求工作于直流恒压发电模式或直流恒功率发电模式。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供一种永磁同步发电机组及双模式发电方法，解决现有永磁同步发电机发电模式单一的技术问题。
本发明实施例的永磁同步发电机组，包括：
发动机，用于输出轴与永磁同步发电机转子共轴连接，受控调整工作转速；
永磁同步发电机，用于转子随所述输出轴同步转动定子形成三相交流电，根据励磁控制信号或转矩控制信号将三相交流电转换为直流输出；
发电机控制器，用于形成发电模式切换，根据发电模式形成励磁等效电流和转矩等效电流的控制信号控制所述三相交流电形成恒定功率输出或恒定电压输出。
本发明一实施例中，还包括散热子系统，用于在所述发动机、所述永磁同步发电机和所述发电机控制器上形成散热结构，根据热管理需求调整散热效率。
本发明一实施例中，所述永磁同步发电机的直流输出端并联储能电池电路，所述储能电池电路串联受控通断开关器件。
本发明一实施例中，所述永磁同步发电机的直流输出端独立为负载供电。
本发明实施例的永磁同步发电机组双模式发电方法，利用如权利要求1 至4任一所述的永磁同步发电机组，包括：
进行发电模式选择切换至直流恒压发电模式或直流恒功率发电模式；
调整所述发动机工作在转速控制模式；
在所述直流恒压发电模式
接收直流输出电压指令，通过控制总线下发所述发动机转速控制指令；
设置闭环控制过程控制所述永磁同步发电机定子交流电中所述等效励磁电流分量的大小，形成对输出电压的控制；
将所述永磁同步发电机定子交流电整流为直流电压输出。
本发明一实施例中，所述设置闭环控制过程控制所述永磁同步发电机定子交流电中所述等效励磁电流分量的大小，形成对输出电压的控制包括：
Figure BDA0002561955860000021
其中：
Vout为输出电压；
Kf为电动势常数；
Figure BDA0002561955860000022
为永磁体产生的有效磁通；
Figure BDA0002561955860000023
为等效励磁电流产生的有效磁通(与
Figure BDA0002561955860000024
方向一致时为正)；
ωr为发电机角速度。
本发明一实施例中，所述闭环控制过程包括：
通过电压传感器获取直流输出端的电压反馈信号V反馈；
根据给定输出电压Vout给定与电压反馈信号V反馈的差异形成等效励磁电流分量的磁场等效给定值i磁场等效给定值；
永磁同步发电机定子三相交流电流ia、ib、ic经坐标转换后形成等效励磁电流分量id和等效转矩电流分量iq；
根据磁场等效给定值i磁场等效给定值和等效转矩电流分量iq形成的磁场等效反馈值i磁场等效反馈值间的差异，结合等效励磁电流分量id形成等效励磁电压分量ud和等效转矩电压分量uq；
根据等效励磁电压分量ud和等效转矩电压分量uq坐标转换后形成永磁同步发电机定子的三相交流电压ua、ub、uc完成恒定电压输出。
本发明一实施例中，在所述直流恒功率发电模式
接收直流输出功率指令，通过控制总线下发所述发动机转速控制指令；
设置电流调节过程控制所述永磁同步发电机定子交流电中等效转矩电流分量的大小，形成对输出功率的控制；
将所述永磁同步发电机定子交流电整流为直流功率信号输出。
本发明一实施例中，所述设置电流调节过程控制所述永磁同步发电机定子交流电中等效转矩电流分量的大小，形成对输出功率的控制包括：
P输出功率＝(n*T)/(9550*η1*η2)
其中：
P输出功率为输出电功率(kW)；
n为发电机转速(rpm)；
T为发电机制动转矩(Nm)；
η1为永磁同步发电机效率；
η2为发电机控制器效率。
本发明实施例的永磁同步发电机组，所述发电机控制器包括：
存储器，用于存储上述的永磁同步发电机组双模式发电方法的处理过程对应的程序代码
处理器，用于执行所述程序代码。
本发明实施例的永磁同步发电机组及双模式发电方法利用现有永磁同步发电机的基本结构结合发电机控制器的励磁等效电流和转矩等效电流的有效控制反馈，形成了直流恒压发电模式和直流恒功率发电模式，可以在输出稳定的期望直流电压和期望直流功率间进行切换。输出为恒定直流电压时，能够独立为负载供电，输出电压值可调，负载电压调整率小。输出为设定的直流功率信号时，信号稳定。使得现有永磁同步发电机组的综合工作性能大幅提高。
附图说明
图1所示为本发明一实施例永磁同步发电机组的架构示意图。
图2所示为本发明一实施例永磁同步发电机组双模式发电方法的流程示意图。
图3所示为本发明一实施例永磁同步发电机组电压闭环调节过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅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作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。
本发明一实施例永磁同步发电机组如图1所示。在图1中，本实施例包括：
发动机，用于输出轴与永磁同步发电机转子共轴连接，受控调整工作转速。
本领域技术人员可以理解，发动机输出功率包括受控转速和受控转矩参数，通过调整发动机输出功率可以影响永磁同步发电机的三相交流电的功率因素和励磁因素。
永磁同步发电机，用于转子随输出轴同步转动定子形成三相交流电，根据励磁控制信号或转矩控制信号将三相交流电转换为直流输出。
本领域技术人员可以理解，永磁同步发电机可以将机械能转换为交流电能输出，通过惯用的整流技术手段可以完成AC/DC转换使交流电能输出形成直流输出。
发电机控制器，用于形成发电模式切换，根据发电模式形成励磁等效电流和转矩等效电流的控制信号控制所述三相交流电形成恒定功率输出或恒定电压输出。
本领域技术人员可以理解，永磁同步发电机形成的交流电流可以形成反映交变频率作为角速度而环绕时间参考轴逆时针旋转的时间矢量(相量)，并基于统一时间相量概念得到时空矢量图，以时空矢量图为基础形成的三相静止坐标系、两相静止坐标系和两向旋转坐标系间可以通过坐标矩阵实现坐标变换。因此通过坐标变换可以将发电机定子电流的空间相量分解为等效励磁电流分量和等效转矩电流分量(逆向转换同理)，通过对等效励磁电流和等效转矩电流进行控制调整可以直接将控制信号转换为对发电机定子电流的控制，将永磁同步发电机发出的交流电整流为期望的直流属性。发电模式包括直流恒压发电模式和直流恒功率发电模式，对应相应的直流属性，
散热子系统，用于在发动机、永磁同步发电机和发电机控制器上形成散热结构，根据热管理需求调整散热效率。
本发明实施例的永磁同步发电机组利用现有永磁同步发电机的基本结构结合发电机控制器的励磁等效电流和转矩等效电流的有效控制反馈，形成了直流恒压发电模式和直流恒功率发电模式，可以在输出稳定的期望直流电压和期望直流功率间进行切换。输出为恒定直流电压时，能够独立为负载供电，输出电压值可调，负载电压调整率小。输出为设定的直流功率信号时，信号稳定。使得现有永磁同步发电机组的综合工作性能大幅提高。
在本发明一实施例中，永磁同步发电机的直流输出端并联储能电池电路，储能电池电路串联受控通断开关器件。
本发明实施例的永磁同步发电机组在直流恒压发电模式利用等效励磁电流控制信号控制永磁同步发电机组单独输出电压可控的稳定直流电压。在直流恒功率发电模式利用等效转矩电流控制信号控制永磁同步发电机组输出直流功率，通过并联储能电池电路完成恒定功率信号的谐波滤波，并减缓直流功率信号电压的波动。
本发明一实施例的永磁同步发电机组双模式发电方法如图2所示。在图 2中，本实施例包括：
步骤100：进行发电模式选择切换至直流恒压发电模式或直流恒功率发电模式。
发电模式选择通过发电机控制器进行。本领域技术人员可以理解发电机控制器可以针对永磁同步发电机、发动机发出基于同一控制目的的一系列控制信号或数据，相应的永磁同步发电机、发动机的控制部件或控制电路根据控制信号或数据形成驱动永磁同步发电机和发动机驱动信号，以实现直流恒压发电模式或直流恒功率发电模式的控制目的。
步骤200：调整发动机工作在转速控制模式。
发动机转速控制模式使得发动机上位控制系统可以响应发电机控制器控制信号，形成符合发电机控制器控制目的的发动机转速控制指令。
在直流恒压发电模式
步骤300：接收直流输出电压指令，通过控制总线下发发动机转速控制指令。
直流输出电压指令包括输出电压、输出电流或浮动范围等控制目的指令。指令包括与电压相关的发动机转速配合数据，发动机上位控制系统根据发动机转速配合数据发动机转速控制指令驱动发动机。
步骤400：设置闭环控制过程控制永磁同步发电机定子交流电中等效励磁电流分量的大小，形成对输出电压的控制。
闭环控制过程通过动态控制等效励磁电流分量的大小形成对输出电压的控制，表示为：
Figure BDA0002561955860000071
其中：
Vout——输出电压；
Kf——电动势常数；
Figure BDA0002561955860000072
——永磁体产生的有效磁通；
Figure BDA0002561955860000073
——等效励磁电流产生的有效磁通(与
Figure BDA0002561955860000074
方向一致时为正)；
ωr——发电机角速度。
步骤500：将永磁同步发电机定子交流电整流为直流电压输出。
交流电整流为直流电压输出存在滤波等能量损失，根据闭环控制过程的反馈补偿控制可以将直流电压输出保持基本稳定，电压负载调整率不大于 5％。
在直流恒功率发电模式
步骤600：接收直流输出功率指令，通过控制总线下发发动机转速控制指令。
直流输出功率指令包括输出功率、输出电流或浮动范围等控制目的指令。指令包括与功率相关的发动机转速配合数据，发动机上位控制系统根据发动机转速配合数据发动机转速控制指令驱动发动机。
步骤700：设置电流调节过程控制永磁同步发电机定子交流电中等效转矩电流分量的大小，形成对输出功率的控制。
电流调节过程通过动态控制等效转矩电流分量的大小形成对输出电压的控制，以永磁同步发电机转矩为控制目标，控制发电机的制动转矩，从而使发电机组输出需要的电功率，表示为：
P输出功率＝(n*T)/(9550*η1*η2)
其中：
P输出功率——输出电功率(kW)；
n——发电机转速(rpm)；
T——发电机制动转矩(Nm)；
η1——永磁同步发电机效率；
η2——发电机控制器效率。
步骤800：将永磁同步发电机定子交流电整流为直流功率信号输出。
交流电整流为直流功率输出存在滤波等能量损失，根据电流调节过程的反馈补偿控制可以将在额定功率范围内提供稳定的直流输出功率输出功率与设定值误差不大于5％。
本发明实施例的永磁同步发电机组双模式发电方法针对发电模式的选择，对坐标转换后的等效励磁电流分量id或等效转矩电流分量iq进行实时计算，使得经坐标转换后可以对永磁同步发电机定子的三相交流电流ia、ib、 ic进行有效控制，保证了电压输出或功率输出的控制确定性。
本发明一实施例永磁同步发电机组电压闭环调节过程如图3所示。在图 3中，电压闭环调节过程包括：
通过电压传感器获取直流输出端的电压反馈信号V反馈；
(电压闭环调节器)根据给定输出电压Vout给定与电压反馈信号V反馈的差异形成等效励磁电流分量的磁场等效给定值i磁场等效给定值；
永磁同步发电机定子三相交流电流ia、ib、ic经坐标转换后形成等效励磁电流分量id和等效转矩电流分量iq；
(电流闭环调节器)根据磁场等效给定值i磁场等效给定值和等效转矩电流分量iq形成的磁场等效反馈值i磁场等效反馈值间的差异，结合等效励磁电流分量id形成等效励磁电压分量ud和等效转矩电压分量uq；
(发电机控制器)根据等效励磁电压分量ud和等效转矩电压分量uq坐标转换后形成永磁同步发电机定子的三相交流电压ua、ub、uc完成恒定电压输出。
本发明一实施例的永磁同步发电机组中，发电机控制器包括：
存储器，用于存储上述永磁同步发电机组双模式发电方法的处理过程对应的程序代码
处理器，用于执行上述永磁同步发电机组双模式发电方法的处理过程对应的程序代码。
处理器可以采用DSP(Digital Signal Processor)数字信号处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列、MCU(Microcontroller Unit)系统板、SoC(system on a chip)系统板或包括I/O的PLC(Programmable Logic Controller)最小系统。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种永磁同步发电机组，其特征在于，包括：
发动机，用于输出轴与永磁同步发电机转子共轴连接，受控调整工作转速；
永磁同步发电机，用于转子随所述输出轴同步转动定子形成三相交流电，根据励磁控制信号或转矩控制信号将三相交流电转换为直流输出；
发电机控制器，用于形成发电模式切换，根据发电模式形成励磁等效电流和转矩等效电流的控制信号控制所述三相交流电形成恒定功率输出或恒定电压输出。
2.如权利要求1所述的永磁同步发电机组，其特征在于，还包括散热子系统，用于在所述发动机、所述永磁同步发电机和所述发电机控制器上形成散热结构，根据热管理需求调整散热效率。
3.如权利要求1所述的永磁同步发电机组，其特征在于，所述永磁同步发电机的直流输出端并联储能电池电路，所述储能电池电路串联受控通断开关器件。
4.如权利要求1所述的永磁同步发电机组，其特征在于，所述永磁同步发电机的直流输出端独立为负载供电。
5.一种永磁同步发电机组双模式发电方法，其特征在于，利用如权利要求1至4任一所述的永磁同步发电机组，包括：
进行发电模式选择切换至直流恒压发电模式或直流恒功率发电模式；
调整所述发动机工作在转速控制模式；
在所述直流恒压发电模式
接收直流输出电压指令，通过控制总线下发所述发动机转速控制指令；
设置闭环控制过程控制所述永磁同步发电机定子交流电中所述等效励磁电流分量的大小，形成对输出电压的控制；
将所述永磁同步发电机定子交流电整流为直流电压输出。
6.如权利要求5所述的永磁同步发电机组双模式发电方法，其特征在于，所述设置闭环控制过程控制所述永磁同步发电机定子交流电中所述等效励磁电流分量的大小，形成对输出电压的控制包括：
Figure FDA0002561955850000021
其中：
Vout为输出电压；
Kf为电动势常数；
Figure FDA0002561955850000022
为永磁体产生的有效磁通；
Figure FDA0002561955850000023
为等效励磁电流产生的有效磁通(与
Figure FDA0002561955850000024
方向一致时为正)；
ωr为发电机角速度。
7.如权利要求6所述的永磁同步发电机组双模式发电方法，其特征在于，所述闭环控制过程包括：
通过电压传感器获取直流输出端的电压反馈信号V反馈；
根据给定输出电压Vout给定与电压反馈信号V反馈的差异形成等效励磁电流分量的磁场等效给定值i磁场等效给定值；
永磁同步发电机定子三相交流电流ia、ib、ic经坐标转换后形成等效励磁电流分量id和等效转矩电流分量iq；
根据磁场等效给定值i磁场等效给定值和等效转矩电流分量iq形成的磁场等效反馈值i磁场等效反馈值间的差异，结合等效励磁电流分量id形成等效励磁电压分量ud和等效转矩电压分量uq；
根据等效励磁电压分量ud和等效转矩电压分量uq坐标转换后形成永磁同步发电机定子的三相交流电压ua、ub、uc完成恒定电压输出。
8.如权利要求5所述的永磁同步发电机组双模式发电方法，其特征在于，在所述直流恒功率发电模式
接收直流输出功率指令，通过控制总线下发所述发动机转速控制指令；
设置电流调节过程控制所述永磁同步发电机定子交流电中等效转矩电流分量的大小，形成对输出功率的控制；
将所述永磁同步发电机定子交流电整流为直流功率信号输出。
9.如权利要求8所述的永磁同步发电机组双模式发电方法，其特征在于，所述设置电流调节过程控制所述永磁同步发电机定子交流电中等效转矩电流分量的大小，形成对输出功率的控制包括：
P输出功率＝(n*T)/(9550*η1*η2)
其中：
P输出功率为输出电功率(kW)；
n为发电机转速(rpm)；
T为发电机制动转矩(Nm)；
η1为永磁同步发电机效率；
η2为发电机控制器效率。
10.一种永磁同步发电机组，其特征在于，所述发电机控制器包括：
存储器，用于存储如权利要求5至9任一所述的永磁同步发电机组双模式发电方法的处理过程对应的程序代码
处理器，用于执行所述程序代码。
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