CN112217238B - 一种无刷双馈发电机系统及其控制方法 - Google Patents

一种无刷双馈发电机系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无刷双馈发电机系统及其控制方法，属于无刷双馈感应发电机控制技术领域。系统包括拓扑模块和控制模块，拓扑模块包括无刷双馈发电机、二象限变流器、直流母线电容和三相不控整流桥；三相不控整流桥交流侧与功率绕组相连；二象限变流器直流侧、三相不控整流桥直流侧与直流母线电容并联；控制方法包括：根据PWM脉冲调制信号提供励磁电流；根据励磁电流控制功率绕组侧输出的交流电压，并通过三相不控整流桥将其转换为直流电压；直流电压输入至DC/DC变换器或交流并网逆变器，为负载供电或与电网并联运行。解决了现有的无刷双馈发电机系统在并网时，功率绕组电压、电网电压和网侧变流器交流侧电压三者同步困难的问题。

Description

一种无刷双馈发电机系统及其控制方法
技术领域
本发明属于无刷双馈感应发电机控制技术领域，更具体地，涉及一种无刷双馈发电机系统及其控制方法。
背景技术
无刷双馈发电机是一种新型双电气端口电机，它包括两套相互独立且极对数不同的定子绕组，即功率绕组(Power Winding，简称PW)和控制绕组(Control Winding，简称CW)，两套定子绕组之间通过转子实现间接耦合。它取消了电刷滑环装置，具有使用寿命长，维护成本低和运行可靠等特点。由于无刷双馈发电机运行在双馈模式时，功率变换器只需向发电机的转子提供转差功率即可，因此，所需功率变换器的容量很小。随着全球能源日益紧缺，无刷双馈发电机在船舶轴带发电领域和风力发电领域应用十分广泛。
然而，现有的无刷双馈发电机系统及其控制方法存在以下问题：
(1)传统的无刷双馈发电机系统在并网时，需要功率绕组电压、电网电压和网侧变流器交流侧电压三者同步，导致长期并网运作比较困难，系统可靠性较差。
(2)无刷双馈发电机在次同步速下运行时，控制绕组会从功率绕组吸收功率，导致发电能效降低。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种无刷双馈发电机系统及其控制方法，旨在解决现有的无刷双馈发电机系统在并网时，功率绕组电压、电网电压和网侧变流器交流侧电压三者同步比较困难的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种无刷双馈发电机系统，包括拓扑模块和控制模块；控制模块接收拓扑模块输出的三相电流、电机转速、直流母线电压的参考值和直流母线电压的反馈值，经过PI控制和坐标变换，采用SVPWM发生器，输出PWM脉冲调制信号；拓扑模块根据控制模块提供的PWM脉冲调制信号用于控制无刷双馈发电机，从而实现功率绕组电压与电网电压的同步；
拓扑模块包括无刷双馈发电机、二象限变流器、直流母线电容和三相不控整流桥；
无刷双馈发电机控制绕组的输出端与控制模块的输入端连接，其输入端与二象限变流器的交流侧相连；三相不控整流桥的交流侧与无刷双馈发电机功率绕组相连；二象限变流器的直流侧、三相不控整流桥的直流侧与直流母线电容并联，且通过并联并网逆变器实现直流电压到单相或三相交流电压的转换，或通过并联DC/DC变换器为直流负载供电或与直流电网并联；
二象限变流器用于根据PWM脉冲调制信号，通过控制内部开关的关断或开通，为控制绕组提供频率和幅值变化的励磁电流；
直流母线电容用于将直流电压中的谐波分量滤除并储能；
三相不控整流桥用于将功率绕组侧输出的交流电压变换为直流电压。
控制模块包括直流输出电压控制模块、控制绕组电流控制模块、控制绕组电压变换模块、控制绕组电流变换模块、积分器、SVPWM发生器和控制绕组频率计算模块；
直流输出电压控制模块、控制绕组电流控制模块、控制绕组电压变换模块和SVPWM发生器顺次连接；功率绕组频率计算模块的输入端与无刷双馈电机的功率绕组连接，其输出端与积分器的输出端相连；控制绕组电流变换模块的第一输入端与控制绕组相连，其第二输入端与积分器的第一输出端相连，其输出端与控制绕组电流控制模块的输入端连接；积分器的第二输出端与控制绕组电压变换模块的输入端相连；
直流输出电压控制模块根据直流母线电压的参考值
Figure GDA0003455061680000021
与经过低通滤波器的直流母线电压反馈值U'dc，经过PI控制，对直流母线电压进行调节，得到控制绕组电流的d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000022
控制绕组电流控制模块根据控制绕组电流的d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000031
和控制绕组电流的d轴分量反馈值icd，经过PI控制对控制绕组电流d轴分量进行调节，获取控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000032
且根据控制绕组电流的q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000033
和控制绕组电流的q轴分量反馈值icq，经过PI控制对控制绕组电流q轴分量进行调节，获取控制绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000034
控制绕组电压变换模块用于将旋转dq坐标系下控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000035
和控制绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000036
变换为两相静止αβ坐标系下控制绕组电压的α轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000037
和β轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000038
积分器用于对控制绕组频率积分得到控制绕组参考角度θc；
控制绕组电流变换模块，用于将从无刷双馈发电机控制绕组侧采集到的a相电流ica和b相电流icb变换为dq坐标系下控制绕组电流的d轴分量反馈值icd和电流的q轴分量反馈值icq；
SVPWM发生器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脉冲信号；
控制绕组频率计算模块根据电机转速ωr与功率绕组额定频率ωpN，采用不同的转速区间不同计算方式获取控制绕组频率ωc；控制绕组频率ωc的计算方式为：
(1)当无刷双馈发电机转速
Figure GDA0003455061680000039
时，控制绕组频率为ωc＝ωr(pp+pc)-ωpN；
(2)当无刷双馈发电机转速
Figure GDA00034550616800000310
时，控制绕组频率为ωc＝0。
其中，ωpN为功率绕组额定频率；ωr为电机转速；ωc为控制绕组频率；pp和pc分别为无刷双馈发电机功率绕组和控制绕组的极对数。
优选地，直流输出电压控制模块包括低通滤波器、第一加法器和第一PI调节器；
低通滤波器对直流母线电压的反馈值Udc进行滤波，获取无噪声的直流母线电压反馈值U'dc；
第一加法器计算U'dc与直流母线电压的参考值
Figure GDA0003455061680000041
的差值，并对该差值输入至第一PI调节器；
第一PI调节器对该差值进行PI控制，输出控制绕组电流的d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000042
优选地，控制绕组电流控制模块包括第二加法器、第三加法器、第二PI调节器和第三PI调节器；
第二加法器用于将控制绕组电流的d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000043
与控制绕组电流的d轴分量反馈值icd作差；
第二PI调节器用于对
Figure GDA0003455061680000044
做PI控制，获取控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000045
第三加法器用于将控制绕组电流的q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000046
与控制绕组电流的q轴分量反馈值icq作差；其中，控制绕组电流的q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000047
等于0；
第三PI调节器用于对
Figure GDA0003455061680000048
做PI控制，获取控制绕组电压q轴分量参考值。
基于上述提供的无刷双馈发电机系统，本发明提供了相应的控制方法，包括以下步骤：
根据PWM脉冲调制信号，为控制绕组提供频率和幅值变化的励磁电流；
根据励磁电流控制功率绕组侧输出的交流电压；
将功率绕组侧输出的交流电压转换为直流电压；
将经过直流母线电容滤波后的直流电压输入至DC/DC变换器，用于为直流负载供电或与直流电网并联；
或将经过直流母线电容滤波后的直流电压输入至交流并网逆变器，用于为交流负载供电或与单相和三相交流电网并联。
优选地，所述PWM脉冲调制信号的获取方法为：
将直流母线电压的参考值与反馈值作差后进行PI控制，获取控制绕组电流的d轴分量参考值；
根据电机转速与功率绕组额定频率获取控制绕组频率；
对控制绕组频率积分得到控制绕组参考角度；
利用控制绕组参考角度，将从控制绕组侧采集到的a相电流和b相电流变换为控制绕组电流的d轴分量反馈值和电流的q轴分量反馈值；
将控制绕组电流的d轴分量参考值与d轴分量反馈值作差后进行PI控制，获取控制绕组电压d轴分量参考值；
将控制绕组电流的q轴分量参考值和q轴分量反馈值作差后进行PI控制，获取控制绕组电压q轴分量参考值；
利用控制绕组参考角度，将控制绕组电压d轴分量参考值和q轴分量参考值变换为控制绕组电压的α轴分量参考值和β轴分量参考值；
利用控制绕组电压的α轴分量参考值和β轴分量参考值，生成PWM脉冲调制信号。
优选地，根据电机转速与功率绕组额定频率获取控制绕组频率的方法为：
当无刷双馈发电机转速
Figure GDA0003455061680000051
时，控制绕组频率为：ωc＝ωr(pp+pc)-ωpN；
当无刷双馈发电机转速
Figure GDA0003455061680000052
时，控制绕组频率为：ωc＝0；
其中，ωpN为功率绕组额定频率；ωr为电机转速；ωc为控制绕组频率；pp和pc分别为无刷双馈发电机功率绕组和控制绕组的极对数。
优选地，获取控制绕组电压的α轴分量参考值和β轴分量参考值的变换公式为：
Figure GDA0003455061680000061
其中，
Figure GDA0003455061680000063
为控制绕组电压d轴分量参考值；
Figure GDA0003455061680000064
为控制绕组电压q轴分量参考值；θc为控制绕组参考角度；
Figure GDA0003455061680000065
为控制绕组电压的α轴分量参考值；
Figure GDA0003455061680000066
为控制绕组电压的β轴分量参考值。
优选地，获取控制绕组电流的d轴分量反馈值和电流的q轴分量反馈值的变换公式为：
Figure GDA0003455061680000067
其中，icd为控制绕组电流的d轴分量反馈值；icq为控制绕组电流的q轴分量反馈值；ica为控制绕组的a相电流；icb为控制绕组的b相电流；icc为控制绕组的c相电流；θc为控制绕组参考角度。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
本发明提供的无刷双馈发电机系统由于采用三相不控整流桥代替了现有的二象限变流器，将功率绕组侧输出的交流电压变换为直流电压，因此本发明提供的无刷双馈发电机系统的直流母线输出端可以通过并联DC/DC变换器为直流负载供电或者与直流电网并联运行，同时也可以通过并联并网逆变器实现直流电压到单相或三相交流电压的转换，输出单相或三相交流电供给交流负载，或者与单相或三相交流电网并联运行。
本发明提供的无刷双馈发电机系统由于采用了二象限变流器，减少了传统模式下四象限变流器的使用，因此本发明降低了发电机系统的硬件成本，提高了运行可靠性。
本发明提供的无刷双馈发电机系统的控制模块采用控制绕组频率计算模块，公开电机转速、功率绕组额定频率与控制绕组频率如下关系：当无刷双馈发电机转速
Figure GDA0003455061680000071
时，控制绕组频率为ωc＝ωr(pp+pc)-ωpN；当无刷双馈发电机转速
Figure GDA0003455061680000072
时，控制绕组频率为ωc＝0，能够实现无刷双馈发电机始终在自然同步转速或超同步速运行时，控制绕组不会从功率绕组吸收功能，从而提供系统的能效。
附图说明
图1是本发明提供的一种无刷双馈发电机系统的结构示意图；
图2是本发明提供的拓扑模块的结构示意图；
图3是本发明提供的控制模块的结构示意图；
图4是实施例提供的一种全转速范围无刷双馈发电机系统的结构示意图；
图5是实施例提供的直流输出电压控制原理框图；
图6是实施例提供的控制绕组电流控制原理框图。
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。
本发明提供了一种无刷双馈发电机系统，如图1所示，包括拓扑模块和控制模块；如图2所示，控制模块接收拓扑模块输出的三相电流、电机转速、直流母线电压的参考值和直流母线电压的反馈值，经过PI控制和坐标变换，采用SVPWM发生器，输出PWM脉冲调制信号；拓扑模块根据控制模块提供的PWM脉冲调制信号用于控制无刷双馈发电机，从而实现功率绕组电压与电网电压的同步；
拓扑模块包括无刷双馈发电机、二象限变流器、直流母线电容和三相不控整流桥；
无刷双馈发电机控制绕组的输出端与控制模块的输入端连接，其输入端与二象限变流器的交流侧相连；三相不控整流桥的交流侧与无刷双馈发电机功率绕组相连；二象限变流器的直流侧、三相不控整流桥的直流侧与直流母线电容并联，且通过并联并网逆变器实现直流电压到单相或三相交流电压的转换，或通过并联DC/DC变换器，实现为直流负载供电或与直流电网并联，如图2所示；
二象限变流器用于根据PWM脉冲调制信号，通过控制内部开关的关断或开通，为控制绕组提供频率和幅值变化的励磁电流；
直流母线电容用于将直流电压中的谐波分量滤除并储能；
三相不控整流桥用于将功率绕组侧输出的交流电压变换为直流电压。
优选地，如图3所示，控制模块包括直流输出电压控制模块、控制绕组电流控制模块、控制绕组电压变换模块、控制绕组电流变换模块、积分器、SVPWM发生器和控制绕组频率计算模块；
直流输出电压控制模块、控制绕组电流控制模块、控制绕组电压变换模块和SVPWM发生器顺次连接；功率绕组频率计算模块的输入端与无刷双馈电机的功率绕组连接，其输出端与积分器的输出端相连；控制绕组电流变换模块的第一输入端与控制绕组相连，其第二输入端与积分器的第一输出端相连，其输出端与控制绕组电流控制模块的输入端连接；积分器的第二输出端与控制绕组电压变换模块的输入端相连；
直流输出电压控制模块根据含有噪声的直流母线电压的参考值
Figure GDA0003455061680000081
与直流母线电压的反馈值Udc，经过PI控制，对直流母线电压进行调节，得到控制绕组电流的d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000082
控制绕组电流控制模块根据控制绕组电流的d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000083
和控制绕组电流的d轴分量反馈值icd，经过PI控制对控制绕组电流d轴分量进行调节，获取控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000091
且根据控制绕组电流的q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000092
和控制绕组电流的q轴分量反馈值icq，经过PI控制对控制绕组电流q轴分量进行调节，获取控制绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000093
控制绕组电压变换模块用于将旋转dq坐标系下控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000094
和控制绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000095
变换为两相静止αβ坐标系下控制绕组电压的α轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000096
和β轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000097
积分器用于对控制绕组频率积分得到控制绕组参考角度θc；
控制绕组电流变换模块，用于将从无刷双馈发电机控制绕组侧采集到的a相电流ica和b相电流icb变换为dq坐标系下控制绕组电流的d轴分量反馈值icd和电流的q轴分量反馈值icq；
SVPWM发生器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脉冲信号；
控制绕组频率计算模块根据电机转速ωr与功率绕组额定频率ωpN，采用不同的转速区间不同计算方式获取控制绕组频率ωc；控制绕组频率ωc的计算方式为：
(1)当无刷双馈发电机转速
Figure GDA0003455061680000098
时，控制绕组频率为ωc＝ωr(pp+pc)-ωpN；
(2)当无刷双馈发电机转速
Figure GDA0003455061680000099
时，控制绕组频率为ωc＝0；
其中，pp和pc分别为无刷双馈发电机功率绕组和控制绕组的极对数。
优选地，直流输出电压控制模块包括低通滤波器、第一加法器和第一PI调节器；
低通滤波器对直流母线电压的反馈值Udc进行滤波，获取无噪声的直流母线电压反馈值U'dc；
第一加法器计算U'dc与直流母线电压的参考值
Figure GDA0003455061680000101
的差值，并对该差值输入至第一PI调节器；
第一PI调节器对该差值进行PI控制，输出控制绕组电流的d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000102
优选地，控制绕组电流控制模块包括第二加法器、第三加法器、第二PI调节器和第三PI调节器；
第二加法器用于将控制绕组电流的d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000103
与控制绕组电流的d轴分量反馈值icd作差；
第二PI调节器用于对
Figure GDA0003455061680000104
做PI控制，获取控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000105
第三加法器用于将控制绕组电流的q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000106
与控制绕组电流的q轴分量反馈值icq作差；令控制绕组电流的q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000107
等于0；
第三PI调节器用于对
Figure GDA0003455061680000108
做PI控制，获取控制绕组电压q轴分量参考值。
基于上述提供的无刷双馈发电机系统，本发明提供了相应的控制方法，包括以下步骤：
根据PWM脉冲调制信号，为控制绕组提供频率和幅值变化的励磁电流；
根据励磁电流控制功率绕组侧输出的交流电压；
将功率绕组侧输出的交流电压转换为直流电压；
将经过直流母线电容滤波后的直流电压输入至DC/DC变换器，用于为直流负载供电或与直流电网并联；
或将经过直流母线电容滤波后的直流电压输入至交流并网逆变器，用于为交流负载供电或与单相和三相交流电网并联。
优选地，所述PWM脉冲调制信号的获取方法为：
将直流母线电压的参考值与反馈值作差后进行PI控制，获取控制绕组电流的d轴分量参考值；
根据电机转速与功率绕组额定频率获取控制绕组频率；
对控制绕组频率积分得到控制绕组参考角度；
利用控制绕组参考角度，将从控制绕组侧采集到的a相电流和b相电流变换为控制绕组电流的d轴分量反馈值和电流的q轴分量反馈值；
将控制绕组电流的d轴分量参考值与d轴分量反馈值作差后进行PI控制，获取控制绕组电压d轴分量参考值；
将控制绕组电流的q轴分量参考值和q轴分量反馈值作差后进行PI控制，获取控制绕组电压q轴分量参考值；
利用控制绕组参考角度，将控制绕组电压d轴分量参考值和q轴分量参考值变换为控制绕组电压的α轴分量参考值和β轴分量参考值；
利用控制绕组电压的α轴分量参考值和β轴分量参考值，生成PWM脉冲调制信号。
优选地，根据电机转速与功率绕组额定频率获取控制绕组频率的方法为：
当无刷双馈发电机转速
Figure GDA0003455061680000111
时，控制绕组频率为：ωc＝ωr(pp+pc)-ωpN；
当无刷双馈发电机转速
Figure GDA0003455061680000112
时，控制绕组频率为：ωc＝0；
其中，ωpN为功率绕组额定频率；ωr为电机转速；ωc为控制绕组频率；pp和pc分别为无刷双馈发电机功率绕组和控制绕组的极对数。
优选地，获取控制绕组电压的α轴分量参考值和β轴分量参考值的变换公式为：
Figure GDA0003455061680000121
其中，
Figure GDA0003455061680000122
为控制绕组电压d轴分量参考值；
Figure GDA0003455061680000123
为控制绕组电压q轴分量参考值；θc为控制绕组参考角度；
Figure GDA0003455061680000124
为控制绕组电压的α轴分量参考值；
Figure GDA0003455061680000125
为控制绕组电压的β轴分量参考值。
优选地，获取控制绕组电流的d轴分量反馈值和电流的q轴分量反馈值的变换公式为：
Figure GDA0003455061680000126
其中，icd为控制绕组电流的d轴分量反馈值；icq为控制绕组电流的q轴分量反馈值；ica为控制绕组的a相电流；icb为控制绕组的b相电流；icc为控制绕组的c相电流；θc为控制绕组参考角度。
实施例
如图4所示，本实施例提供了一种基于二象限变流器的全转速范围无刷双馈发电机系统，包括拓扑模块和控制模块；
拓扑模块包括无刷双馈发电机、二象限变流器、三相不控整流桥和直流母线电容；
无刷双馈发电机的控制绕组与二象限变流器的交流侧相连；无刷双馈发电机的功率绕组与三相不控整流桥的交流侧相连；二象限变流器的直流侧、三相不控整流桥的直流侧与直流母线电容并联；
二象限变流器用于根据PWM脉冲调制信号，通过控制内部开关，为控制绕组提供频率和幅值变化励磁电流；
三相不控整流桥用于将功率绕组侧输出的交流电压转换为直流电压；
直流母线电容用于将直流电压中的谐波分量滤除并储能；
实际应用中，将DC/DC变换器与并网逆变器与直流母线电容并联，DC/DC变流器为直流负载供电或与直流电网并网运行；并网逆变器用于将直流电压到单相或三相交流电压的转换，可连接交流负载、三相交流电网或单相交流电网；因此，拓扑模块实现了功率绕组电压与电网电压两电压同步，提高了系统运行的可靠性。
控制模块包括直流输出电压控制模块、控制绕组电流控制模块、控制绕组电压变换模块、控制绕组电流变换模块、积分器、SVPWM发生器和控制绕组频率计算模块；
直流输出电压控制模块根据直流母线电压的参考值
Figure GDA0003455061680000131
与直流母线电压的反馈值Udc，经过PI控制，对直流母线电压进行调节，得到控制绕组电流的d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000132
具体地，如图5所示，直流输出电压控制模块包括低通滤波器、第一加法器和第一PI调节器；
低通滤波器对接收的无刷双馈感应发电机当前直流母线电压的反馈值Udc进行滤波，获取无刷双馈发电机当前无噪声的直流母线电压反馈值U'dc；
第一加法器计算U'dc与直流母线电压的参考值
Figure GDA0003455061680000133
的差值，并对该差值输入至第一PI调节器；
第一PI调节器对该差值进行PI控制，输出控制绕组电流的d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000134
其中，控制绕组电流的q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000135
为0。
其中，低通滤波器具体的计算公式为：
Figure GDA0003455061680000141
其中，U'dc(n)为无刷双馈发电机当前无噪声的直流母线电压反馈值；Udc(n)为第n次计算得到的无刷双馈感应发电机当前含有噪声的直流母线电压的反馈值；fc1为第一低通滤波器的截止频率；T为采样周期，由用户采用的硬件决定；Udc(n-1)为第n-1次计算得到的无刷双馈发电机当前含有噪声的直流母线电压的反馈值；将U'dc(n)输入至第一PI调节器中。
控制绕组电流控制模块一方面根据控制绕组电流的d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000142
和控制绕组电流的d轴分量反馈值icd，经过PI控制对控制绕组电流d轴分量进行调节，获取控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000143
另一方面根据控制绕组电流的q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000144
和控制绕组电流的q轴分量反馈值icq，经过PI控制对控制绕组电流q轴分量进行调节，获取控制绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000145
具体地，如图6所示，控制绕组电流控制模块包括第二加法器、第三加法器、第二PI调节器和第三PI调节器；
第二加法器用于将控制绕组电流的d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000146
与控制绕组电流的d轴分量反馈值icd作差；
第二PI调节器用于对
Figure GDA0003455061680000147
做PI控制，获取控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000148
第三加法器用于将控制绕组电流的q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000149
与控制绕组电流的q轴分量反馈值icq作差；令控制绕组电流的q轴分量参考值
Figure GDA00034550616800001410
等于0；
第三PI调节器用于对
Figure GDA00034550616800001411
做PI控制，获取控制绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA00034550616800001412
控制绕组电压变换模块用于将旋转dq坐标系下控制电压d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000151
和控制绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000152
变换为两相静止αβ坐标系下控制绕组电压的α轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000153
和β轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000154
具体的方法为：
采用积分器对控制绕组频率ωc(j)积分得到控制绕组参考角度θc；具体地：
Figure GDA0003455061680000155
其中，θc(n)为控制绕组电压相位的当前给定值；T为采样周期，由用户所采用的硬件决定；运算次数j＝1、…、n；ωc(j)表示第j次计算得到的控制绕组电压频率的当前给定值；其运算结果θc(n)送入控制绕组电压变换模块。
利用θc将控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000156
和控制绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000157
从旋转dq坐标系变换为两相静止αβ坐标系，得到控制绕组电压的α轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000158
和β轴分量参考值
Figure GDA0003455061680000159
变换表达式为：
Figure GDA00034550616800001510
根据控制绕组电压的α轴分量参考值
Figure GDA00034550616800001511
和β轴分量参考值
Figure GDA00034550616800001512
利用SVPWM算法生成调制信号，使二象限变流器输出相应的励磁电流至控制绕组；
控制绕组电流变换模块，用于将从无刷双馈发电机控制绕组侧采集到的a相电流ica和b相电流icb变换为dq坐标系下控制绕组电流的d轴分量反馈值icd和电流的q轴分量反馈值icq。
具体方法为：
根据采集到的无刷双馈发电机控制绕组的a相电流ica和b相电流icb，计算控制绕组c相电流icc，计算方法如下：
icc＝-(ica+icb)
利用控制绕组电流参考值θc，将控制绕组三相电流变换为dq坐标系下控制绕组电流的d轴分量反馈值icd和电流的q轴分量反馈值icq，具体变换方式为：
Figure GDA0003455061680000161
控制绕组频率计算模块，根据从无刷双馈发电机转子上采集到的电机实际转速ωr与功率绕组额定频率ωpN，计算控制绕组频率ωc；
具体如下：
在无刷双馈发电机不同的转速区间采用不同的控制绕组频率计算方式，使无刷双馈发电机始终在自然同步转速或超同步转速运行，控制绕组不从功率绕组吸收功率，从而提高系统能效。令ωpN为功率绕组额定频率，pp和pc分别为无刷双馈发电机功率绕组和控制绕组的极对数，控制绕组频率ωc的具体计算方式为：
(1)当无刷双馈发电机转速
Figure GDA0003455061680000162
时，控制绕组频率为：ωc＝ωr(pp+pc)-ωpN；
(2)当无刷双馈发电机转速
Figure GDA0003455061680000163
时，控制绕组频率为：ωc＝0。
其中，pp和pc分别为无刷双馈发电机功率绕组和控制绕组的极对数。
本发明公开的上述技术方案，与现有技术相比，存在以下优势：
本发明提供的无刷双馈发电机系统由于采用三相不控整流桥代替了现有的二象限变流器，将功率绕组侧输出的交流电压变换为直流电压，因此本发明提供的无刷双馈发电机系统的直流母线输出端可以通过并联DC/DC变换器为直流负载供电或者与直流电网并联运行，同时也可以通过并联并网逆变器实现直流电压到单相或三相交流电压的转换，输出单相或三相交流电供给交流负载，或者与单相或三相交流电网并联运行。
本发明提供的无刷双馈发电机系统由于采用了二象限变流器，减少了传统模式下四象限变流器的使用，因此本发明降低了发电机系统的硬件成本，提高了运行可靠性。
本发明提供的无刷双馈发电机系统的控制模块采用控制绕组频率计算模块，公开电机转速、功率绕组额定频率与控制绕组频率如下关系：当无刷双馈发电机转速
Figure GDA0003455061680000171
时，控制绕组频率为ωc＝ωr(pp+pc)-ωpN；当无刷双馈发电机转速
Figure GDA0003455061680000172
时，控制绕组频率为ωc＝0，能够实现无刷双馈发电机始终在超同步速运行时，控制绕组不会从功率绕组吸收功能，从而提供系统的能效。
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 (8)

1.一种无刷双馈发电机系统，其特征在于，包括：拓扑模块和控制模块；
所述拓扑模块包括无刷双馈发电机、二象限变流器、直流母线电容和三相不控整流桥；
无刷双馈发电机控制绕组与二象限变流器的交流侧相连；三相不控整流桥的交流侧与无刷双馈发电机功率绕组相连；二象限变流器的直流侧、三相不控整流桥的直流侧与直流母线电容并联；
二象限变流器用于根据PWM脉冲调制信号为控制绕组提供励磁电流；
直流母线电容用于将直流电压中的谐波分量滤除并储能；
三相不控整流桥用于将功率绕组侧输出的交流电压变换为直流电压；
拓扑模块用于根据控制模块提供的PWM脉冲调制信号控制无刷双馈发电机；
其中，电机转速、功率绕组额定频率与控制绕组频率的关系为：
当无刷双馈发电机转速
Figure FDA0003455061670000011
时，控制绕组频率为：ωc＝ωr(pp+pc)-ωpN；
当无刷双馈发电机转速
Figure FDA0003455061670000012
时，控制绕组频率为：ωc＝0；
其中，ωpN为功率绕组额定频率；ωr为电机转速；ωc为控制绕组频率；pp和pc分别为无刷双馈发电机功率绕组和控制绕组的极对数。
2.根据权利要求1所述的无刷双馈发电机系统，其特征在于，所述控制模块包括：
直流输出电压控制模块，用于将直流母线电压的参考值与反馈值作差后，经过PI控制，获取控制绕组电流的d轴分量参考值；
控制绕组电流控制模块，用于将控制绕组电流的d轴分量参考值与d轴分量反馈值作差后，经过PI控制，获取控制绕组电压d轴分量参考值；
且将控制绕组电流的q轴分量参考值与q轴分量反馈值作差后，经过PI控制获取控制绕组电压q轴分量参考值；
控制绕组电压变换模块用于将控制绕组电压d轴分量参考值和q轴分量参考值变换为控制绕组电压的α轴分量参考值和β轴分量参考值；
控制绕组电流变换模块，用于将从控制绕组侧采集到的a相电流和b相电流变换为控制绕组电流的d轴分量反馈值和电流的q轴分量反馈值；
积分器用于对控制绕组频率积分得到控制绕组参考角度；
SVPWM发生器用于形成PWM脉冲调制信号；
控制绕组频率计算模块用于根据电机转速与功率绕组额定频率获取控制绕组频率。
3.根据权利要求2所述的无刷双馈发电机系统，其特征在于，所述直流输出电压控制模块包括低通滤波器、第一加法器和第一PI调节器；
低通滤波器对直流母线电压的反馈值进行滤波处理；
第一加法器用于计算低通滤波处理后的直流母线电压的反馈值U′dc与参考值
Figure FDA0003455061670000021
的差值；
第一PI调节器通过对第一加法器获得的差值进行PI控制，输出控制绕组电流的d轴分量参考值
Figure FDA0003455061670000022
4.根据权利要求2所述的无刷双馈发电机系统，其特征在于，所述控制绕组电流控制模块包括第二加法器、第三加法器、第二PI调节器和第三PI调节器；
所述第二加法器用于将控制绕组电流的d轴分量参考值
Figure FDA0003455061670000023
与d轴分量反馈值icd作差；
所述第二PI调节器用于对第二加法器获取的差值做PI控制，获取控制绕组电压d轴分量参考值
Figure FDA0003455061670000031
所述第三加法器用于对控制绕组电流的q轴分量参考值
Figure FDA0003455061670000032
与q轴分量反馈值icq作差；
所述第三PI调节器用于对所述第三加法器获取的差值做PI控制，获取控制绕组电压q轴分量参考值
Figure FDA0003455061670000033
其中，控制绕组电流的q轴分量参考值
Figure FDA0003455061670000034
等于0。
5.一种基于权利要求1所述的无刷双馈发电机系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据PWM脉冲调制信号，为控制绕组提供频率和幅值变化的励磁电流；
根据励磁电流控制功率绕组侧输出的交流电压；
将功率绕组侧输出的交流电压转换为直流电压；
将经过直流母线电容滤波后的直流电压输入至DC/DC变换器，用于为直流负载供电或与直流电网并联；
或将经过直流母线电容滤波后的直流电压输入至交流并网逆变器，用于为交流负载供电或与单相和三相交流电网并联；
当无刷双馈发电机转速
Figure FDA0003455061670000035
时，控制绕组频率为：ωc＝ωr(pp+pc)-ωpN；
当无刷双馈发电机转速
Figure FDA0003455061670000036
时，控制绕组频率为：ωc＝0；
其中，ωpN为功率绕组额定频率；ωr为电机转速；ωc为控制绕组频率；pp和pc分别为无刷双馈发电机功率绕组和控制绕组的极对数。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述PWM脉冲调制信号的获取方法为：
将直流母线电压的参考值与反馈值作差后进行PI控制，获取控制绕组电流的d轴分量参考值；
根据电机转速与功率绕组额定频率获取控制绕组频率；
对控制绕组频率积分得到控制绕组参考角度；
利用控制绕组参考角度，将从控制绕组侧采集到的a相电流和b相电流变换为控制绕组电流的d轴分量反馈值和电流的q轴分量反馈值；
将控制绕组电流的d轴分量参考值与d轴分量反馈值作差后进行PI控制，获取控制绕组电压d轴分量参考值；
将控制绕组电流的q轴分量参考值和q轴分量反馈值作差后进行PI控制，获取控制绕组电压q轴分量参考值；
利用控制绕组参考角度，将控制绕组电压d轴分量参考值和q轴分量参考值变换为控制绕组电压的α轴分量参考值和β轴分量参考值；
利用控制绕组电压的α轴分量参考值和β轴分量参考值，生成PWM脉冲调制信号。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，获取控制绕组电压的α轴分量参考值和β轴分量参考值的变换公式为：
Figure FDA0003455061670000041
其中，
Figure FDA0003455061670000042
为控制绕组电压d轴分量参考值；
Figure FDA0003455061670000043
为控制绕组电压q轴分量参考值；θc为控制绕组参考角度；
Figure FDA0003455061670000044
为控制绕组电压的α轴分量参考值；
Figure FDA0003455061670000045
为控制绕组电压的β轴分量参考值。
8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，获取控制绕组电流的d轴分量反馈值和电流的q轴分量反馈值的变换公式为：
Figure FDA0003455061670000051
其中，icd为控制绕组电流的d轴分量反馈值；icq为控制绕组电流的q轴分量反馈值；ica为控制绕组的a相电流；icb为控制绕组的b相电流；icc为控制绕组的c相电流；θc为控制绕组参考角度。
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