CN112436766B - 一种无刷双馈发电机抗负载扰动控制装置及方法 - Google Patents

一种无刷双馈发电机抗负载扰动控制装置及方法 Download PDF

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CN112436766B CN202011395610.8A CN202011395610A CN112436766B CN 112436766 B CN112436766 B CN 112436766B CN 202011395610 A CN202011395610 A CN 202011395610A CN 112436766 B CN112436766 B CN 112436766B
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Abstract

本发明提供了一种无刷双馈发电机抗负载扰动控制装置及方法，属于无刷双馈感应发电机控制领域，控制装置包括机侧变流器控制模块，机侧变流器控制模块与无刷双馈发电机的绕组连接；用于基于功率绕组电压的幅值和频率值的控制以及控制绕组电流的d轴和q轴分量的前馈补偿，获取控制机侧变流器的PWM脉冲调制信号。控制装置还包括网侧变流器控制模块；网侧变流器控制模块与无刷双馈发电机的功率绕组连接；用于控制直流母线电压值的大小、并控制网侧电流器的交流侧电流对负载的无功电流进行补偿。本发明提高了负载扰动时的功率绕组电压抗扰能力。同时避免了因功率绕组无功电流导致的功率绕组电压跌落以及损耗增加的问题。

Description

一种无刷双馈发电机抗负载扰动控制装置及方法
技术领域
本发明属于无刷双馈感应发电机控制领域，更具体地，涉及一种无刷双馈发电机抗负载扰动控制装置及方法。
背景技术
无刷双馈感应发电机是一种新型交流感应电机含有两套不同极对数的定子绕组，其转子经过特殊设计，能使两套定子绕组所产生的不同极对数的旋转磁场间接相互作用，从而实现能量传递。无刷双馈电机的两套定子绕组分别称为功率绕组(power winding)和控制绕组(control winding)，与有刷双馈感应发电机相比，它取消了电刷和滑环，具有结构简单且可靠性高的优点。
无刷双馈感应发电机可实现变速恒频发电，并且结构简单可靠，使得无刷双馈感应发电机在风力发电、独立船舶轴带发电领域具有显著的应用优势。通常风力发电机在运行时与电网相连，风力发电系统的控制目标是调节有功功率与无功功率。然而，当无刷双馈感应发电机作为独立发电系统时，独立发电系统不与电网相连，需要对无刷双馈感应发电机的输出电压进行直接控制，使得发电机的转速或用电负载变化时其输出电压的幅值和频率保持恒定。
传统的无刷双馈感应发电机为独立发电系统时控制方法中大多存在以下问题：
(1)在负载发生大幅扰动时，其功率绕组电压幅值会发生较大波动；
(2)在负载功率因数较低，会从功率绕组吸收较大的无功电流，容易导致功率绕组电压幅值跌落以及损耗增加。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种无刷双馈发电机抗负载扰动控制装置及方法，目的在于，通过对控制绕组电流的d轴和q轴分量的前馈补偿，提升无刷双馈发电机响应速度，进而提高负载扰动时功率绕组电压抗扰能力。
为实现上述目的，本发明提供了一种无刷双馈发电机抗负载扰动控制装置，包括机侧变流器控制模块；
机侧变流器控制模块与无刷双馈发电机的绕组连接；
机侧变流器控制模块用于基于功率绕组电压的幅值和频率值的控制以及控制绕组电流的d轴和q轴分量的前馈补偿，获取控制机侧变流器的PWM脉冲调制信号；
其中，基于功率绕组电压d轴分量参考值、功率绕组电压q轴分量参考值与功率绕组三相电压反馈值，采用坐标变换、求和运算和比例积分运算，对功率绕组电压的幅值和频率值进行控制；
利用控制绕组三相电流反馈值，采用比例运算，对控制绕组电流的d轴和q轴分量进行前馈补偿。
优选地，无刷双馈发电机抗负载扰动控制装置还包括网侧变流器控制模块；网侧变流器控制模块与无刷双馈发电机的功率绕组连接；
网侧变流器控制模块用于基于网侧变流器三相电流反馈值、功率绕组三相电流反馈值、功率绕组电压幅值、网侧变流器输出电流、直流母线电压反馈值和直流母线电压参考值，利用加法运算、比例积分运算和比例运算，获取控制网侧变流器的PWM脉冲调制信号。
优选地，机侧变流器控制模块包括：
与功率绕组顺次相连的功率绕组电压变换模块、功率绕组电压控制模块、控制绕组电流控制模块、控制绕组电压变换模块、第一SVPWM发生器和机侧变流器；与功率绕组相连的锁相环和功率绕组电流变换模块；与控制绕组相连的控制绕组电流变换模块；与控制绕组电流控制模块输入端相连的控制绕组电流补偿模块；与控制绕组电流变换模块和控制绕组电压变换模块输入端相连的控制绕组频率计算器；
功率绕组电压控制模块用于将经滤波后的功率绕组电压d轴分量反馈值和q轴分量反馈值分别与功率绕组电压d轴分量参考值和q轴分量参考值作差值后，均经过比例积分，获取控制绕组电流q轴调节量和d轴调节量；
控制绕组电流补偿模块用于基于功率绕组电流d轴分量反馈值，采用比例运算获取控制绕组电流q轴分量的前馈补偿值和d轴分量的前馈补偿值；
控制绕组电流控制模块用于将控制绕组电流q轴分量反馈值和d轴分量反馈值分别与控制绕组电流q轴分量参考值和d轴分量参考值作差后，进行比例积分，获取控制绕组电压q轴分量参考值和d轴分量参考值；
第一SVPWM发生器用于产生控制机侧变流器的PWM脉冲调制信号；
其中，控制绕组电流q轴分量参考值为控制绕组电流q轴调节量与控制绕组电流q轴分量前馈补偿值之和；控制绕组电流d轴分量的参考值为控制绕组电流d轴调节量与控制绕组电流d轴分量前馈补偿值之和。
优选地，网侧变流器控制模块包括：
顺次相连的直流母线电压控制模块、网侧变流器电流控制模块、网侧变流器电压变换模块和第二SVPWM发生器；与网侧变流器电流控制模块输入端相连的负载无功电流补偿模块和网侧的变流器电流变换模块；
直流母线电压控制模块用于将滤波后的直流母线电压反馈值与直流母线电压参考值作差后，经比例积分，获取网侧变流器电流d轴调节量；
负载无功电流补偿模块用于基于功率绕组三相电流反馈值和网侧变流器三相电流反馈值，获取负载无功电流的反馈值；
网侧变流器电流控制模块用于根据功率绕组电压幅值、网侧变流器输出电流、直流母线电压反馈值、网侧变流器电流d轴调节量、网侧变流器电流d轴分量反馈值、网侧变流器电流q轴分量反馈值以及负载无功电流反馈值，获取网侧变流器电压d轴分量参考值和电压q轴分量的参考值；
第二SVPWM发生器根据网侧变流器三相电压的参考值产生控制网侧变流器的PWM脉冲调制信号。
优选地，网侧变流器电流控制模块包括：
顺次连接的网侧变流器的d轴电流前馈补偿计算器、第九加法器、第十加法器和第六比例积分控制器；顺次连接的第三比例控制器、第十二加法器和第十三加法器；顺次连接的第十一加法器、第七比例积分控制器和第十四加法器顺次连接；与第十四加法器的输入端连接的第四比例控制器；第十三加法器与第六比例积分控制器相连；
网侧变流器的d轴电流前馈补偿计算器用于获取网侧变流器电流d轴分量前馈补偿值；第九加法器用于将网侧变流器电流d轴调节量与网侧变流器d轴分量前馈补偿值作和，输出网侧变流器电流d轴分量参考值；第六比例积分控制器用于将第十加法器获取的网侧变流器电流d轴分量反馈值与d轴分量参考值差值进行比例积分运算，获取网侧变流器电压d轴调节量；第十二加法器用于输出网侧变流器电压d轴分量前馈补偿值；第十三加法器用于将网侧变流器电压d轴调节量与网侧变流器电压d轴分量前馈补偿值作和，输出网侧变流器电压d轴分量的参考值；
第七比例积分控制器用于将第十一加法器获取的网侧变流器电流q轴分量反馈值与q轴分量参考值差值进行比例积分运算，获取网侧变流器电压q轴调节量；第四比例控制器用于获取网侧变流器电压q轴分量前馈补偿值；第十四加法器用于将网侧变流器电压q轴调节量与网侧变流器电压q轴分量前馈补偿值作和，输出网侧变流器电压q轴分量的参考值。
本发明还提供了一种无刷双馈发电机抗负载扰动控制方法，包括：
基于功率绕组电压的幅值和频率值的控制以及控制绕组电流的d轴和q轴分量的前馈补偿，获取控制机侧变流器的PWM脉冲调制信号；
其中，基于功率绕组电压d轴分量参考值、功率绕组电压q轴分量参考值与功率绕组三相电压反馈值，采用坐标变换、求和运算和比例积分运算，对功率绕组电压的幅值和频率值进行控制；
利用控制绕组三相电流反馈值，采用比例运算，对控制绕组电流的d轴和q轴分量进行前馈补偿。
优选地，获取控制机侧变流器的PWM脉冲调制信号的方法，包括以下步骤：
S1：基于功率绕组电压d轴分量参考值、功率绕组电压q轴分量参考值与功率绕组三相电压反馈值，采用坐标变换、求和运算和比例积分运算，获取控制绕组电流q轴调节量和d轴调节量；
S2：利用控制绕组三相电流反馈值，采用比例运算，获取控制绕组电流q轴分量的前馈补偿值和d轴分量的前馈补偿值；
S3：利用控制绕组电流d轴调节量和q轴调节量、控制绕组电流q轴分量的前馈补偿值和d轴分量的前馈补偿值以及控制绕组电流d轴分量反馈值和q轴分量反馈值，采用比例积分运算和加法运算，获取控制绕组电压q轴分量参考值和d轴分量参考值；
S4：利用控制绕组电压d轴分量参考值和q轴分量参考值，经坐标变换，产生控制机侧变流器的PWM脉冲调制信号。
优选地，无刷双馈发电机抗负载扰动控制方法，还包括：基于网侧变流器三相电流反馈值、功率绕组三相电流反馈值、功率绕组电压幅值、网侧变流器输出电流、直流母线电压反馈值和直流母线电压参考值，利用加法运算、比例积分运算和比例运算，获取控制网侧变流器的PWM脉冲调制信号。
优选地，获取控制网侧变流器的PWM脉冲调制信号的方法，包括以下步骤：
将滤波后的直流母线电压反馈值与直流母线电压参考值作差后，经比例积分，获取网侧变流器电流d轴调节量；
基于功率绕组三相电流反馈值和网侧变流器三相电流反馈值，获取负载无功电流的反馈值；
根据功率绕组电压幅值、网侧变流器输出电流、直流母线电压反馈值、网侧变流器电流d轴调节量、网侧变流器电流d轴分量反馈值、网侧变流器电流q轴分量反馈值以及负载无功电流反馈值，获取网侧变流器电压d轴分量参考值和电压q轴分量的参考值；
将网侧变流器电压d轴分量参考值和电压q轴分量的参考值进行坐标变换，获取控制网侧变流器的PWM脉冲调制信号。
优选地，获取网侧变流器电压d轴分量参考值的方法包括如下步骤：
根据功率绕组电压幅值、网侧变流器输出电流、经低通滤波器滤波后的直流母线电压反馈值，获取网侧变流器电流d轴分量的前馈补偿值；
将网侧变流器电流d轴调节量与网侧变流器d轴分量前馈补偿值作和，输出网侧变流器电流d轴分量参考值；
将网侧变流器电流d轴分量反馈值与参考值作差后，进行比例积分运算，获取网侧变流器电压d轴调节量；
对网侧变流器电流q轴分量反馈值比例运算后，与功率绕组电压的幅值
Figure GDA0003265441100000061
作和，输出网侧变流器电压d轴分量的前馈补偿值；
将网侧变流器电压d轴调节量与网侧变流器电压d轴分量的前馈补偿值作和，输出网侧变流器电压d轴分量参考值。
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：
本发明将功率绕组电压幅值和频率值进行控制，并对控制绕组电流的d轴和q轴分量进行控制，且引入了控制绕组电流前馈补偿，加快了系统的响应速度，从而提高了负载扰动时的功率绕组电压抗扰能力。
本发明控制直流母线电压值的大小、并控制网侧电流器的交流侧电流对负载的无功电流进行补偿，从而避免了因功率绕组无功电流导致的功率绕组电压跌落以及损耗增加的问题。
附图说明
图1是本发明提供的机侧变流器控制模块的示意图；
图2是本发明提供的网侧变流器控制模块的示意图；
图3是本发明提供的功率绕组电压控制模块的原理框图；
图4是本发明提供的控制绕组电流补偿模块的原理框图；
图5是本发明提供的控制绕组电流控制模块的原理框图；
图6是本发明提供的直流母线电压控制模块的原理框图；
图7是本发明提供的负载无功电流补偿模块的原理框图；
图8是本发明提供的网侧变流器电流控制模块的原理框图。
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抗负载扰动控制装置包括机侧变流器控制模块；机侧变流器控制模块与无刷双馈发电机的绕组连接；
机侧变流器控制模块用于基于功率绕组电压的幅值和频率值的控制以及控制绕组电流的d轴和q轴分量的前馈补偿，获取控制机侧变流器的PWM脉冲调制信号；
其中，基于功率绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000071
功率绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000072
与功率绕组三相电压反馈值，采用坐标变换、求和运算和比例积分运算，对功率绕组电压的幅值和频率值进行控制；
利用控制绕组三相电流反馈值，采用比例运算，对控制绕组电流的d轴和q轴分量进行前馈补偿。
优选地，无刷双馈发电机抗负载扰动控制装置还包括网侧变流器控制模块；网侧变流器控制模块与无刷双馈发电机的功率绕组连接；网侧变流器控制模块用于基于网侧变流器三相电流反馈值isabc、功率绕组三相电流反馈值i1abc、功率绕组电压幅值
Figure GDA0003265441100000073
网侧变流器输出电流idc_CW、直流母线电压反馈值和直流母线电压参考值，利用加法运算、比例积分运算和比例运算，获取控制网侧变流器的PWM脉冲调制信号，实现控制网侧电流器的交流侧电流对负载的无功电流补偿和直流母线电压值的抑制。
优选地，如图1所示，机侧变流器控制模块包括锁相环、功率绕组电压变换模块、功率绕组电压控制模块、功率绕组电流控制模块、控制绕组电流补偿模块、控制绕组频率计算器、控制绕组电流变换模块、控制绕组电流控制模块、控制绕组电压变换模块和第一SVPWM发生器；
锁相环与功率绕组相连，用于计算功率绕组电压的相位角θ1；
功率绕组电压变换模块的输入端与功率绕组相连，其输出端与功率绕组电压控制模块的输入端相连，用于将功率绕组三相电压反馈值u1abc变换为功率绕组电压d轴分量反馈值u1d和q轴分量反馈值u1q；
功率绕组三相电压反馈值u1abc由abc坐标系变换到dq旋转坐标系的计算公式为：
Figure GDA0003265441100000081
其中，u1d为功率绕组电压d轴分量反馈值；u1q为功率绕组电压q轴分量反馈值；u1a为功率绕组a相电压反馈值；u1b为功率绕组b相电压反馈值；u1c为功率绕组c相电压反馈值；
功率绕组电压控制模块的输出端与控制绕组电流控制模块的输入端相连；用于将经滤波后的功率绕组电压d轴分量反馈值u1d与功率绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000082
作差值，经过比例积分，获取控制绕组电流q轴调节量
Figure GDA0003265441100000083
且将经滤波后的功率绕组电压q轴分量反馈值u1q与功率绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000084
作差值，经过比例积分，获取控制绕组电流d轴调节量
Figure GDA0003265441100000085
功率绕组电流变换模块的输入端与功率绕组相连，其输出端与控制绕组电流补偿模块的输入端相连；用于将功率绕组三相电流反馈值i1abc变换到功率绕组电流d轴分量反馈值i1d和q轴分量反馈值i1q；
功率绕组三相电流反馈值i1abc由abc坐标系变换到dq旋转坐标系的公式为：
Figure GDA0003265441100000091
其中，i1d为功率绕组电流d轴分量反馈值；i1q为功率绕组电流q轴分量反馈值；i1a为功率绕组a相电流；i1b为功率绕组b相电流；i1c为功率绕组c相电流；
控制绕组电流补偿模块的输出端与控制绕组电流控制模块的输入端相连；用于基于功率绕组电流d轴分量反馈值i1d，利用比例控制器，获取控制绕组电流q轴分量的前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000092
和d轴分量的前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000093
控制绕组频率计算器的输出端与控制绕组电压变换模块和控制绕组电流变换模块的输入端相连；用于利用电机转速ωr和功率绕组频率参考值
Figure GDA0003265441100000094
计算控制绕组的坐标变换角参考值
Figure GDA0003265441100000095
控制绕组频率参考值
Figure GDA0003265441100000096
的计算公式为：
Figure GDA0003265441100000097
其中，ωr为电机转速；
Figure GDA0003265441100000098
为功率绕组频率参考值；
Figure GDA0003265441100000099
为控制绕组频率参考值；p1和p2分别为无刷双馈发电机功率绕组和控制绕组的极对数；
对控制绕组频率参考值
Figure GDA00032654411000000910
积分获取控制绕组的坐标变换角参考值
Figure GDA00032654411000000911
控制绕组电流变换模块的输入端与控制绕组相连；其输出端与控制绕组电流控制模块的输入端相连；用于将控制绕组电流三相反馈值i2abc变换为控制绕组电流d轴分量反馈值i2d和q轴分量反馈值i2q；
控制绕组三相电流反馈值i2abc由abc坐标系变换到dq旋转坐标系的公式为：
Figure GDA00032654411000000912
其中，i2d为控制绕组电流d轴分量反馈值；i2q为控制绕组电流q轴分量反馈值；i2a为控制绕组a相电流反馈值；i2b为控制绕组b相电流反馈值；i2c为控制绕组c相电流反馈值；
控制绕组电流控制模块的输出端与控制绕组电压变换模块的输入端相连；用于将控制绕组电流q轴分量反馈值i2q与参考值
Figure GDA0003265441100000101
的差值作比例积分，获取控制绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000102
控制绕组电流q轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000103
为控制绕组电流q轴调节量
Figure GDA0003265441100000104
与控制绕组电流q轴分量前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000105
之和；
且用于将控制绕组电流d轴分量反馈值i2d与参考值
Figure GDA0003265441100000106
的差值作比例积分，获取控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000107
控制绕组电流d轴分量的参考值
Figure GDA0003265441100000108
为控制绕组电流d轴调节量
Figure GDA0003265441100000109
与控制绕组电流d轴分量前馈补偿值
Figure GDA00032654411000001010
之和；
控制绕组电压变换模块的输出端与第一SVPWM发生器的输入端相连；用于将控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA00032654411000001011
和q轴分量参考值
Figure GDA00032654411000001012
变换到abc坐标系下的控制绕组三相电压参考值
Figure GDA00032654411000001013
控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA00032654411000001014
和q轴分量参考值
Figure GDA00032654411000001015
由dq旋转坐标系变换到abc坐标系的公式为：
Figure GDA00032654411000001016
其中，
Figure GDA00032654411000001017
为控制绕组电压d轴分量参考值；
Figure GDA00032654411000001018
为控制绕组电压q轴分量参考值；
Figure GDA00032654411000001019
为控制绕组a相电压参考值；
Figure GDA00032654411000001020
为控制绕组b相电压参考值；
Figure GDA00032654411000001021
为控制绕组c相电压参考值；
第一SVPWM发生器的输出端与机侧变流器的输入端相连，用于通过控制绕组电压的三相参考值
Figure GDA0003265441100000111
产生控制网侧变流器的PWM脉冲调制信号。
优选地，如图2所示，网侧变流器控制模块包括直流母线电压控制模块、负载无功电流补偿模块、网侧变流器电流变换模块、网侧变流器电流控制模块、网侧变流器电压变换模块和第二SVPWM发生器；
直流母线电压控制模块的输出端与网侧变流器电流控制模块的输入端相连；用于将滤波后的直流母线电压反馈值与直流母线电压参考值作差后，经比例积分，获取网侧变流器电流d轴调节量
Figure GDA0003265441100000112
如图7所示，负载无功电流补偿模块的输出端与网侧变流器电流控制模块的输入端相连，用于基于功率绕组三相电流反馈值i1abc和网侧变流器三相电流反馈值isabc，获取负载三相电流反馈值ilabc，再通过坐标变换，获取负载无功电流的反馈值ilq；
负载三相电流反馈值ilabc由abc坐标系变换到dq旋转坐标系的公式为：
Figure GDA0003265441100000113
其中，ila为负载a相电流反馈值；ilb为负载b相电流反馈值；ilc为负载c相电流反馈值；ild为负载有功电流反馈值；ilq为负载无功电流反馈值；
网侧变流器电流变换模块的输入端与功率绕组相连，其输出端与网侧变流器电流控制模块的输入端相连；用于通过功率绕组相位角对网侧变流器三相电流反馈值isabc进行变换，获取网侧变流器d轴分量反馈值isd和q轴分量反馈值isq；
网侧变流器三相电流反馈值isabc由abc坐标系变换到dq旋转坐标系的变换公式为：
Figure GDA0003265441100000114
其中，isd为网侧变流器电流d轴分量反馈值；isq为网侧变流器电流q轴分量反馈值；isa为网侧变流器a相电流反馈值；isb为网侧变流器b相电流反馈值；isc为网侧变流器c相电流反馈值；
网侧变流器电流控制模块的输出端与网侧变流器电压变换模块的输入端相连；用于根据功率绕组电压幅值
Figure GDA0003265441100000121
网侧变流器输出电流idc_CW、经低通滤波器滤波后的直流母线电压反馈值U′1，获取网侧变流器电流d轴分量的前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000122
后，结合网侧变流器电流d轴调节量
Figure GDA0003265441100000123
网侧变流器电流d轴分量反馈值isd、网侧变流器电流q轴分量反馈值isq和负载无功电流反馈值，获取网侧变流器电压d轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000124
和电压q轴分量的参考值
Figure GDA0003265441100000125
网侧变流器电压变换模块的输出端与第二SVPWM发生器相连，用于将网侧变流器电压d轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000126
和q轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000127
变换到abc坐标系下的三相电压参考值
Figure GDA0003265441100000128
网侧变流器电压d轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000129
和q轴分量参考值
Figure GDA00032654411000001210
由dq旋转坐标系变换到abc坐标系的公式为：
Figure GDA00032654411000001211
其中，
Figure GDA00032654411000001212
为网侧变流器a相电压参考值；
Figure GDA00032654411000001213
为网侧变流器b相电压参考值；
Figure GDA00032654411000001214
为网侧变流器c相电压参考值；
Figure GDA00032654411000001215
为网侧变流器电压d轴分量参考值；
Figure GDA00032654411000001216
为网侧变流器电压q轴分量参考值；
第二SVPWM发生器根据网侧变流器三相电压的参考值
Figure GDA00032654411000001217
产生控制网侧变流器的PWM脉冲调制信号。
优选地，如图3所示，功率绕组电压控制模块包括：第一加法器、第二加法器、第一比例积分控制器、第二比例积分控制器、第一低通滤波器和第二低通滤波器；
第一低通滤波器的输出端与第一加法器的输入端相连；第一加法器的输出端与第一比例积分控制器的输入端相连；
第二低通滤波器的输出端与第二加法器的输入端相连；第二加法器的输出端与第二比例积分控制器的输入端相连；
第一低通滤波器用于将功率绕组电压d轴分量反馈值u1d进行滤波，得到滤波后的值u′1d；
第二低通滤波器用于将功率绕组电压q轴分量反馈值u1q进行滤波，得到滤波后的值u′1q；
第一加法器用于计算第一低通滤波器处理后的功率绕组电压的d轴分量反馈值u′1d与功率绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000131
的差值；
第一比例积分控制器用于基于第一加法器获得的差值，输出控制绕组电流q轴调节量
Figure GDA0003265441100000132
第二加法器用于计算第二低通滤波器处理后的功率绕组电压的q轴分量反馈值u′1q与功率绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000133
的差值；
第二比例积分控制器用于基于第二加法器获得的差值，输出控制绕组电流d轴调节量
Figure GDA0003265441100000134
功率绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000135
等于功率绕组电压幅值
Figure GDA0003265441100000136
功率绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000137
等于0；
优选地，如图4所示，控制绕组电流补偿模块包括第一比例控制器和第二比例控制器；第一比例控制器和第二比例控制器的输出端均与功率绕组电流变换模块的输出端相连；
第一比例控制器用于基于功率绕组电流d轴分量反馈值i1d，获取控制绕组电流q轴分量的前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000138
第二比例控制器用于基于功率绕组电流d轴分量反馈值i1d，获取控制绕组电流d轴分量的前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000141
优选地，如图5所示，控制绕组电流控制模块包括：第三加法器、第四加法器、第五加法器、第六加法器、第三比例积分控制器和第四比例积分控制器；
第三加法器、第五加法器和第三比例积分控制器顺次连接；
第四加法器、第六加法器和第四比例积分控制器顺次相接；
第三加法器用于将控制绕组电流q轴调节量
Figure GDA0003265441100000142
与控制绕组电流q轴分量的前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000143
作和，输出控制绕组电流q轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000144
第五加法器用于计算控制绕组电流q轴分量反馈值
Figure GDA0003265441100000145
与参考值
Figure GDA0003265441100000146
的差值；
第三比例积分控制器用于基于从第五加法器获得的差值，获取控制绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000147
第四加法器用于将控制绕组电流d轴调节量
Figure GDA0003265441100000148
与控制绕组电流d轴分量的前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000149
作和，输出控制绕组电流d轴分量参考值
Figure GDA00032654411000001410
第六加法器用于计算控制绕组电流d轴分量反馈值i2d与参考值
Figure GDA00032654411000001411
的差值；
第四比例积分控制器用于基于从第六加法器获得的差值，获得控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA00032654411000001412
优选地，如图6所示，直流母线电压控制模块包括顺次连接的第三低通滤波器、第七加法器和第五比例积分控制器；
第三低通滤波器用于对直流母线电压的反馈值Udc进行滤波处理，获取经低通滤波处理后的反馈值U′dc；
第七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与参考值的
Figure GDA00032654411000001413
差值；
第五比例积分控制器用于基于第七加法器获得的差值，输出网侧变流器电流d轴调节量
Figure GDA00032654411000001414
优选地，如图8所示，网侧变流器电流控制模块包括第九加法器、第十加法器、第十一加法器、第十二加法器、第十三加法器、第十四加法器、第三比例控制器、第四比例控制器、第六比例积分控制器、第七比例积分控制器和网侧变流器的d轴电流前馈补偿计算器；
网侧变流器的d轴电流前馈补偿计算器、第九加法器、第十加法器、第六比例积分控制器和第十三加法器顺次连接；
第三比例控制器、第十二加法器和第十三加法器顺次连接；
第十一加法器、第七比例积分控制器和第十四加法器顺次连接；
第四比例控制器的输出端与第十四加法器的输入端连接；
网侧变流器的d轴电流前馈补偿计算器根据功率绕组电压幅值
Figure GDA0003265441100000151
网侧变流器输出电流idc_CW、经低通滤波器滤波后的直流母线电压反馈值U′1，根据公式
Figure GDA0003265441100000152
获取网侧变流器电流d轴分量的前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000153
第九加法器用于将网侧变流器电流d轴调节量
Figure GDA0003265441100000154
与网侧变流器d轴分量前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000155
作和，输出网侧变流器电流d轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000156
第十加法器用于计算网侧变流器电流d轴分量反馈值isd与参考值
Figure GDA0003265441100000157
的差值；
第十一加法器用于计算网侧变流器电流q轴分量反馈值isq与参考值
Figure GDA0003265441100000158
的差值；
如果
Figure GDA0003265441100000159
则网侧变流器电流q轴分量参考值
Figure GDA00032654411000001510
为负载无功电流反馈值ilq；如果
Figure GDA00032654411000001511
则网侧变流器电流q轴分量参考值
Figure GDA00032654411000001512
为
Figure GDA00032654411000001513
其中，Is,rated为网侧变流器额定电流的幅值；
第三比例控制器对网侧变流器电流q轴分量反馈值进行比例运算；
第十二加法器用于将第三比例控制器的输出值kisq与功率绕组电压的幅值
Figure GDA00032654411000001514
作和，输出网侧变流器电压d轴分量的前馈补偿值
Figure GDA00032654411000001515
第四比例控制器对网侧变流器电流d轴分量进行比例运算，获取网侧变流器电压q轴分量前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000161
第六比例积分控制器用于将网侧变流器电流在dq旋转坐标系中的d轴分量反馈值isd与d轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000162
的差值进行比例积分运算，获取网侧变流器电压d轴调节量
Figure GDA0003265441100000163
第七比例积分控制器用于将网侧变流器电流在dq旋转坐标系中的q轴分量反馈值isq与q轴分量参考值q轴的差值作比例积分运算，获取网侧变流器电压q轴调节量
Figure GDA0003265441100000164
第十三加法器用于将网侧变流器电压d轴调节量
Figure GDA0003265441100000165
与网侧变流器电压d轴分量前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000166
作和，输出网侧变流器电压d轴分量的参考值
Figure GDA0003265441100000167
第十四加法器用于将网侧变流器电压q轴调节量
Figure GDA0003265441100000168
与网侧变流器电压q轴分量前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000169
作和，输出网侧变流器电压q轴分量的参考值
Figure GDA00032654411000001610
优选地，第一低通滤波器具体的计算公式为：
Figure GDA00032654411000001611
其中，U′1d(n)为无刷双馈发电机当前无噪声的功率绕组电压的d轴分量反馈值；U1d(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；U1d(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功率绕组电压的d轴分量反馈值。
优选地，第二低通滤波器具体的计算公式为：
Figure GDA00032654411000001612
其中，U′1q(n)为无刷双馈发电机当前无噪声的功率绕组电压的q轴分量反馈值；U1q(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反馈值；fc2为第二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；U1q(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功率绕组电压的q轴分量反馈值。
网侧变流器的d轴电流前馈补偿计算器的运算公式为：
Figure GDA0003265441100000171
优选地，第三低通滤波器具体的计算公式为：
Figure GDA0003265441100000172
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；fc3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。
基于上述提供的一种无刷双馈发电机抗负载扰动控制装置，本发明提供了相应的无刷双馈发电机抗负载扰动控制方法，具体包括如下步骤：
将功率绕组三相电压u1a、u1b、u1c转换成功率绕组电压在dq旋转坐标系中的d轴分量反馈值u1d和q轴分量反馈值u1q；
将功率绕组电压d轴分量反馈值u1d滤波处理后与功率绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000173
作差，经比例积分运算，获取控制绕组电流d轴调节量
Figure GDA0003265441100000174
将功率绕组电压q轴分量反馈值u1q滤波处理后与功率绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000175
作差，经比例积分运算，获取控制绕组电流q轴调节量
Figure GDA0003265441100000176
将功率绕组三相电流i1a、i1b、i1c变换到dq旋转坐标系下，得到功率绕组电流的d轴分量反馈值i1d和q轴分量反馈值i1q；
将功率绕组电流的d轴分量反馈值i1d经过比例运算，获取控制绕组电流q轴分量前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000181
和d轴分量前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000182
基于电机转速ωr和功率绕组频率参考值
Figure GDA0003265441100000183
采用积分运算，获取控制绕组的坐标变换角参考值
Figure GDA0003265441100000184
将控制绕组三相电流i2a、i2b、i2c变换为dq旋转坐标系中的控制绕组电流的d轴分量反馈值i2d和q轴分量反馈值i2q；
将控制绕组电流q轴分量反馈值i2q与参考值
Figure GDA0003265441100000185
的差值作比例积分，获取控制绕组电压q轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000186
其中，控制绕组电流q轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000187
为控制绕组电流q轴调节量
Figure GDA0003265441100000188
与控制绕组电流q轴分量前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000189
之和；
且用于将控制绕组电流d轴分量反馈值i2d与参考值
Figure GDA00032654411000001810
的差值作比例积分，获取控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA00032654411000001811
其中，控制绕组电流d轴分量的参考值
Figure GDA00032654411000001812
为控制绕组电流d轴调节量
Figure GDA00032654411000001813
与控制绕组电流d轴分量前馈补偿值
Figure GDA00032654411000001814
之和；
将控制绕组电压d轴分量参考值
Figure GDA00032654411000001815
和q轴分量参考值
Figure GDA00032654411000001816
变换到abc坐标系下的控制绕组三相电压参考值
Figure GDA00032654411000001817
通过控制绕组电压的三相参考值
Figure GDA00032654411000001818
产生PWM脉冲调制信号，用于控制机侧变流器。
优选地，将直流母线电压参考值
Figure GDA00032654411000001819
与经低通滤波后的反馈值U′dc的差值作比例积分运算，获取网侧变流器电流d轴调节量
Figure GDA00032654411000001820
基于功率绕组三相电流反馈值i1abc和网侧变流器三相电流反馈值，获取负载无功电流反馈值ilq；
利用网侧变流器输出电流值idc_CW，功率电压幅值
Figure GDA0003265441100000191
和经过低通滤波后的直流母线电压值，计算得到网侧变流器电流的d轴分量前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000192
将网侧变流器电流的d轴分量前馈补偿值
Figure GDA0003265441100000193
与网侧变流器电流d轴调节量
Figure GDA0003265441100000194
相加，获取网侧变流器电流的d轴分量的参考值
Figure GDA0003265441100000195
将网侧变流器电流的q轴分量的参考值
Figure GDA0003265441100000196
设置为负载无功电流反馈值ilq；
将网侧变流器三相电流isa、isb和isc变换为dq旋转坐标系中的d轴分量isd和q轴分量isq；
将网侧变流器电流在dq旋转坐标系中的d轴分量反馈值isd与d轴分量参考值
Figure GDA0003265441100000197
作差后，经过比例积分运算，获取网侧变流器电压d轴调节量
Figure GDA0003265441100000198
将网侧变流器电流在dq旋转坐标系中的q轴分量反馈值isq与q轴分量参考值q轴作差后，经过比例积分运算，获取网侧变流器电压q轴调节量
Figure GDA0003265441100000199
将网侧变流器电压d轴调节量
Figure GDA00032654411000001910
与网侧变流器电压d轴分量前馈补偿值
Figure GDA00032654411000001911
作和，输出网侧变流器电压d轴分量参考值
Figure GDA00032654411000001912
将网侧变流器电压q轴调节量
Figure GDA00032654411000001913
与网侧变流器电压q轴分量前馈补偿值
Figure GDA00032654411000001914
作和，输出网侧变流器电压q轴分量参考值
Figure GDA00032654411000001915
将网侧变流器电压d轴分量的参考值
Figure GDA00032654411000001916
和q轴分量的参考值
Figure GDA00032654411000001917
转化为网侧变流器电压的三相电压的参考值
Figure GDA00032654411000001918
和
Figure GDA00032654411000001919
根据控制绕组三相电压的参考值
Figure GDA00032654411000001920
和
Figure GDA00032654411000001921
产生SVPWM调制信号控制网侧变流器。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明将功率绕组电压幅值和频率值进行控制，并对控制绕组电流的d轴和q轴分量进行控制，且引入了控制绕组电流前馈补偿，加快了系统的响应速度，从而提高了负载扰动时的功率绕组电压抗扰能力。
本发明控制直流母线电压值的大小、并控制网侧电流器的交流侧电流对负载的无功电流进行补偿，从而避免了因功率绕组无功电流导致的功率绕组电压跌落以及损耗增加的问题。
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抗负载扰动控制装置，其特征在于，包括机侧变流器控制模块；所述机侧变流器控制模块与无刷双馈发电机的绕组连接；
机侧变流器控制模块用于基于功率绕组电压的幅值和频率值的控制以及控制绕组电流的d轴和q轴分量的前馈补偿，获取控制机侧变流器的PWM脉冲调制信号；
其中，基于功率绕组电压d轴分量参考值、功率绕组电压q轴分量参考值与功率绕组三相电压反馈值，采用坐标变换、求和运算和比例积分运算，对功率绕组电压的幅值和频率值进行控制；
利用功率绕组三相电流反馈值，采用比例运算，对控制绕组电流的d轴和q轴分量进行前馈补偿；
所述机侧变流器控制模块包括：
与功率绕组顺次相连的功率绕组电压变换模块、功率绕组电压控制模块、控制绕组电流控制模块、控制绕组电压变换模块、第一SVPWM发生器和机侧变流器；与功率绕组相连的锁相环和功率绕组电流变换模块；与控制绕组相连的控制绕组电流变换模块；与控制绕组电流控制模块输入端相连的控制绕组电流补偿模块；与控制绕组电流变换模块和控制绕组电压变换模块输入端相连的控制绕组频率计算器；
功率绕组电压控制模块用于将经滤波后的功率绕组电压d轴分量反馈值和q轴分量反馈值分别与功率绕组电压d轴分量参考值和q轴分量参考值作差值后，均经过比例积分，获取控制绕组电流d轴调节量和q轴调节量；
控制绕组电流补偿模块用于基于功率绕组电流d轴分量反馈值，采用比例运算获取控制绕组电流q轴分量的前馈补偿值和d轴分量的前馈补偿值；
控制绕组电流控制模块用于将控制绕组电流q轴分量反馈值和d轴分量反馈值分别与控制绕组电流q轴分量参考值和d轴分量参考值作差后，进行比例积分，获取控制绕组电压q轴分量参考值和d轴分量参考值；
第一SVPWM发生器用于产生控制机侧变流器的PWM脉冲调制信号；
其中，控制绕组电流q轴分量参考值为控制绕组电流q轴调节量与控制绕组电流q轴分量前馈补偿值之和；控制绕组电流d轴分量的参考值为控制绕组电流d轴调节量与控制绕组电流d轴分量前馈补偿值之和。
2.根据权利要求1所述的无刷双馈发电机抗负载扰动控制装置，其特征在于，还包括网侧变流器控制模块；所述网侧变流器控制模块与所述无刷双馈发电机的功率绕组连接；
网侧变流器控制模块用于基于网侧变流器三相电流反馈值、功率绕组三相电流反馈值、功率绕组电压幅值、网侧变流器输出电流、直流母线电压反馈值和直流母线电压参考值，利用加法运算、比例积分运算和比例运算，获取控制网侧变流器的PWM脉冲调制信号。
3.根据权利要求2所述的无刷双馈发电机抗负载扰动控制装置，其特征在于，所述网侧变流器控制模块包括：
顺次相连的直流母线电压控制模块、网侧变流器电流控制模块、网侧变流器电压变换模块和第二SVPWM发生器；与网侧变流器电流控制模块输入端相连的负载无功电流补偿模块和网侧的变流器电流变换模块；
直流母线电压控制模块用于将滤波后的直流母线电压反馈值与直流母线电压参考值作差后，经比例积分，获取网侧变流器电流d轴调节量；
负载无功电流补偿模块用于基于功率绕组三相电流反馈值和网侧变流器三相电流反馈值，获取负载无功电流的反馈值；
网侧变流器电流控制模块用于根据功率绕组电压幅值、网侧变流器输出电流、直流母线电压反馈值、网侧变流器电流d轴调节量、网侧变流器电流d轴分量反馈值、网侧变流器电流q轴分量反馈值以及负载无功电流反馈值，获取网侧变流器电压d轴分量参考值和电压q轴分量的参考值；
第二SVPWM发生器根据网侧变流器三相电压的参考值产生控制网侧变流器的PWM脉冲调制信号。
4.根据权利要求3所述的无刷双馈发电机抗负载扰动控制装置，其特征在于，所述网侧变流器电流控制模块包括：
顺次连接的网侧变流器的d轴电流前馈补偿计算器、第九加法器、第十加法器和第六比例积分控制器；顺次连接的第三比例控制器、第十二加法器和第十三加法器；顺次连接的第十一加法器、第七比例积分控制器和第十四加法器顺次连接；与第十四加法器的输入端连接的第四比例控制器；第十三加法器与第六比例积分控制器相连；
网侧变流器的d轴电流前馈补偿计算器用于获取网侧变流器电流d轴分量前馈补偿值；第九加法器用于将网侧变流器电流d轴调节量与网侧变流器d轴分量前馈补偿值作和，输出网侧变流器电流d轴分量参考值；第六比例积分控制器用于将第十加法器获取的网侧变流器电流d轴分量反馈值与d轴分量参考值差值进行比例积分运算，获取网侧变流器电压d轴调节量；第十二加法器用于输出网侧变流器电压d轴分量前馈补偿值；第十三加法器用于将网侧变流器电压d轴调节量与网侧变流器电压d轴分量前馈补偿值作和，输出网侧变流器电压d轴分量的参考值；
第七比例积分控制器用于将第十一加法器获取的网侧变流器电流q轴分量反馈值与q轴分量参考值差值进行比例积分运算，获取网侧变流器电压q轴调节量；第四比例控制器用于获取网侧变流器电压q轴分量前馈补偿值；第十四加法器用于将网侧变流器电压q轴调节量与网侧变流器电压q轴分量前馈补偿值作和，输出网侧变流器电压q轴分量的参考值。
5.一种无刷双馈发电机抗负载扰动控制方法，其特征在于，包括：
基于功率绕组电压的幅值和频率值的控制以及控制绕组电流的d轴和q轴分量的前馈补偿，获取控制机侧变流器的PWM脉冲调制信号；
其中，基于功率绕组电压d轴分量参考值、功率绕组电压q轴分量参考值与功率绕组三相电压反馈值，采用坐标变换、求和运算和比例积分运算，对功率绕组电压的幅值和频率值进行控制；
利用功率绕组三相电流反馈值，采用比例运算，对控制绕组电流的d轴和q轴分量进行前馈补偿；
其中，获取控制机侧变流器的PWM脉冲调制信号的方法，包括以下步骤：
S1：基于功率绕组电压d轴分量参考值、功率绕组电压q轴分量参考值与功率绕组三相电压反馈值，采用坐标变换、求和运算和比例积分运算，获取控制绕组电流d轴调节量和q轴调节量；
S2：利用功率绕组电流d轴分量反馈值，采用比例运算，获取控制绕组电流q轴分量的前馈补偿值和d轴分量的前馈补偿值；
S3：根据控制绕组电流d轴调节量和q轴调节量、控制绕组电流q轴分量的前馈补偿值和d轴分量的前馈补偿值以及控制绕组电流d轴分量反馈值和q轴分量反馈值，采用比例积分运算和加法运算，获取控制绕组电压q轴分量参考值和d轴分量参考值；
S4：利用控制绕组电压d轴分量参考值和q轴分量参考值，经坐标变换，产生控制机侧变流器的PWM脉冲调制信号；
其中，控制绕组电流q轴分量参考值为控制绕组电流q轴调节量与控制绕组电流q轴分量前馈补偿值之和；控制绕组电流d轴分量的参考值为控制绕组电流d轴调节量与控制绕组电流d轴分量前馈补偿值之和。
6.根据权利要求5所述的无刷双馈发电机抗负载扰动控制方法，其特征在于，还包括：
基于网侧变流器三相电流反馈值、功率绕组三相电流反馈值、功率绕组电压幅值、网侧变流器输出电流、直流母线电压反馈值和直流母线电压参考值，利用加法运算、比例积分运算和比例运算，获取控制网侧变流器的PWM脉冲调制信号。
7.根据权利要求5所述的无刷双馈发电机抗负载扰动控制方法，其特征在于，获取控制网侧变流器的PWM脉冲调制信号的方法，包括以下步骤：
将滤波后的直流母线电压反馈值与直流母线电压参考值作差后，经比例积分，获取网侧变流器电流d轴调节量；
基于功率绕组三相电流反馈值和网侧变流器三相电流反馈值，获取负载无功电流的反馈值；
根据功率绕组电压幅值、网侧变流器输出电流、直流母线电压反馈值、网侧变流器电流d轴调节量、网侧变流器电流d轴分量反馈值、网侧变流器电流q轴分量反馈值以及负载无功电流反馈值，获取网侧变流器电压d轴分量参考值和电压q轴分量的参考值；
将网侧变流器电压d轴分量参考值和电压q轴分量的参考值进行坐标变换，获取控制网侧变流器的PWM脉冲调制信号。
8.根据权利要求7所述的无刷双馈发电机抗负载扰动控制方法，其特征在于，获取网侧变流器电压d轴分量参考值的方法包括如下步骤：
根据功率绕组电压幅值、网侧变流器输出电流、经低通滤波器滤波后的直流母线电压反馈值，获取网侧变流器电流d轴分量的前馈补偿值；
将网侧变流器电流d轴调节量与网侧变流器d轴分量前馈补偿值作和，输出网侧变流器电流d轴分量参考值；
将网侧变流器电流d轴分量反馈值与参考值作差后，进行比例积分运算，获取网侧变流器电压d轴调节量；
对网侧变流器电流q轴分量反馈值比例运算后，与功率绕组电压的幅值U1 *作和，输出网侧变流器电压d轴分量的前馈补偿值；
将网侧变流器电压d轴调节量与网侧变流器电压d轴分量的前馈补偿值作和，输出网侧变流器电压d轴分量参考值。
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