CN112838800B - 一种双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法 - Google Patents

一种双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法 Download PDF

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CN112838800B CN202110271642.5A CN202110271642A CN112838800B CN 112838800 B CN112838800 B CN 112838800B CN 202110271642 A CN202110271642 A CN 202110271642A CN 112838800 B CN112838800 B CN 112838800B
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Abstract

本发明公开了一种双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法，涉及感应电机驱动控制技术领域，以五相双绕组感应发电机系统为对象，利用PI调节器控制其控制绕组侧与功率绕组侧母线电压，利用电压模型转子磁链计算得到转子磁链幅值与定向角，建立双绕组感应发电机系统的电流预测模型，通过控制绕组电流与转子磁链幅值在电流预测模型中计算得到下一个控制周期控制绕组电流的预测值，以控制绕组电流的预测值跟上给定值为目标，计算得到所需的控制绕组电压，送入空间矢量脉宽调制后输出开关信号。该电流预测控制方法实现简单，有效克服了传统方法中参数整定困难的问题，同时拥有较好的电流控制性能，使整个控制系统的动态性能得到提升。

Description

一种双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法
技术领域
本发明涉及感应电机驱动控制技术领域，尤其是一种双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法。
背景技术
多电飞机的迅速发展，对航空电源系统提出了大容量、高效率、高可靠性、高供电质量的要求。作为航空电源系统的研究热点之一，直流电源系统的发展离不开其发电技术的发展。在众多直流电源系统中，双绕组感应发电机系统继承了笼型感应发电机系统结构简单、可靠性高的优点，并克服了其变换器容量大的不足，成为了直流电源系统的良好选择。
要充分发挥双绕组感应发电机系统的优势，就离不开它所采用的控制方法。由于该电机拥有两套绕组，需要同时对其两端电压进行控制，这使得控制变得相对较复杂。传统的双绕组感应发电机系统控制方法中，通过采用多个比例积分(PI，Proportional-Integral)调节器来调节有功电流、无功电流进而来调节控制绕组侧母线电压、功率绕组侧母线电压，具有开关频率固定、电流纹波较小的优势，却给整个系统引入了多个PI调节器，增加了调节器的设计难度。不仅如此，该控制方法在复杂的工况下往往需要设置多组PI参数，导致实际应用中调节器设计过程繁琐，且不易进行参数优化，这无疑为双绕组感应电机的进一步发展增加了困难。
电流预测控制是近年来被广泛应用于电力电子控制领域与电机驱动控制领域的一种控制方法，电流预测控制具有计算量小，实现简单，开关频率固定，响应快速等优点。然而，目前对于电流预测控制的研究仅限于并网逆变器、整流器、永磁同步电动机等，对于在双绕组感应发电机中的应用还尚未有所研究。双绕组感应发电机系统由于存在两套绕组，电机的数学模型更加复杂，电流预测控制在该系统上的实现并非简单的套用，需要专门为双绕组感应发电机设计预测模型，且在控制过程中还需要同时考虑两套绕组电压电流、磁链幅值与角度等信息的获取与利用。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法，该方法建立了双绕组感应发电机的电流预测模型，通过预测下一个控制周期发电机的控制绕组电流，来计算所要施加于电机的控制绕组电压矢量，进而实现对五相双绕组感应发电机系统的控制，避免了传统控制方法中复杂繁琐的参数整定过程，同时提升了系统的动态性能。
本发明的技术方案如下：
一种双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法，包括如下步骤：
确定控制绕组侧直流母线电压误差与功率绕组侧直流母线电压误差，分别通过PI调节器得到控制绕组电流给定值的直轴与交轴分量；
获取控制绕组电流实际值并进行第一次坐标变换后，通过电压模型转子磁链观测器得到转子磁链幅值与转子磁链定向角；
利用转子磁链定向角对变换后的控制绕组电流实际值进行第二次坐标变换，得到控制绕组电流实际值的直轴与交轴分量；
将控制绕组电流实际值的直轴与交轴分量、上一个控制周期计算得到的控制绕组电压的直轴与交轴分量、转子磁链幅值代入电流预测模型中，得到对下一个控制周期的控制绕组电流预测值的直轴与交轴分量；
对控制绕组电流预测值和控制绕组电流给定值的直轴与交轴分量进行电压矢量计算，得到此控制周期所需的控制绕组电压的直轴与交轴分量；
利用转子磁链定向角对控制绕组电压的直轴与交轴分量进行第三次坐标变换，将变换后的控制绕组电压、控制绕组侧母线电压的实际值输入空间矢量脉宽调制得到开关信号作用于励磁变换器。
其进一步的技术方案为，确定控制绕组侧直流母线电压误差与功率绕组侧直流母线电压误差，分别通过PI调节器得到控制绕组电流给定值的直轴与交轴分量，包括：
获取控制绕组侧直流母线电压的给定值与实际值之差作为控制绕组侧直流母线电压误差，通过PI调节器计算得到控制绕组电流给定值的交轴分量；
获取功率绕组侧直流母线电压的给定值与实际值之差作为功率绕组侧直流母线电压误差，通过PI调节器计算得到控制绕组电流给定值的直轴分量；
计算公式表示如下：
Figure BDA0002974800060000031
其中，
Figure BDA0002974800060000032
为控制绕组电流给定值的直轴分量，
Figure BDA0002974800060000033
为控制绕组电流给定值的交轴分量，kp1、kp2分别为PI调节器的比例系数，ki1、ki2分别为PI调节器的积分系数，upDC为功率绕组侧直流母线电压的实际值，ucDC为控制绕组侧直流母线电压的实际值，
Figure BDA0002974800060000034
为功率绕组侧直流母线电压的给定值，
Figure BDA0002974800060000035
为控制绕组侧直流母线电压的给定值。
其进一步的技术方案为，获取控制绕组电流实际值并进行第一次坐标变换，包括：
获取控制绕组的五相电流实际值，并依据公式(2)将五相电流实际值从五相自然坐标系转换为两相静止坐标系，得到控制绕组电流实际值的α轴与β轴分量；
Figure BDA0002974800060000036
其中，icα、icβ分别为控制绕组电流实际值的α轴与β轴分量，ia、ib、ic、id、ie分别为a相、b相、c相、d相、e相的控制绕组电流实际值。
其进一步的技术方案为，通过电压模型转子磁链观测器得到转子磁链幅值与转子磁链定向角，包括：
将变换后的控制绕组电流实际值、上一个控制周期计算得到的控制绕组电压的α轴与β轴分量代入电压模型转子磁链观测器中，得到转子磁链幅值与转子磁链定向角；
Figure BDA0002974800060000037
其中，ψrα、ψrβ分别为转子磁链的α轴与β轴分量，Lc、Lr、Lm分别为控制绕组电感、转子等效绕组电感、励磁电感，Rc为控制绕组电阻，ucα,1、ucβ,1分别为上一个控制周期计算得到的控制绕组电压的α轴与β轴分量，ψr为转子磁链幅值，θ为转子磁链定向角。
其进一步的技术方案为，利用转子磁链定向角对变换后的控制绕组电流实际值进行第二次坐标变换，得到控制绕组电流实际值的直轴与交轴分量，包括：
根据获得的转子磁链定向角依据公式(4)将变换后的控制绕组电流实际值从两相静止坐标系转换为两相旋转坐标系，得到控制绕组电流实际值的直轴与交轴分量；
Figure BDA0002974800060000041
其中，icd为控制绕组电流实际值的直轴分量，icq为控制绕组电流实际值的交轴分量。
其进一步的技术方案为，依据双绕组感应发电机数学模型推导而来的电流预测模型为：
Figure BDA0002974800060000042
其中，M＝E-HC，
Figure BDA0002974800060000043
Figure BDA0002974800060000044
i'cd为控制绕组电流预测值的直轴分量，i'cq为控制绕组电流预测值的交轴分量，ucd,1、ucq,1分别为上一个控制周期计算得到的控制绕组电压的直轴与交轴分量，Ts为控制周期，Rr为转子绕组等效电阻，ω为同步角频率。
其进一步的技术方案为，控制绕组电压矢量计算方程为：
Figure BDA0002974800060000045
其中，ucd为控制绕组电压的直轴分量，ucq为控制绕组电压的交轴分量。
其进一步的技术方案为，利用转子磁链定向角对控制绕组电压的直轴与交轴分量进行第三次坐标变换，包括：
根据获得的转子磁链定向角依据公式(7)将控制绕组电压的直轴与交轴分量从两相旋转坐标系转换为两相静止坐标系，得到控制绕组电压的α轴与β轴分量；
Figure BDA0002974800060000051
其中，ucα为控制绕组电压的α轴分量，ucβ为控制绕组电压的β轴分量。
本发明的有益技术效果是：
1)本申请提出的电流预测控制方法易实现，相比于传统的控制方法省略了两个PI调节器，有效的克服了传统方法中参数整定困难的问题。
2)该电流预测控制方法相比于传统的双绕组感应发电机控制方法获得更好的电流控制性能，由于在推导系统的电流预测模型时将控制延时也考虑在内，因此减轻了控制延时带来的不利影响，整个控制系统的动态性能都有所提升，具体表现在突加负载的电压跌落幅度的减小，直流母线电压与电流恢复时间的缩短。
3)该电流预测控制方法的开关频率固定，稳态控制性能优秀，能够保证母线电压与电流的稳定控制与控制绕组电流的低谐波含量。
4)该电流预测控制方法是基于离散控制系统进行设计的，特别适用于数字控制系统。
附图说明
图1是本申请提供的五相双绕组感应发电机系统示意图。
图2是本申请提供的双绕组感应发电机系统的电压控制机理。
图3是本申请提供的五相双绕组感应发电机系统电流预测控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
五相双绕组感应发电机系统示意图如图1所示，五相双绕组感应发电机控制绕组侧接有五相静止励磁变换器SEC，用来调节发电机的无功功率；功率绕组侧接有直流负载和五相不控整流桥，发出的电经过五相整流桥直接输出直流电能。
在五相双绕组感应发电机系统中，控制绕组侧直流母线电压与电磁转矩呈正相关，功率绕组侧直流母线电压与磁链幅值呈正相关。而电磁转矩由有功功率调节，控制绕组电流的交轴分量能够调节有功功率；磁链幅值由无功功率调节，控制绕组电流的直轴分量能够调节无功功率。因此可以分别通过调节控制绕组电流的交轴和直轴分量来调节控制绕组侧直流母线电压和功率绕组侧直流母线电压，其电压控制机理如图2所示，其中，pc代表有功功率，qc代表无功功率，Tec代表电磁转矩，ψ代表磁链幅值。
本申请公开了一种双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法，其控制框图如图3所示，该方法包括如下步骤：
步骤1：确定控制绕组侧直流母线电压误差与功率绕组侧直流母线电压误差，分别通过PI调节器得到控制绕组电流给定值的直轴与交轴分量。
具体的，获取控制绕组侧直流母线电压的给定值与实际值之差作为控制绕组侧直流母线电压误差，通过PI调节器计算得到控制绕组电流给定值的交轴分量。
获取功率绕组侧直流母线电压的给定值与实际值之差作为功率绕组侧直流母线电压误差，通过PI调节器计算得到控制绕组电流给定值的直轴分量。
计算公式表示如下：
Figure BDA0002974800060000061
其中，
Figure BDA0002974800060000062
为控制绕组电流给定值的直轴分量，
Figure BDA0002974800060000063
为控制绕组电流给定值的交轴分量，kp1、kp2分别为PI调节器的比例系数，ki1、ki2分别为PI调节器的积分系数，upDC为功率绕组侧直流母线电压的实际值，ucDC为控制绕组侧直流母线电压的实际值，
Figure BDA0002974800060000064
为功率绕组侧直流母线电压的给定值，
Figure BDA0002974800060000065
为控制绕组侧直流母线电压的给定值。
步骤2：获取控制绕组电流实际值并进行第一次坐标变换。
具体的，获取控制绕组的五相电流实际值，并依据公式(2)将五相电流实际值从五相自然坐标系转换为两相静止坐标系，坐标转换简化为5s/2s，得到控制绕组电流实际值的α轴与β轴分量。
Figure BDA0002974800060000066
其中，icα、icβ分别为控制绕组电流实际值的α轴与β轴分量，ia、ib、ic、id、ie分别为a相、b相、c相、d相、e相的控制绕组电流实际值。
步骤3：通过电压模型转子磁链观测器得到转子磁链幅值与转子磁链定向角。
具体的，将变换后的控制绕组电流实际值、上一个控制周期计算得到的控制绕组电压的α轴与β轴分量代入电压模型转子磁链观测器中，首先计算得到中间量转子磁链的α轴与β轴分量，然后再由其计算得到转子磁链幅值与转子磁链定向角。
Figure BDA0002974800060000071
其中，ψrα、ψrβ分别为转子磁链的α轴与β轴分量，Lc、Lr、Lm分别为控制绕组电感、转子等效绕组电感、励磁电感，Rc为控制绕组电阻，ucα,1、ucβ,1分别为上一个控制周期计算得到的控制绕组电压的α轴与β轴分量，ψr为转子磁链幅值，θ为转子磁链定向角。
步骤4：利用转子磁链定向角对变换后的控制绕组电流实际值进行第二次坐标变换，得到控制绕组电流实际值的直轴与交轴分量。
具体的，根据获得的转子磁链定向角依据公式(4)将变换后的控制绕组电流实际值从两相静止坐标系转换为两相旋转坐标系，坐标转换简化为2s/2r，得到控制绕组电流实际值的直轴与交轴分量。
Figure BDA0002974800060000072
其中，icd为控制绕组电流实际值的直轴分量，icq为控制绕组电流实际值的交轴分量。
步骤5：将控制绕组电流实际值的直轴与交轴分量、上一个控制周期计算得到的控制绕组电压的直轴与交轴分量、转子磁链幅值代入电流预测模型中，得到对下一个控制周期的控制绕组电流预测值的直轴与交轴分量。
电流预测控制的基本思想是：建立被控对象的预测模型，在每个控制周期开始时，获取相关电压电流的给定值与实际值，对下一控制周期的电流值进行预测，以电流预测值在下一控制周期跟上给定值为目标，来计算所需控制电压矢量，进而在脉宽调制器中输出开关信号。
则依据双绕组感应发电机数学模型推导而来的电流预测模型为：
Figure BDA0002974800060000081
其中，M＝E-HC，
Figure BDA0002974800060000082
Figure BDA0002974800060000083
i'cd为控制绕组电流预测值的直轴分量，i'cq为控制绕组电流预测值的交轴分量，ucd,1、ucq,1分别为上一个控制周期计算得到的控制绕组电压的直轴与交轴分量，Ts为控制周期，Rr为转子绕组等效电阻，ω为同步角频率。
步骤6：对控制绕组电流预测值和控制绕组电流给定值的直轴与交轴分量进行电压矢量计算，得到此控制周期所需的控制绕组电压的直轴与交轴分量。
控制绕组电压矢量计算方程为：
Figure BDA0002974800060000084
其中，ucd为控制绕组电压的直轴分量，ucq为控制绕组电压的交轴分量。
步骤7：利用转子磁链定向角对控制绕组电压的直轴与交轴分量进行第三次坐标变换，将变换后的控制绕组电压、控制绕组侧母线电压的实际值输入空间矢量脉宽调制得到开关信号作用于励磁变换器。
具体的，首先根据获得的转子磁链定向角依据公式(7)将控制绕组电压的直轴与交轴分量从两相旋转坐标系转换为两相静止坐标系，坐标转换简化为2r/2s，得到控制绕组电压的α轴与β轴分量。
Figure BDA0002974800060000085
其中，ucα为控制绕组电压的α轴分量，ucβ为控制绕组电压的β轴分量。
最后将控制绕组电压的α轴与β轴分量、控制绕组侧直流母线电压的实际值送入空间矢量脉宽调制即可得到所需开关信号的占空比，再将开关信号送入励磁变换器中，进而实现对五相双绕组感应发电机系统的控制。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法，其特征在于，所述电流预测控制方法包括：
确定控制绕组侧直流母线电压误差与功率绕组侧直流母线电压误差，分别通过PI调节器得到控制绕组电流给定值的直轴与交轴分量；
获取控制绕组电流实际值并进行第一次坐标变换后，通过电压模型转子磁链观测器得到转子磁链幅值与转子磁链定向角；
利用所述转子磁链定向角对变换后的控制绕组电流实际值进行第二次坐标变换，得到控制绕组电流实际值的直轴与交轴分量；
将所述控制绕组电流实际值的直轴与交轴分量、上一个控制周期计算得到的控制绕组电压的直轴与交轴分量、转子磁链幅值代入电流预测模型中，得到对下一个控制周期的控制绕组电流预测值的直轴与交轴分量；
对所述控制绕组电流预测值和控制绕组电流给定值的直轴与交轴分量进行电压矢量计算，得到此控制周期所需的控制绕组电压的直轴与交轴分量；
利用所述转子磁链定向角对所述控制绕组电压的直轴与交轴分量进行第三次坐标变换，将变换后的控制绕组电压、控制绕组侧母线电压的实际值输入空间矢量脉宽调制得到开关信号作用于励磁变换器；
依据双绕组感应发电机数学模型推导而来的所述电流预测模型为：
Figure FDA0003251542530000011
其中，M＝E-HC，
Figure FDA0003251542530000012
Figure FDA0003251542530000013
i'cd为控制绕组电流预测值的直轴分量，i'cq为控制绕组电流预测值的交轴分量，icd为控制绕组电流实际值的直轴分量，icq为控制绕组电流实际值的交轴分量，ucd,1、ucq,1分别为上一个控制周期计算得到的控制绕组电压的直轴与交轴分量，Ts为控制周期，Rr为转子绕组等效电阻，Rc为控制绕组电阻，ω为同步角频率，ψr为转子磁链幅值，Lc、Lr、Lm分别为控制绕组电感、转子等效绕组电感、励磁电感。
2.根据权利要求1所述的双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法，其特征在于，所述确定控制绕组侧直流母线电压误差与功率绕组侧直流母线电压误差，分别通过PI调节器得到控制绕组电流给定值的直轴与交轴分量，包括：
获取控制绕组侧直流母线电压的给定值与实际值之差作为所述控制绕组侧直流母线电压误差，通过所述PI调节器计算得到控制绕组电流给定值的交轴分量；
获取功率绕组侧直流母线电压的给定值与实际值之差作为所述功率绕组侧直流母线电压误差，通过所述PI调节器计算得到控制绕组电流给定值的直轴分量；
计算公式表示如下：
Figure FDA0003251542530000021
其中，
Figure FDA0003251542530000022
为控制绕组电流给定值的直轴分量，
Figure FDA0003251542530000023
为控制绕组电流给定值的交轴分量，kp1、kp2分别为所述PI调节器的比例系数，ki1、ki2分别为所述PI调节器的积分系数，upDC为所述功率绕组侧直流母线电压的实际值，ucDC为所述控制绕组侧直流母线电压的实际值，
Figure FDA0003251542530000024
为所述功率绕组侧直流母线电压的给定值，
Figure FDA0003251542530000025
为所述控制绕组侧直流母线电压的给定值。
3.根据权利要求1所述的双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法，其特征在于，获取控制绕组电流实际值并进行第一次坐标变换，包括：
获取控制绕组的五相电流实际值，并依据公式(2)将所述五相电流实际值从五相自然坐标系转换为两相静止坐标系，得到控制绕组电流实际值的α轴与β轴分量；
Figure FDA0003251542530000026
其中，icα、icβ分别为控制绕组电流实际值的α轴与β轴分量，ia、ib、ic、id、ie分别为a相、b相、c相、d相、e相的控制绕组电流实际值。
4.根据权利要求1所述的双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法，其特征在于，所述通过电压模型转子磁链观测器得到转子磁链幅值与转子磁链定向角，包括：
将所述变换后的控制绕组电流实际值、上一个控制周期计算得到的控制绕组电压的α轴与β轴分量代入电压模型转子磁链观测器中，得到转子磁链幅值与转子磁链定向角；
Figure FDA0003251542530000031
其中，ψrα、ψrβ分别为转子磁链的α轴与β轴分量，Lc、Lr、Lm分别为控制绕组电感、转子等效绕组电感、励磁电感，Rc为控制绕组电阻，ucα,1、ucβ,1分别为上一个控制周期计算得到的控制绕组电压的α轴与β轴分量，ψr为转子磁链幅值，θ为转子磁链定向角，icα、icβ分别为控制绕组电流实际值的α轴与β轴分量。
5.根据权利要求1所述的双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法，其特征在于，所述利用所述转子磁链定向角对变换后的控制绕组电流实际值进行第二次坐标变换，得到控制绕组电流实际值的直轴与交轴分量，包括：
根据获得的转子磁链定向角依据公式(4)将所述变换后的控制绕组电流实际值从两相静止坐标系转换为两相旋转坐标系，得到控制绕组电流实际值的直轴与交轴分量；
Figure FDA0003251542530000032
其中，icd为控制绕组电流实际值的直轴分量，icq为控制绕组电流实际值的交轴分量，θ为转子磁链定向角，icα、icβ分别为控制绕组电流实际值的α轴与β轴分量。
6.根据权利要求1所述的双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法，其特征在于，控制绕组电压矢量计算方程为：
Figure FDA0003251542530000033
其中，ucd为控制绕组电压的直轴分量，ucq为控制绕组电压的交轴分量，
Figure FDA0003251542530000041
为控制绕组电流给定值的直轴分量，
Figure FDA0003251542530000042
为控制绕组电流给定值的交轴分量。
7.根据权利要求1所述的双绕组感应发电机系统的电流预测控制方法，其特征在于，所述利用所述转子磁链定向角对所述控制绕组电压的直轴与交轴分量进行第三次坐标变换，包括：
根据获得的转子磁链定向角依据公式(7)将所述控制绕组电压的直轴与交轴分量从两相旋转坐标系转换为两相静止坐标系，得到控制绕组电压的α轴与β轴分量；
Figure FDA0003251542530000043
其中，ucα为控制绕组电压的α轴分量，ucβ为控制绕组电压的β轴分量，θ为转子磁链定向角，ucd为控制绕组电压的直轴分量，ucq为控制绕组电压的交轴分量。
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