CN113193793A - 基于vsg技术的同步电机背靠背调速方法及相关设备 - Google Patents

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CN113193793A CN202110290440.5A CN202110290440A CN113193793A CN 113193793 A CN113193793 A CN 113193793A CN 202110290440 A CN202110290440 A CN 202110290440A CN 113193793 A CN113193793 A CN 113193793A
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李翼翔
田震
孙建军
查晓明
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Abstract

本发明公开了一种基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法及相关设备。本发明通过建立频率控制器、电压控制器、速度控制器及电流前馈控制器，形成背靠背调速系统；获取背靠背调速系统VSG转速，将VSG转速作为速度反馈构成无速度传感器闭环控制系统，以对同步电机进行调速。由于本发明技术方案中将VSG转速(即虚拟同步电机的转速)作为反馈速度，无需采用速度传感器，避免了复杂的矢量观测，而且其不存在延时，解决现有技术中VSG的同步电机调速响应延迟的技术问题，降低了速度调控的响应时间。

Description

基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法及相关设备
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及基于VSG技术的同步电机背靠 背调速方法及相关设备。
背景技术
电励磁同步电机具有控制精度高、过载能力强、较高弱磁比的优点。调速 问题是其广泛应用过程中非常关键的问题之一，传统的同步电机调速技术中， 高性能方法往往依赖特定的电机参数和复杂的无速度传感器技术，但控制简 单、成本低廉的方法是低性能的。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是 现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法及 相关设备，旨在解决现有技术中VSG的同步电机调速复杂的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于VSG技术的同步电机背靠背调速 方法，所述基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法包括以下步骤：
建立频率控制器、电压控制器、速度控制器及电流前馈控制器，形成 背靠背调速系统；
获取背靠背调速系统VSG转速，将VSG转速作为速度反馈构成无速度 传感器闭环控制系统，以对同步电机进行调速。
优选地，所述频率控制器包括：
Figure BDA0002982301160000011
其中，式中J是VSG虚拟惯量，ω是VSG的转子角频率，Dp是VSG的 阻尼系数，Td是阻尼转矩，Tm是机械转矩，Te是电磁转矩。
优选地，所述电压控制器包括：
Em＝ωMfif；
Mfif是定子绕组与转子绕组互感磁链的最大值，ω是VSG的转子角频率， Em定子端电压。
优选地，通过如下公式计算Mfif：
Figure BDA0002982301160000021
其中，UN是同步电动机额定电压，ωN是转子额定角频率，Mfif是定子绕 组与转子绕组互感磁链的最大值。
优选地，所述速度控制器包括：
Figure BDA0002982301160000022
式中Tm是机械转矩，kp和ki是PI控制器的预设参数，ωref是给定参考转速， ωs是实际工况下的转速。
优选地，所述电流前馈控制器包括：
Figure BDA0002982301160000023
Figure BDA0002982301160000024
和
Figure BDA0002982301160000025
分别为VSG内电势的d轴和q轴分量，
Figure BDA0002982301160000026
和
Figure BDA0002982301160000027
分别为VSG端 电压的d轴和q轴分量，
Figure BDA0002982301160000028
和
Figure BDA0002982301160000029
分别为VSG定子电流的d轴和q轴分量， Rs为VSG定子绕组的电阻。
为实现上述目的，本发明还提出一种设备，所述设备包括：存储器、处 理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行基于VSG技术的同步电 机背靠背调速程序，所述基于VSG技术的同步电机背靠背调速程序被所述处 理器执行时实现如上所述的基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法的步 骤。
为实现上述目的，本发明还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有 基于VSG技术的同步电机背靠背调速程序，所述基于VSG技术的同步电机 背靠背调速程序被处理器执行时实现如上所述的基于VSG技术的同步电机背 靠背调速方法的步骤。
为实现上述目的，本发明还提出一种基于VSG技术的同步电机背靠背调 速装置，所述火电机组一次调频系数优化装置包括：
系统建立模块，用于建立频率控制器、电压控制器、速度控制器及电流 前馈控制器，形成背靠背调速系统；
系统控制模块，用于获取背靠背调速系统VSG转速，将VSG转速作为 速度反馈构成无速度传感器闭环控制系统，以对同步电机进行调速。
本发明通过建立频率控制器、电压控制器、速度控制器及电流前馈控制 器，形成背靠背调速系统；获取背靠背调速系统VSG转速，将VSG转速作 为速度反馈构成无速度传感器闭环控制系统，以对同步电机进行调速。由于 本发明技术方案中将VSG转速(即虚拟同步电机的转速)作为反馈速度，无 需采用速度传感器，避免了复杂的矢量观测，而且其不存在延时，解决现有 技术中VSG的同步电机调速响应延迟的技术问题，降低了速度调控的响应时 间。
附图说明
图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的设备结构示意图；
图2是本发明实施例方案涉及的设备结构示意图；
图3为本发明基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法一实施例的流程 示意图；
图4为无速度传感器闭环控制系统的控制框图；
图5为本发明基于VSG技术的同步电机背靠背调速装置一实施例的模块 图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步 说明。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的 附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例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。
下面结合图1-图5描述本发明的技术方案。
图1示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图1所示，该电子设备 可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存 储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储 器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830 中的逻辑指令，以执行基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法方法，该方 法包括：
建立频率控制器、电压控制器、速度控制器及电流前馈控制器，形成背 靠背调速系统；
获取背靠背调速系统VSG转速，将VSG转速作为速度反馈构成无速度 传感器闭环控制系统，以对同步电机进行调速。
优选地，所述频率控制器包括：
Figure BDA0002982301160000041
其中，式中J是VSG虚拟惯量，ω是VSG的转子角频率，Dp是VSG的 阻尼系数，Td是阻尼转矩，Tm是机械转矩，Te是电磁转矩。
优选地，所述电压控制器包括：
Em＝ωMfif；
Mfif是定子绕组与转子绕组互感磁链的最大值，ω是VSG的转子角频率， Em定子端电压。
优选地，通过如下公式计算Mfif：
Figure BDA0002982301160000042
其中，UN是同步电动机额定电压，ωN是转子额定角频率，Mfif是定子绕 组与转子绕组互感磁链的最大值。
优选地，所述速度控制器包括：
Figure BDA0002982301160000051
式中Tm是机械转矩，kp和ki是PI控制器的预设参数，ωref是给定参考转速， ωs是实际工况下的转速。
优选地，所述电流前馈控制器包括：
Figure BDA0002982301160000052
Figure BDA0002982301160000053
和
Figure BDA0002982301160000054
分别为VSG内电势的d轴和q轴分量，
Figure BDA0002982301160000055
和
Figure BDA0002982301160000056
分别为VSG端电压 的d轴和q轴分量，
Figure BDA0002982301160000057
和
Figure BDA0002982301160000058
分别为VSG定子电流的d轴和q轴分量，Rs为 VSG定子绕组的电阻。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实 现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质 中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献 的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软 件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可 以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方 法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储 器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
参照图2，图2为一种逆变器，具有A、B、C三相，能够用于驱动电机。 udcA1～udcAn是电容器电压，本实施例中图1所示的电子设备可应用于该逆变 器中，实现对负载电机的稳定可靠的控制。
本发明提供一种基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法。
参照图3及图4，所述基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法包括以 下步骤：
步骤S100：建立频率控制器、电压控制器、速度控制器及电流前馈控制 器，形成背靠背调速系统。本实施例中，基于同步电机转子运动方程建立频 率控制器；基于定子端电压与转子角频率关系建立电压控制器；基于以实际 工况下转速与给定转速参考值做差，经过PI控制器得到VSG的机械转矩，得 到速度控制器；基于定子电流矢量经过电枢回路电阻对定子电阻上的压降进 行补偿得到电流前馈控制器。再由频率控制器、电压控制器、速度控制器及 电流前馈控制器形成背靠背调速系统。
步骤S200：获取背靠背调速系统VSG转速，将VSG转速作为速度反馈 构成无速度传感器闭环控制系统，以对同步电机进行调速。值得说明的是， 直接利用VSG转速作为速度反馈构成无速度传感器闭环控制系统，这种方法 无需增设额外的速度传感器，且可以消除速度响应延迟。
本发明通过建立频率控制器、电压控制器、速度控制器及电流前馈控制 器，形成背靠背调速系统；获取背靠背调速系统VSG转速，将VSG转速作 为速度反馈构成无速度传感器闭环控制系统，以对同步电机进行调速。由于 本发明技术方案中将VSG转速(即虚拟同步电机的转速)作为反馈速度，无 需采用速度传感器，避免了复杂的矢量观测，而且其不存在延时，解决现有 技术中VSG的同步电机调速响应延迟的技术问题，降低了速度调控的响应时 间。
本实施例中，用级联H桥变换器替代传统背靠背系统的原动机和同步发 电机，将级联H桥变换器与同步电动机进行电连接，同步电动机与负载之间 机械连接。
本实施例中，通过(1)式计算定子绕组与转子绕组互感磁链的最大值 Mfif：
Figure BDA0002982301160000061
(1)式中UN是同步电动机额定电压，ωN是转子额定角频率。
通过(2)式计算电磁转矩Te：
Te＝nMfif＜i,sinθ＞ (2)
(2)式中，n是VSG的极对数，<·,·>表示内积计算，θ是表征VSG 转子位置的电角度，sinθ是关于θ的矢量[sinθsin(θ-2π/3)sin(θ+2π/3]T,i＝[ia ib ic]T是定子电流矢量。
具体地，VSG控制器主要包括频率控制器和电压控制器两部分，基于同 步电机转子运动方程建立频率控制器，所述频率控制器包括：
Figure BDA0002982301160000071
其中，式中J是VSG虚拟惯量，ω是VSG的转子角频率，Dp是VSG的 阻尼系数，Td是阻尼转矩，Tm是机械转矩，Te是电磁转矩。
具体地，基于定子端电压与转子角频率关系建立电压控制器，所述电压 控制器包括：
Em＝ωMfif (4)
(4)式中Mfif是定子绕组与转子绕组互感磁链的最大值，ω是VSG的转子 角频率，Em定子端电压。
具体地，所述速度控制器包括：
Figure BDA0002982301160000072
(5)式中Tm是机械转矩，kp和ki是PI控制器的预设参数，ωref是实际工况下 的转速，ωs是给定参考转速，s为转差率。建立速度控制器，具体实现是以实 际工况下转速与给定转速参考值做差，经过PI控制器得到VSG的机械转矩。
优选地，建立电流前馈控制器，具体是定子电流矢量经过电枢回路电阻 Rs对定子电阻上的压降进行补偿，所述电流前馈控制器包括：
Figure BDA0002982301160000073
(6)式中
Figure BDA0002982301160000074
和
Figure BDA0002982301160000075
分别为VSG内电势的d轴和q轴分量，
Figure BDA0002982301160000076
和
Figure BDA0002982301160000077
分别为 VSG端电压的d轴和q轴分量，
Figure BDA0002982301160000078
和
Figure BDA0002982301160000079
分别为VSG定子电流的d轴和q轴 分量，Rs为VSG定子绕组的电阻。
本发明技术方案的优势在于通过控制成VSG的级联H桥变换器替代了原 动机和同步发电机，克服了传统背靠背方式需要额外的原动机和同步发电机 两台物理电机支持的不足，继承和发挥了传统背靠背方式的固有优点，同时 直接利用VSG转速作为速度反馈，无需设置额外的速度传感器，基本消除了 调速过程中的速度响应延迟，使得对同步电机速度的控制更加精准。
为实现上述目的，本发明还提出一种设备，所述设备包括：存储器、处 理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行基于VSG技术的同步电 机背靠背调速程序，所述基于VSG技术的同步电机背靠背调速程序被所述处 理器执行时实现如上所述的基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法的步 骤。
为实现上述目的，本发明还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有 基于VSG技术的同步电机背靠背调速程序，所述基于VSG技术的同步电机 背靠背调速程序被处理器执行时实现如上所述的基于VSG技术的同步电机背 靠背调速方法的步骤。
参照图5，为实现上述目的，本发明还提出一种基于VSG技术的同步电 机背靠背调速装置，所述火电机组一次调频系数优化装置包括：
系统建立模块100，用于建立频率控制器、电压控制器、速度控制器及电 流前馈控制器，形成背靠背调速系统。本实施例中，基于同步电机转子运动 方程建立频率控制器；基于定子端电压与转子角频率关系建立电压控制器； 基于以实际工况下转速与给定转速参考值做差，经过PI控制器得到VSG的机 械转矩，得到速度控制器；基于定子电流矢量经过电枢回路电阻对定子电阻 上的压降进行补偿得到电流前馈控制器。再由频率控制器、电压控制器、速 度控制器及电流前馈控制器形成背靠背调速系统。
系统控制模块200，用于获取背靠背调速系统VSG转速，将VSG转速作 为速度反馈构成无速度传感器闭环控制系统，以对同步电机进行调速。值得 说明的是，由于本发明技术方案中将VSG转速(即虚拟同步电机的转速)作 为反馈速度，无需采用用速度传感器，避免了复杂的矢量观测，而且其不存 在延时，解决现有技术中VSG的同步电机调速响应延迟的技术问题，降低了 速度调控的响应时间。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明 的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或 者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络 单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例 方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以 理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实 施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬 件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部 分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可 读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台 计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施 例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或 者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技 术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法，其特征在于，所述基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法包括：
建立频率控制器、电压控制器、速度控制器及电流前馈控制器，形成背靠背调速系统；
获取背靠背调速系统VSG转速，将VSG转速作为速度反馈构成无速度传感器闭环控制系统，以对同步电机进行调速。
2.如权利要求1所述的基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法，其特征在于，所述频率控制器包括：
Figure FDA0002982301150000011
其中，式中J是VSG虚拟惯量，ω是VSG的转子角频率，Dp是VSG的阻尼系数，Td是阻尼转矩，Tm是机械转矩，Te是电磁转矩。
3.如权利要求1所述的基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法，其特征在于，所述电压控制器包括：
Em＝ωMfif；
Mfif是定子绕组与转子绕组互感磁链的最大值，ω是VSG的转子角频率，Em定子端电压。
4.如权利要求3所述的基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法，其特征在于，通过如下公式计算Mfif：
Figure FDA0002982301150000012
其中，UN是同步电动机额定电压，ωN是转子额定角频率，Mfif是定子绕组与转子绕组互感磁链的最大值。
5.如权利要求1所述的基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法，其特征在于，所述速度控制器包括：
Figure FDA0002982301150000021
式中Tm是机械转矩，kp和ki是PI控制器的预设参数，ωref是给定参考转速，ωs是实际工况下的转速。
6.如权利要求1所述的基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法，其特征在于，所述电流前馈控制器包括：
Figure FDA0002982301150000022
Figure FDA0002982301150000023
和
Figure FDA0002982301150000024
分别为VSG内电势的d轴和q轴分量，
Figure FDA0002982301150000025
和
Figure FDA0002982301150000026
分别为VSG端电压的d轴和q轴分量，
Figure FDA0002982301150000027
和
Figure FDA0002982301150000028
分别为VSG定子电流的d轴和q轴分量，Rs为VSG定子绕组的电阻。
7.一种设备，其特征在于，所述设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行基于VSG技术的同步电机背靠背调速程序，所述基于VSG技术的同步电机背靠背调速程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法的步骤。
8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有基于VSG技术的同步电机背靠背调速程序，所述基于VSG技术的同步电机背靠背调速程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的基于VSG技术的同步电机背靠背调速方法的步骤。
9.一种基于VSG技术的同步电机背靠背调速装置，其特征在于，所述火电机组一次调频系数优化装置包括：
系统建立模块，用于建立频率控制器、电压控制器、速度控制器及电流前馈控制器，形成背靠背调速系统；
系统控制模块，用于获取背靠背调速系统VSG转速，将VSG转速作为速度反馈构成无速度传感器闭环控制系统，以对同步电机进行调速。
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