CN114629397A - 一种双绕组感应电机发电系统负载自适应控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双绕组感应电机发电系统负载自适应控制方法，尤其涉及双绕组感应电机交流或交直流混合发电系统的控制方法，属于发电的技术领域。本发明基于自抗扰技术构建直流电压和交流电压的扩张状态观测器实现直流电压平方值和交流电压有效值观测以及直流负载扰动和交流负载扰动的估计，并通过构建直流电压和交流电压有效值的误差反馈控制律实现直流电压、交流电压的稳定控制和负载扰动的自适应补偿，提高了发电动态性能和负载适应性。本发明可用于飞机、舰船、风力发电等独立电源应用场合。
Description
技术领域
本发明公开了一种双绕组感应电机发电系统负载自适应控制方法，尤其涉及 多电飞机供电的双绕组异步电机直流起动发电系统的控制方法，属于直流发电的 技术领域。
背景技术
变频交流电源系统和交直流混合电源系统是目前多电/全电飞机电源系统的 发展趋势。如目前的B787飞机，以变频交流为主，并同时设有直流母线，以满 足飞机中不同用电负载的需要。但随着飞机的多电化，多电飞机的用电量越来大， 负载类型越来越多，对发电系统的负载适应性要求也越来越高。
双绕组感应电机是本世纪初出现的一种新型感应发电机，它继承了传统单绕 组感应发电机的笼型转子无刷化、简单坚固等优点，克服了其变换器容量大、励 磁不易调节等不足，以独特结构和诸多优点受到了广泛关注。近二十年来，美国 田纳西理工大学、丹麦奥尔堡大学、印度理工学院以及国内的海军工程大学、青 岛大学、南京航空航天大学、重庆大学等国内外多个单位已针对舰船电源、航空 电源、风力发电等不同领域对双绕组感应电机开展了多项研究。双绕组感应电机 的最大特点是：它的定子上有两套绕组，其中一套绕组为功率绕组，用来向负载 供电；另一套绕组为控制绕组，用来调节发电机励磁。这两套绕组的极对数相同， 在电气上没有连接，仅通过磁场耦合，且功能分开，设计灵活，易于实现高性能 控制和输出高品质电能。
无论是变频交流发电还是交直流混合发电，相关技术标准均对直流电压和交 流电压的动态性能做出了明确规定。但发电电压会根据负载的种类、性质和大小 的不同产生不同的瞬态变化，影响动态性能。从现有的研究来看，目前应用的双 绕组感应电机发电技术没有考虑负载种类、性质和大小对发电电压动态性能的影 响，造成发电电压的负载适应性不高的问题。针对这一问题，国内还没有涉及针 对双绕组感应电机发电系统的负载适应性研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种双绕组 感应电机发电系统的负载自适应控制方法，解决了目前双绕组感应电机发电系统 在带不同种类、性质和大小负载时动态性能不高、负载适应性不强的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
步骤1.利用电流传感器测量双绕组感应电机单元直流侧绕组的电流值，坐标 变换后得到静止坐标系下直流侧绕组的α、β轴电流icα、icβ和同步旋转坐标系下的 d、q轴电流icd、icq；
步骤2.利用交流电压传感器测量双绕组感应电机单元交流侧绕组的电压值， 坐标变换后得到静止坐标系下交流侧绕组的α、β轴电压upα、upβ，并算得交流电 压有效值Up，根据步骤1得到的直流侧绕组的α、β轴电流icα、icβ，利用公式(1) 对电机的α、β轴转子磁链ψrα、ψrβ和转子磁链幅值ψr进行估算：
其中，Kpc为双绕组感应电机单元交流侧绕组与直流侧绕组的有效匝数比，Lr为 转子电感，Lm为激磁电感，Lc为直流侧绕组电感，σc为漏磁系数；
步骤3.根据步骤2得到的交流电压有效值Up和步骤1得到的直流侧绕组在 同步旋转坐标系下的d轴电流icd，利用公式(2)构建交流电压有效值的扩张状 态观测器，对交流电压有效值的估计值
和交流电压负载扰动的估计值
进 行观测：
其中，β1、β2为交流电压有效值扩张状态观测器参数；ω为双绕组感应电机单元 的同步角频率，Tr为转子时间常数；
步骤4.根据步骤3得到交流电压有效值的估计值
和交流电压负载扰动的 估计值
利用公式(3)构建交流电压有效值的误差反馈控制律，得到直流 侧绕组在同步旋转坐标系下的d轴电流给定值
其中，k1为交流电压误差反馈控制器比例系数，
为交流电压有效值给定值；
步骤5.利用直流电压传感器测量值算得直流电压平方值，根据步骤1中得到 的直流侧绕组在同步旋转坐标系下的q轴电流icq，利用公式(2)构建直流电压 平方值的扩张状态观测器，对直流电压平方的估计值
和直流电压负载扰动的 估计值
进行观测：
其中，β3、β4为直流电压平方值扩张状态观测器参数；C为发电驱动单元中的直 流母线电容容值；np为双绕组感应电机单元的极对数；ψr为根据步骤1得到的 转子磁链幅值；ωr为双绕组感应电机单元的转子角频率；
步骤6.根据步骤5得到直流电压平方的估计值
和直流电压负载扰动的估 计值
利用公式(5)构建直流母线电压平方的误差反馈控制律，得到直流 侧绕组在同步旋转坐标系下的q轴电流给定值
其中，k1为直流电压误差反馈控制器比例系数，
为直流电压平方给定值；
步骤7.根据步骤4和步骤6得到的直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d、q 轴电流给定值
根据步骤1得到的直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d、 q轴电流icd、icq，利用公式(6)对直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d、q轴电 流进行闭环误差反馈调节，得到直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d、q电压给 定值
其中，k3为电流闭环比例积分控制器的比例系数，k4为电流闭环比例积分控制器的积分系数；
步骤8.根据步骤7得到的直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d、q电压给定 值
经过坐标反变换得到直流侧绕组在静止坐标系下的α、β轴电压给定 值
采用空间矢量调制驱动发电驱动单元中逆变器开关管，控制双绕组 感应电机输出电压稳定及在不同负载扰动下直流电压和交流电压有效值的快速 恢复。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
1.本方法无需负载电流检测环节，节省了电流传感器成本；
2.本方法通过扩张状态观测器对直流电压和交流电压及负载扰动进行观 测，并通过扰动大小和观测值构建误差反馈控制律，具有控制器参数调 节方便、结构简单的特点；
3.本方法可根据负载的实际大小自动观测扰动，实现负载的自动观 测和直流电压、交流电压的自适应控制。
附图说明
图1为本发明基于双绕组感应电机发电系统示意图；
图2为本发明负载自适应发电控制方法总体结构示意图；
图3为本发明直流电压自抗扰(ADRC)控制器结构示意图；
图4为本发明交流电压自抗扰(ADRC)控制器结构示意图。
图中标号说明：1、双绕组感应电机，2、具有输出励磁无功功率和有功功率 的发电驱动单元，3、三相滤波电感器，4、三相励磁电容器，5、直流电网，6、 交流电网，7、交流电流传感器，8、直流电压传感器，9、交流电压传感器，10、 驱动电路，11、控制电路，12、直流母线电容。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：本发明可以以许多不同的形 式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本 公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
本发明公开了一种双绕组感应电机发电系统负载自适应控制方法，图1为双 绕组电机发电系统，包括双绕组感应电机单元1、具有输出励磁无功功率和有功 功率的发电驱动单元2、三相滤波电感器3、三相励磁电容器4、直流电网5、交 流电网6、交流电流传感器7、直流电压传感器8、交流电压传感器9、驱动电路 10、控制电路11、直流母线电容12。双绕组感应电机单元1的直流侧绕组经三 相滤波电感器3与发电驱动单元2的交流输出侧连接，发电驱动单元2的直流侧 并联有直流母线电容12，并汇入直流电网5，双绕组感应电机单元1的交流侧绕 组为三相四线制，并联有三相励磁电容器4，并汇入交流电网6。
图2为负载自适应发电控制方法总体结构示意图，包括以下步骤：
步骤1.利用电流传感器测量双绕组感应电机单元直流侧绕组的电流值，坐标 变换后得到静止坐标系下直流侧绕组的α、β轴电流icα、icβ和同步旋转坐标系下的 d、q轴电流icd、icq；
步骤2.利用交流电压传感器测量双绕组感应电机单元交流侧绕组的电压值， 坐标变换后得到静止坐标系下交流侧绕组的α、β轴电压upα、upβ，并算得交流电 压有效值Up，根据步骤1得到的直流侧绕组的α、β轴电流icα、icβ，利用公式(1) 对电机的α、β轴转子磁链ψrα、ψrβ和转子磁链幅值ψr进行估算：
其中，Kpc为双绕组感应电机单元交流侧绕组与直流侧绕组的有效匝数比，Lr为 转子电感，Lm为激磁电感，Lc为直流侧绕组电感，σc为漏磁系数；
步骤3.根据步骤2得到的交流电压有效值Up和步骤1得到的直流侧绕组在 同步旋转坐标系下的d轴电流icd，构建交流电压自抗扰(ADRC)控制器，控制 器内核如图3所示，其中，利用公式(2)构建交流电压有效值的扩张状态观测 器，对交流电压有效值的估计值
和交流电压负载扰动的估计值
进行观测：
其中，β1、β2为交流电压有效值扩张状态观测器参数；ω为双绕组感应电机单元 的同步角频率，Tr为转子时间常数；根据步骤3得到交流电压有效值的估计值
和交流电压负载扰动的估计值
利用公式(3)构建交流电压有效值的误差 反馈控制律，得到直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d轴电流给定值
其中，k1为交流电压误差反馈控制器比例系数，
为交流电压有效值给定值；
步骤4.利用直流电压传感器测量值算得直流电压平方值，根据步骤1中得到 的直流侧绕组在同步旋转坐标系下的q轴电流icq，构建直流母线电压自抗扰 (ADRC)控制器，控制器内核如图4所示，其中，利用公式(2)构建直流电 压平方值的扩张状态观测器，对直流电压平方的估计值
和直流电压负载扰动 的估计值
进行观测：
其中，β3、β4为直流电压平方值扩张状态观测器参数；C为发电驱动单元中的直 流母线电容容值；np为双绕组感应电机单元的极对数；ψr为根据步骤1得到的 转子磁链幅值；ωr为双绕组感应电机单元的转子角频率；根据步骤5得到直流 电压平方的估计值
和直流电压负载扰动的估计值
利用公式(5)构建直 流母线电压平方的误差反馈控制律，得到直流侧绕组在同步旋转坐标系下的q 轴电流给定值
其中，k1为直流电压误差反馈控制器比例系数，
为直流电压平方给定值；
步骤5.根据步骤3和步骤4得到的直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d、q 轴电流给定值
根据步骤1得到的直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d、 q轴电流icd、icq，利用公式(6)对直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d、q轴电 流进行闭环误差反馈调节，得到直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d、q电压给 定值
其中，k3为电流闭环比例积分控制器的比例系数，k4为电流闭环比例积分控制器的积分系数。
步骤6.根据步骤5得到的直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d、q电压给定 值
经过坐标反变换得到直流侧绕组在静止坐标系下的α、β轴电压给定 值
采用空间矢量调制驱动发电驱动单元中逆变器开关管，控制双绕组 感应电机输出电压稳定及在不同负载扰动下直流电压和交流电压有效值的快速 恢复。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包 括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相 同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有 与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理 想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进 一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不 用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、 改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种双绕组感应电机发电系统负载自适应控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.利用电流传感器测量双绕组感应电机单元直流侧绕组的电流值，坐标变换后得到静止坐标系下直流侧绕组的α、β轴电流icα、icβ和同步旋转坐标系下的d、q轴电流icd、icq；
步骤2.利用交流电压传感器测量双绕组感应电机单元交流侧绕组的电压值，坐标变换后得到静止坐标系下交流侧绕组的α、β轴电压upα、upβ，并算得交流电压有效值Up，根据步骤1得到的直流侧绕组的α、β轴电流icα、icβ，利用公式(1)对电机的α、β轴转子磁链ψrα、ψrβ和转子磁链幅值ψr进行估算：
其中，Kpc为双绕组感应电机单元交流侧绕组与直流侧绕组的有效匝数比，Lr为转子电感，Lm为激磁电感，Lc为直流侧绕组电感，σc为漏磁系数；
步骤3.根据步骤2得到的交流电压有效值Up和步骤1得到的直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d轴电流icd，利用公式(2)构建交流电压有效值的扩张状态观测器，对交流电压有效值的估计值
和交流电压负载扰动的估计值
进行观测：
其中，β1、β2为交流电压有效值扩张状态观测器参数；ω为双绕组感应电机单元的同步角频率，Tr为转子时间常数；
步骤4.根据步骤3得到交流电压有效值的估计值
和交流电压负载扰动的估计值
利用公式(3)构建交流电压有效值的误差反馈控制律，得到直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d轴电流给定值
其中，k1为交流电压误差反馈控制器比例系数，
为交流电压有效值给定值；
步骤5.利用直流电压传感器测量值算得直流电压平方值，根据步骤1中得到的直流侧绕组在同步旋转坐标系下的q轴电流icq，利用公式(2)构建直流电压平方值的扩张状态观测器，对直流电压平方的估计值
和直流电压负载扰动的估计值
进行观测：
其中，β3、β4为直流电压平方值扩张状态观测器参数；C为发电驱动单元中的直流母线电容容值；np为双绕组感应电机单元的极对数；ψr为根据步骤1得到的转子磁链幅值；ωr为双绕组感应电机单元的转子角频率；
步骤6.根据步骤5得到直流电压平方的估计值
和直流电压负载扰动的估计值
利用公式(5)构建直流母线电压平方的误差反馈控制律，得到直流侧绕组在同步旋转坐标系下的q轴电流给定值
其中，k1为直流电压误差反馈控制器比例系数，
为直流电压平方给定值；
步骤7.根据步骤4和步骤6得到的直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d、q轴电流给定值
根据步骤1得到的直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d、q轴电流icd、icq，利用公式(6)对直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d、q轴电流进行闭环误差反馈调节，得到直流侧绕组在同步旋转坐标系下的d、q电压给定值
其中，k3为电流闭环比例积分控制器的比例系数，k4为电流闭环比例积分控制器的积分系数；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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