CN116111891A - 同步调相机调速方法、调速装置、电子设备、存储介质 - Google Patents

同步调相机调速方法、调速装置、电子设备、存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明属于电机控制领域，涉及一种同步调相机调速方法、调速装置、电子设备、存储介质。建立同步调相机电压预测模型，将第k时刻定子d、q轴电流参考值作为下一时刻的反馈量，根据采样得到的同步调相机定子三相电流、励磁电流、转子位置角度，坐标变换得到第k时刻d‑q两相同步旋转坐标系下定子电流值；根据离散化后的同步调相机电压预测模型来得到下一时刻期望电压矢量，结合空间矢量脉宽调制策略得到6路脉冲信号；通过对励磁电流回路进行无差拍预测电流控制直接得到给定励磁电流下的占空比，再采用PWM调制策略得到脉冲信号，并送入单相两电平变流器实现对励磁回路电流的控制。本发明调速方法可靠性高，降低并网时对电网冲击的风险。

Description

同步调相机调速方法、调速装置、电子设备、存储介质
技术领域
本发明属于电机控制领域，涉及同步调相机的调速技术，尤其是一种基于无差拍预测电流控制的同步调相机调速方法、装置、电子设备、存储介质。
背景技术
同步调相机也称同步补偿机，接在电网上专门用于无功功率调节。对改善电网功率因数、对电网经济运行起重要作用，是现代大电网中必不可少的主要电力设备之一。从作用原理来讲，它实际上是空载运行的电动机。当应用于电力系统时，能根据系统的需要，自动地在电网电压下降时增加无功输出。在电网电压上升时吸收无功功率，以维持电压，提高电力系统的稳定性，改善系统供电质量。同步电机运行于电动机状态，不带机械负载也不带原动机，只向电力系统提供或吸收无功功率，用于改善电网功率因数，维持电网电压水平。
变频调速是目前普遍应用的中小型同步调相机调速方式，静止变频系统的控制通常采用转速电流双闭环比例积分调节器，该控制算法下同步调相机达到额定转速后并网时对电网频率变化的动态响应较慢，致使调相机并网时不同频对电网造成冲击。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种原理简单、动态响应快、开关频率固定的同步调相机起动调速方法，将电机矢量控制系统中电流内环与电机转子励磁电流控制闭环使用无差拍预测电流控制器代替传统比例-积分控制器，从而有效地改善电流响应，提高系统的鲁棒性，并且避免了电流环复杂的参数整定。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
本发明的第一方面是提供了一种同步调相机调速方法，
同步调相机的起动和调速采用静止变频器，将转子磁链与d-q两相同步旋转坐标系d轴重合，采样第k时刻的同步调相机定子三相电流和转子位置角度，将定子三相电流从ABC三相静止坐标系转换到d-q两相同步旋转坐标系作为第k时刻的反馈量和；对转速和电流进行双闭环控制，转速环输出第k时刻定子q轴电流参考值；
电流环采用无差拍预测电流控制，通过推导同步调相机电压预测模型，将第k时刻定子电流d、q轴参考值作为下一时刻的反馈量，使定子电流实际值能够无差拍地跟踪定子电流参考值，将无差拍预测电流控制算法得到参考电压作为SVPWM空间矢量脉宽调制的输入，得到控制静止变频器中功率器件开关的6路脉冲信号；
对励磁系统进行无差拍预测电流控制直接得到给定励磁电流下的期望占空比，再采用PWM调制策略将得到的占空比作为驱动信号直接发送给励磁变频驱动器实现对励磁电流的闭环控制。
进一步地，方法具体步骤如下：
S1给定与电网同频的参考转速和对应电网电压幅值的励磁电流；
S2采样调相机实际转速n，将电机参考转速与实际转速的偏差值送入转速环比例-积分控制器，对转速进行闭环控制，经过比例积分控制算法得到第k时刻定子q轴电流参考值；另外，任意时刻定子d轴电流参考值为0；
S3采样第k时刻调相机定子三相电流ia(k)、ib(k)、ic(k)、励磁电流if(k)以及转子位置角度θr，利用Clark变换以及Park变换将定子三相电流由ABC三相静止坐标系变换到d-q两相同步旋转坐标系得到第k时刻d、q轴电流实际值id(k)、iq(k)
；
其中iα(k)、iβ(k)为第k时刻α-β两相静止坐标系下定子α、β轴电流。
S4建立同步调相机无差拍预测电流控制模型，同步调相机在理想条件下的d-q两相同步旋转坐标系下电压方程为：
其中ud为定子d轴电压，uq为定子q轴电压，id为定子d轴电流，iq为定子q轴电流，if为励磁电流，Rs为定子电阻，Rf为励磁绕组电阻，Ld为定子d轴电感，Lq为定子q轴电感，为励磁绕组磁链，uf为励磁绕组电压，为转子电角速度；
将电机电流作为状态变量，采用一阶欧拉法对电流状态方程离散化，得到同步调相机离散电流预测模型：
其中，id(k+1)为第k+1时刻定子d轴电流，iq(k+1)为第k+1时刻定子q轴电流，if(k)为第k时刻励磁电流，if(k+1)为第k+1时刻励磁电流，Ts为采样周期，ud(k)为第k时刻定子d轴电压，uq(k)为第k时刻定子q轴电压，uf(k)为第k时刻励磁电压；
S5将第k时刻定子q轴电流参考值、定子d轴电流参考值与励磁电流参考值作为第k+1时刻的反馈量，得到同步调相机无差拍预测电流控制器电压矢量预测模型：
其中，为第k+1时刻定子d轴电压预测值，为第k+1时刻定子q轴电压预测值，为第k+1时刻励磁电压预测值；
S6将、由d-q两相同步旋转坐标系变换到α-β两相静止坐标系，得到定子α轴电压参考值，β轴电压参考值，结合SVPWM空间矢量脉宽调制技术，得到驱动静止变频器中逆变电路功率器件开通关断的6路PWM脉冲信号，实现同步调相机的变频起动与调速；
S7根据励磁系统无差拍预测电流控制器得到的励磁电压预测值结合PWM调制策略生成驱动励磁系统变频器功率器件开通关断的2路PWM脉冲信号，将PWM脉冲信号送入单相两电平变流器来实现同步调相机励磁系统的无差拍预测控制。
S8调相机定子电流与转子励磁电流精确跟踪给定参考电流值，快速、准确达到与电网电压同频、同幅值、同相位，满足无冲击并网条件。
本发明的第二方面是提供了一种基于无差拍预测电流控制的同步调相机调速装置，包括：静止变频器模块，用于同步调相机的起动以及变频调速；
无差拍预测电流控制算法模块，用于结合同步调相机电压预测模型，预测下一时刻作用在控制系统上的期望电压，保证实际输出电流能无差拍快速跟踪参考电流；
励磁变频驱动器模块，用于调节同步调相机励磁电压来控制转子磁链。
本发明的第三方面是提供了一种电子设备，包括存储器和处理器；其中：
存储器：用于存储处理器可执行的指令；
处理器：所述处理器被配置执行：同步调相机的起动以及变频调速；结合同步调相机电压预测模型，预测下一时刻作用在控制系统上的期望电压，保证实际输出电流能无差拍快速跟踪参考电流；调节同步调相机励磁电压来控制转子磁链。
本发明的第四方面是提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序用于使计算机执行所述的同步调相机调速方法。
本发明的优点和积极效果是：
1.无差拍预测电流控制算法基于同步调相机数学模型计算得到期望最优电压矢量，再通过 SVPWM空间矢量脉宽调制策略生成PWM脉冲信号，可以获得更高的动态响应性能和更小的电流纹波。
2.与传统方法相比，省去了电流环复杂的PI参数整定环节，超调量较小。
3.本发明调速方法，可以对电网频率发生变化时，转速可以快速响应并跟踪，以保证并网前同步调相机与电网电压同频、同幅值、同相位，可靠性高，降低并网时对电网冲击的风险。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为基于无差拍预测电流控制的同步调相机调速方法框图；
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，以下实施只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于无差拍预测电流控制的同步调相机调速方法，步骤如下：
S1给定与电网同频的参考转速和对应电网电压幅值的励磁电流；
S2采样调相机实际转速n，将电机参考转速与实际转速的偏差值送入转速环比例-积分控制器（PI控制器），对转速进行闭环控制，经过比例积分控制算法得到第k时刻定子q轴电流参考值；另外，任意时刻定子d轴电流参考值为0；
S3采样第k时刻调相机定子三相电流ia(k)、ib(k)、ic(k)、励磁电流if(k)以及转子位置角度θr，利用Clark变换以及Park变换将定子三相电流由ABC三相静止坐标系变换到d-q两相同步旋转坐标系得到第k时刻d、q轴电流实际值id(k)、iq(k)
；
其中iα(k)、iβ(k)为第k时刻α-β两相静止坐标系下的α轴电流、β轴电流；
S4建立同步调相机无差拍预测电流控制模型，同步调相机在理想条件下的d-q坐标系下电压方程为：
其中ud为定子d轴电压，uq为定子q轴电压，id为定子d轴电流，iq为定子q轴电流，if为励磁电流，Rs为定子电阻，Rf为励磁绕组电阻，Ld为定子d轴电感，Lq为定子q轴电感，为励磁绕组磁链，uf为励磁绕组电压，为转子电角速度；
将电机电流作为状态变量，采用一阶欧拉法对电流状态方程离散化，得到同步调相机无差拍预测电流模型：
其中，id(k+1)为第k+1时刻定子d轴电流，iq(k+1)为第k+1时刻定子q轴电流，if(k)为第k时刻励磁电流，if(k+1)为第k+1时刻励磁电流，Ts为采样周期，ud(k)为第k时刻定子d轴电压，uq(k)为第k时刻定子q轴电压，uf(k)为第k时刻励磁电压，Lf为励磁绕组电感；
S5对电流进行闭环控制，将第k时刻采集得到的定子三相电流从ABC三相静止坐标系变换到d-q两相同步旋转坐标系作为第k已知电流量id(k)、iq(k)，将第k时刻q轴电流参考值、定子d轴电流参考值与励磁电流参考值作为第k+1时刻的反馈量，得到同步调相机无差拍预测电流控制器电压预测模型：
其中，为第k+1时刻定子d轴电压预测值，为第k+1时刻定子q轴电压预测值，为第k+1时刻励磁电压预测值；
S6将、由d-q两相同步旋转坐标系变换到α-β两相静止坐标系，得到定子α-β两相静止坐标系下α轴电压参考值，β轴电压参考值，作为SVPWM空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation)的参考电压输入值，得到 6路PWM脉冲信号送入静止变频器，实现同步调相机的变频起动与调速；
S7根据励磁系统无差拍预测电流控制器得到的励磁电压预测值结合PWM调制策略生成驱动励磁系统变频器功率器件开通关断的2路PWM脉冲信号，将PWM信号送入单相两电平变流器来实现同步调相机励磁系统的无差拍预测控制。
S8调相机定子电流与转子励磁电流精确跟踪给定参考电流值，快速、准确达到与电网电压同频、同幅值、同相位，满足无冲击并网条件后合闸并网。
通过以上可以得出结论，基于无差拍预测电流控制的同步调相机调速方法应用简单，电流可以快速响应并跟踪，以保证并网前同步调相机与电网电压同频、同幅值、同相位，可靠性高，同步调相机的电流的动态响应快，电流纹波小，降低并网时对电网冲击的风险。
此外，本发明提供了一种基于无差拍预测电流控制的同步调相机调速装置，包括：静止变频器模块，用于同步调相机的起动以及变频调速，其中Udc为静止变频器直流侧电压。
无差拍预测电流控制算法模块，用于结合同步调相机电压预测模型，预测下一时刻作用在控制系统上的期望电压，保证实际输出电流能无差拍快速跟踪参考电流；
励磁变频驱动器模块，用于调节同步调相机励磁电压来控制转子磁链，其中Uf_dc励磁变频器直流侧电压。
进一步地，本发明提供了一种电子设备，包括存储器和处理器；其中：
存储器：用于存储处理器可执行的指令；
处理器：所述处理器被配置执行：同步调相机的起动以及变频调速；结合同步调相机电压预测模型，预测下一时刻作用在控制系统上的期望电压，保证实际输出电流能无差拍快速跟踪参考电流；调节同步调相机励磁电压来控制转子磁链。
进一步地，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序用于使计算机执行所述的基于无差拍预测电流控制的同步调相机调速方法。
尽管为说明目的公开了本发明的实施方法和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种同步调相机调速方法，其特征在于：
同步调相机的起动和调速采用静止变频器，将转子磁链与d-q两相同步旋转坐标系d轴重合，采样第k时刻的同步调相机定子三相电流和转子位置角度，将定子三相电流从ABC三相静止坐标系转换到d-q两相同步旋转坐标系作为第k时刻的反馈量和；对转速和电流进行双闭环控制，转速环输出第k时刻定子q轴电流参考值；
电流环采用无差拍预测电流控制，通过推导同步调相机电压预测模型，将第k时刻定子电流d、q轴参考值作为下一时刻的反馈量，使定子电流实际值能够无差拍地跟踪定子电流参考值，将无差拍预测电流控制算法得到参考电压作为SVPWM空间矢量脉宽调制的输入，得到控制静止变频器中功率器件开关的6路脉冲信号；
对励磁系统进行无差拍预测电流控制直接得到给定励磁电流下的期望占空比，再采用PWM调制策略将得到的占空比作为驱动信号直接发送给励磁变频驱动器实现对励磁电流的闭环控制。
2.根据权利要求1所述的同步调相机调速方法，其特征在于，同步调相机起动和调速过程中转子励磁电压由励磁系统单独控制，建立转子励磁电压无差拍预测模型。
3.根据权利要求1所述的同步调相机调速方法，其特征在于，步骤如下：
S1给定与电网同频的参考转速和对应电网电压幅值的励磁电流；
S2采样调相机实际转速，将电机参考转速与实际转速的偏差值送入转速环比例-积分控制器，对转速进行闭环控制，经过比例积分控制算法得到第k时刻定子q轴电流参考值，另外，任意时刻定子d轴电流参考值为0；
S3采样第k时刻调相机定子三相电流ia(k)、ib(k)、ic(k)、励磁电流if(k)以及转子位置角度θr，利用Clark变换以及Park变换将定子三相电流由ABC三相静止坐标系变换到d-q两相同步旋转坐标系得到第k时刻d、q轴电流实际值id(k)、iq(k)
；
其中iα(k)、iβ(k)为第k时刻α-β两相静止坐标系下的α轴电流、β轴电流；
S4建立同步调相机无差拍预测电流控制模型，同步调相机在理想条件下的d-q坐标系下电压方程为：
；
其中ud为定子d轴电压，uq为定子q轴电压，id为定子d轴电流，iq为定子q轴电流，if为励磁电流，Rs为定子电阻，Rf为励磁绕组电阻，Ld为定子d轴电感，Lq为定子q轴电感，为励磁绕组磁链，uf为励磁绕组电压，为转子电角速度；
将电机电流作为状态变量，采用一阶欧拉法对电流状态方程离散化，得到同步调相机离散电流预测模型：
；
其中，id(k+1)为第k+1时刻定子d轴电流，iq(k+1)为第k+1时刻定子q轴电流，if(k)为第k时刻励磁电流，if(k+1)为第k+1时刻励磁电流，Ts为采样周期，ud(k)为第k时刻定子d轴电压，uq(k)为第k时刻定子q轴电压，uf(k)为第k时刻励磁电压，Lf为励磁绕组电感；
S5对电流进行闭环控制，将第k时刻采集得到的定子三相电流从ABC三相静止坐标系变换到d-q两相同步旋转坐标系作为第k已知电流量id(k)、iq(k)，将第k时刻q轴电流参考值、定子d轴电流参考值与励磁电流参考值作为第k+1时刻的反馈量，得到同步调相机无差拍预测电流控制器电压矢量预测模型：
；
其中，为第k+1时刻定子d轴电压预测值，为第k+1时刻定子q轴电压预测值，为第k+1时刻励磁电压预测值；
S6将、由d-q两相同步旋转坐标系变换到α-β两相静止坐标系，得到定子α-β两相静止坐标系下α轴电压参考值，β轴电压参考值，结合SVPWM空间矢量脉宽调制，得到驱动静止变频器中逆变电路功率器件开通关断的6路PWM脉冲信号，实现同步调相机的变频起动与调速；
S7根据励磁系统无差拍预测电流控制器得到的励磁电压预测值结合PWM调制策略生成驱动励磁系统变频器功率器件开通关断的2路脉冲信号，将PWM信号送入单相两电平变流器来实现同步调相机励磁系统的无差拍预测控制；
S8调相机定子电流与转子励磁电流精确跟踪给定参考电流值，快速、准确达到与电网电压同频、同幅值、同相位，满足无冲击并网条件。
4.一种同步调相机调速装置，其特征在于：包括：
静止变频器模块，用于同步调相机的起动以及变频调速；
无差拍预测电流控制算法模块，用于结合同步调相机电压预测模型，预测下一时刻作用在控制系统上的期望电压，保证实际输出电流能无差拍快速跟踪参考电流；
励磁变频驱动器模块，用于调节同步调相机励磁电压来控制转子磁链。
5.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器；其中：
存储器：用于存储处理器可执行的指令；
处理器：所述处理器被配置执行：同步调相机的起动以及变频调速；结合同步调相机电压预测模型，预测下一时刻作用在控制系统上的期望电压，保证实际输出电流能无差拍快速跟踪参考电流；调节同步调相机励磁电压来控制转子磁链。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序用于使计算机执行权利要求1-3的任一项所述的同步调相机调速方法。
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