CN202696533U - 一种变速永磁交流发电机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变速永磁交流发电机系统，包括永磁交流发电机、接入永磁交流发电机交流输出端的PWM整流器、与所述的PWM整流器相连的直流滤波装置以及控制所述的PWM整流器的功率开关管导通或关断的控制器；所述的控制器可优选包括转子位置与转速检测模块、直流电压检测模块和直流电流检测模块、交流电压检测模块和交流电流检测模块、坐标变换模块、第一调节器、第二调节器、电流限幅模块及PWM发生模块。本实用新型在发电机转速变化时维持直流和交流输出端双端口稳压，且成本低、可靠性高。

Description

一种变速永磁交流发电机系统

技术领域

本实用新型涉及电机领域，特别涉及一种变速永磁交流发电机系统。

背景技术

永磁交流发电机输出交流电压，经PWM整流器进行交流/直流(亦称ac/dc)变换和经直流滤波装置滤波后，可以获得可控的直流电压，为直流负载供电。永磁交流发电机系统的结构一般包括永磁交流发电机、PWM整流器、直流滤波装置以及控制系统。

永磁交流发电机采用永磁体励磁，其缺点在于励磁不可调节。原动机带动永磁交流发电机的转子旋转，在恒定励磁磁场作用下，永磁交流发电机(以下简称为发电机)产生的旋转电势(亦称发电机电势或反电势)大小正比于发电机转子的转速。发电机输出的交流电经PWM整流器进行功率变换，再经直流滤波装置进行滤波，之后的直流输出端的直流电压是可控、稳定的。发电机的输出端称为交流输出端，直流滤波装置的输出端称为直流输出端。

直流滤波装置的直流输出端的直流电压(以下简称为直流输出端电压或直流电压)的控制系统的常见结构如下：

所述的发电机、PWM整流器及直流滤波装置通过一个控制器形成闭环控制回路。所述的控制器主要包括直流电压检测模块、调节器以及PWM发生模块；所述的直流电压检测模块接入所述的直流输出端，检测直流电压；所述的调节器包括：用于计算所述发电机的交流输出端的交轴电流给定值I_q ^*的运算器(运算器根据直流输出端电压以及检测到的发电机转子的转速信号并根据预设的直流电压标准值运算出所述的给定值I_q ^*)，以及用于对所述的交轴电流给定值I_q ^*进行微调的补偿器(补偿器是对永磁交流发电机系统的参数变化、数学模型的不精确性，以及发电机转子的转速变化等各种扰动因素进行补偿)；一般情况下，在实际的实施过程中，所述的调节器利用闭环控制方法，直接根据直流输出端电压和预设的直流电压标准值之间的差值来计算交轴电流给定值I_q ^*，使得直流输出端电压与预设的直流电压标准值一致，这是一种比使用独立的所述运算器和补偿器具有更好的稳压效果的更简便的实现方法；所述的调节器还根据发电机的凸极率设定发电机的交流输出端的直轴电流给定值I_d ^*，设定的标准是使发电机的功率、电磁转矩或者功率因素最大化；所述的PWM发生模块用于根据比较发电机交流输出端的交轴电流I_q及其给定值I_q ^*以及比较发电机交流输出端的直轴电流I_d及其给定值I_d ^*，并根据发电机转子的位置和发电机转子的转速产生控制所述PWM整流器的功率开关管导通或关断的PWM触发脉冲；此外，所述的调节器与PWM发生模块之间还设有电流限幅模块，该电流限幅模块用于限制交轴电流给定值I_q ^*和直轴电流给定值I_d ^*的相量和的幅值

输出的限幅后的交轴电流给定值I_q ^*和限幅后的直轴电流给定值I_d ^*，使得二者的相量和的幅值

不超过发电机的交流电流额定值I_额定。

在大多数发电场合，要求所述的直流输出端电压稳定，但并不关心发电机交流输出端的交流电压(以下简称为交流输出端电压或交流电压)是否稳定。在发电机转子的转速变化明显的场合(如风力发电)，由于发电机的旋转电势也随着转速而变化明显，导致发电机交流输出端电压变化明显。当发电机工作在正常转速范围的最低速时，其旋转电势已经足够高，可以使得PWM整流器正常工作，那么当发电机工作在正常转速范围的最高速时，其旋转电势明显变大。发电机正常工作的转速范围越宽(即最高速与最低速的比值k_s越大)，则发电机的旋转电势以及交流输出端电压变化越显著(最高速时的旋转电势与最低速时的旋转电势的比值也是k_s)。而PWM整流器的器件的耐压等级必须按发电机最高速时的交流输出端电压来选取，因此，在发电机工作在宽转速范围的条件下必须选取很高的耐压等级，由此大大提高了器件的成本，并降低系统可靠性。同时，发电机的交流输出端电压越大，对发电机的绝缘等级要求也越高，由此大大提高了发电机的成本，甚至降低发电机的绝缘寿命。

如果控制发电机的交流输出端的直轴电流I_d，使得发电机工作在高速区时直轴电流I_d具有弱磁功能，则可以使发电机的交流输出端电压稳定，而不再随发电机转速上升而增大，这样就可以解决前述问题。因此，直轴电流的设定标准是使发电机的交流输出端稳压，这正是本实用新型有别于常见永磁交流发电机系统的特征之一。

在电源电压有限的前提下，通过具有弱磁性质的直轴电流I_d来扩展永磁交流电动机的转速范围，增大最高转速，这是一种很常见的控制方法。而本实用新型是针对永磁交流发电机的，是在高速运行时对发电机的交流输出端施以具有弱磁性质的直轴电流I_d，使得发电机的交流输出端电压维持稳定。

名为“永磁磁阻发电机的电压控制”的文献(《电工电能新技术》，2006年第4期，pp.63-66；吴义勇等著)针对基于二极管不控整流器的变速永磁交流发电机系统提出了用一个独立的直轴电流发生装置与所述的整流器并联，由此来稳定永磁交流发电机系统的交流输出端电压。

本实用新型使用PWM整流器对永磁交流发电机的交流输出端电压进行整流并施以合适的交轴电流I_q，由此来稳定直流输出端电压，同时对永磁交流发电机的交流输出端施以合适的直轴电流I_d，由此来稳定发电机的交流输出端电压，实现双端口稳压。

实用新型内容

本实用新型提供了一种变速永磁交流发电机系统，在现有发电机系统的直流输出端电压稳定的前提下，当发电机转速显著变化时能够克服交流输出端电压亦显著变化的问题，实现永磁交流发电机系统的双端口(即所述的交流输出端和直流输出端)稳压。

一种变速永磁交流发电机系统(以下简称发电机系统)，包括永磁交流发电机(本文为简便起见，以下简称所述的永磁交流发电机为发电机)、接入永磁交流发电机交流输出端的PWM整流器以及与所述的PWM整流器相连的直流滤波装置；还包括用于控制所述的PWM整流器的功率开关管导通或关断的控制器，所述的控制器分别接入所述的永磁交流发电机、永磁交流发电机交流输出端以及直流滤波装置直流输出端。

下面介绍本实用新型的优选技术方案。

作为优选，所述的控制器包括用于获得所述发电机转子的位置θ和所述发电机转子的转速ω_r的转子位置与转速检测模块、接入所述发电机交流输出端的交流电压检测模块和交流电流检测模块以及接入所述的直流滤波装置直流输出端的直流电压检测模块和直流电流检测模块。

所述的转子位置与转速检测模块可以采用光电编码器或旋转变压器或磁性编码器等位置传感器检测发电机转子的位置θ，再通过对位置信号θ进行微分或差分运算获得发电机转子的转速ω_r。所述的转子位置与转速检测模块也可以直接用无传感器控制算法观测所述发电机转子的位置θ和所述发电机转子的转速ω_r。

为了获取直流滤波装置的直流输出端的直流电压U_dc和直流电流I_dc以及发电机交流输出端的交流电压U_ac和交流电流，作为优选，所述的控制器包括接入所述发电机交流输出端的交流电压检测模块和交流电流检测模块以及接入所述的直流滤波装置直流输出端的直流电压检测模块和直流电流检测模块。具体地，所述的接入直流滤波装置直流输出端的直流电压检测模块和直流电流检测模块可以分别使用霍尔效应电压传感器或其他原理的电压传感器和霍尔效应电流传感器或其他原来的电流传感器检测直流输出端的直流电压U_dc和直流电流I_dc；所述的直流电压检测模块和直流电流检测模块也可以分别使用采样电阻检测直流输出端的直流电压U_dc和直流电流I_dc；同样地，所述的接入发电机交流输出端的交流电压检测模块和交流电流检测模块也可以分别使用霍尔效应电压传感器或其他原理的电压传感器和霍尔效应电流传感器或其他原理的电流传感器检测交流输出端的交流电压U_ac和交流电流；所述的交流检测模块和交流电流检测模块也可以分别使用采样电阻检测交流输出端的交流电压U_ac和交流电流。

更为优选地，所述的控制器包括用于根据所述发电机转子的位置θ将上述交流电流检测模块输出的交流电流进行坐标变换以将其转换为交轴电流I_q以及直轴电流I_d的坐标变换模块、产生交轴电流给定值I_q ^*和直轴电流给定值I_d ^*的调节器组、将交流电流给定值I_q ^*和直轴电流给定值I_d ^*进行限幅控制的电流限幅模块以及向所述的PWM整流器发出PWM触发脉冲的PWM发生模块。更进一步地，所述的PWM发生模块与转子位置与转速检测模块的输出端以及坐标变换模块的输出端相接，且通过电流限幅模块接入调节器组的输出端。

以上结构基于的技术原理如下：

所述的坐标变换模块：

根据电机学中的坐标变换理论将所述发电机交流输出端的交流电流经坐标变换得到直轴电流I_d和交轴电流I_q。

所述的电流限幅模块内部实现以下步骤：

步骤一，判断接收到的所述交轴电流给定值I_q ^*以及所述直轴电流给定值I_d ^*的相量和的幅值是否超过发电机的交流电流额定值I_额定；若未超过，则将接收的交轴电流给定值I_q ^*以及直轴电流给定值I_d ^*直接作为限幅后的交轴电流给定值I_q ^*’以及限幅后的直轴电流给定值I_d ^*’；若超过，则执行步骤二；

步骤二，判断当前的发电机转子转速ω_r是否大于预设的发电机转子转速标准值ω_r ^*：

若是，则输出限幅后的交轴电流给定值I_q ^*’以及限幅后的直轴电流给定值I_d ^*’分别满足：

I_d ^*′＝I_d ^*；

①

若否，则输出限幅后的交轴电流给定值I_q ^*’以及限幅后的直轴电流给定值I_d ^*’分别满足：

I_q ^*′＝I_q ^*；

②

式①和②中sgn()是符号函数；

在上述过程中，直轴电流给定值I_d ^*和交轴电流给定值I_q ^*经电流限幅模块调整得到限幅后的直轴电流给定值I_d ^*’和限幅后的交轴电流给定值I_q ^*’，确保限幅后的直轴电流给定值I_d ^*’和限幅后的交轴电流给定值I_q ^*’的相量和的幅值

不大于所述发电机的交流电流额定值I_额定。

所述的PWM发生模块：

用于比较所述的交轴电流I_q与其限幅后的给定值I_q ^*’以及所述的直轴电流I_d与其限幅后的给定值I_d ^*’，并根据所述发电机转子的位置θ和所述发电机转子的转速ω_r产生控制所述PWM整流器的功率开关管导通或关断的PWM触发脉冲；

所述的PWM发生模块根据输入的直轴电流I_d、交轴电流I_q、直轴电流标准值I_d ^*’、交轴电流标准值I_q ^*’，并根据所述发电机转子的位置θ和所述发电机转子的转速ω_r，可以采用电机控制理论中的空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，简称SVPWM)或正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，简称SPWM)或直接转矩控制(DirectTorque Control，简称DTC)等技术，产生PWM触发脉冲；这些PWM触发脉冲用于控制PWM整流器各个功率开关管的导通或关断，使得所述发电机交流输出端的直轴电流I_d与其给定值I_d ^*’、交轴电流I_q与其给定值I_q ^*’分别一致。

进一步地，所述的调节器组包括用于接收所述直流滤波装置直流输出端的直流电压U_dc和直流电流I_dc并根据预设的直流电压标准值U_dc ^*产生并输出所述发电机交流输出端的交轴电流给定值I_q ^*的第一调节器以及用于接收上述第一调节器输出的交轴电流给定值I_q ^*和所述发电机转子的转速_r以及所述发电机交流输出端的交流电压U_ac，并根据预设的交流电压标准值U_ac ^*产生并输出所述发电机交流输出端的直轴电流给定值I_d ^*的第二调节器。

在上述优选方案中，所述的第一调节器的功能是计算所述发电机交流输出端的交轴电流给定值I_q ^*；第一调节器可以采用PI或PID等经典控制技术或者模糊逻辑或滑模控制或神经网络等现代控制技术进行闭环控制，通过比较所述发电机系统直流输出端电压U_dc和其标准值U_dc ^*的差别，当直流输出端电压U_dc小于其标准值U_dc ^*时增大输出的交轴电流标准值I_q ^*，当直流输出端电压U_dc大于其标准值U_dc ^*时减小输出的交轴电流标准值I_q ^*，直至直流输出端电压U_dc和其标准值U_dc ^*一致，从而实现所述发电机系统的直流输出端稳压；其中，直流负载(由直流电流I_dc体现)的变化、发电机系统参数的变化以及数学模型的不精确性等都是此闭环控制系统的扰动量，可通过闭环控制来消除影响；

所述的第二调节器的功能是计算所述发电机交流输出端的直轴电流给定值I_d ^*；第二调节器可以采用PI或PID等经典控制技术或者模糊逻辑或滑模控制或神经网络等现代控制技术进行闭环控制，通过比较所述发电机交流输出端电压U_ac和其标准值U_ac ^*的差别，当交流输出端电压U_ac小于其标准值U_ac ^*时减小输出的直轴电流标准值I_d ^*(即降低直轴电流的弱磁性质，提高其增磁性质)，当交流输出端电压U_ac大于其标准值U_ac ^*时增大输出的直轴电流标准值I_d ^*(即提高直轴电流的弱磁性质，降低其增磁性质)，直至交流输出端电压U_ac和其标准值U_ac ^*一致，从而实现所述发电机系统的交流输出端稳压；其中，所述的交轴电流给定值I_q ^*、所述发电机转子的转速ω_r、发电机系统参数的变化以及数学模型的不精确性等都是此闭环控制系统的扰动量，可通过闭环控制来消除影响。

优选地，所述的电流限幅模块用于接收所述调节器组输出的所述发电机交流输出端的交轴电流给定值I_q ^*和直轴电流给定值I_d ^*，以及接收转子位置与转速检测模块输出的所述的发电机转子的转速ω_r和发电机转子转速标准值ω_r ^*，输出限幅后的交轴电流给定值I_q ^*’和限幅后的直轴电流给定值I_d ^*’。

现有技术的发电机系统中，PWM整流器将发电机输出的交流电变换为可控的直流电，经直流滤波装置滤波，向负载供电。在发电机的运转速度发生变化时，本实用新型的发电机系统不仅负载端(即直流输出端)的直流电压U_dc是可控且稳定的，而且发电机输出端(即交流输出端)的交流电压U_ac也是可控、稳定的，即实现了双端口稳压。区别于传统永磁交流发电机的交流输出端电压不作控制的运行方式，本实用新型利用定子电流矢量控制策略来调节气隙磁场，实现永磁交流发电机随转速变化而增磁/弱磁复合控制，从而实现上述效果。本实用新型的发电机系统通过控制将实际的直流输出端电压U_dc和交流输出端电压U_ac分别稳定在预设的直流电压标准值U_dc ^*和预设的交流电压标准值U_ac ^*。预设的直流电压标准值U_dc ^*可以是变化的(即发电机系统提供可调直流电源)，也可以是恒定的(即发电机系统提供固定直流电源)。预设的交流电压标准值U_ac ^*是指满足PWM整流器功率器件的耐压要求和发电机绝缘材料的耐压要求而能确保PWM整流器功率器件及发电机绝缘材料长期安全工作的最高交流输出端电压，亦即所述发电机系统的最大安全交流电压，与PWM整流器功率器件的耐压值和发电机的绝缘等级相关。本实用新型的变速永磁交流发电机系统的实现原理如下：

在发电机转子转速的变化范围内，确定一个临界转速(也就是预设的发电机转子转速标准值ω_r ^*)，该临界转速的确定原则是：在发电机交流输出端的直轴(亦称d轴)电流I_d＝0的条件下，当发电机的旋转电势(亦称发电机电势或反电势)的大小等于预设的交流电压标准值U_ac ^*时的发电机转子的转速就是该临界转速ω_r ^*。当发电机转子的实际转速ω_r低于临界转速ω_r ^*时，PWM整流器为发电机交流输出端提供增磁性质的合适大小的直轴电流I_d(在电机学中按发电机原则规定磁链、电流以及电压的正方向时增磁性质的直轴电流为I_d＜0)，使得发电机的交流输出端电压U_ac稳定在预设的标准值U_ac ^*附近；当发电机转子的实际转速ω_r高于临界转速ω_r ^*时，PWM整流器为发电机交流输出端提供弱磁性质的合适大小的直轴电流I_d(即在前述正方向规定下直轴电流为I_d＞0)，使得发电机的交流输出端电压U_ac仍然稳定在预设的交流电压标准值U_ac ^*附近；当发电机转子的实际转速ω_r等于临界转速ω_r ^*时，PWM整流器不为发电机交流输出端提供增磁或弱磁性质的直轴电流(即直轴电流I_d＝0)，使得发电机的交流输出端电压U_ac仍然稳定在预设的交流电压标准值U_ac ^*附近。于是可以实现在发电机的整个转速变化范围内，PWM整流器始终为发电机交流输出端提供合适的直轴电流I_d，使得发电机系统的交流输出端电压U_ac稳定在预设的标准值U_ac ^*；同时，PWM整流器始终为发电机交流输出端提供合适大小的交轴电流I_q，使得发电机系统直流输出端的直流电压U_dc稳定在预设的标准值U_dc ^*。由此可以在整个转速变化范围内实现双端口(即所述的交流输出端和直流输出端)稳压。发电机交流输出端的直轴电流I_d和交轴电流I_q的大小分别是由调节器根据交流电压U_ac及其标准值U_ac ^*之间的差值以及直流电压U_dc及其标准值U_dc ^*之间的差值经闭环控制确定的。但是，直轴电流I_d和交轴电流I_q必须满足限幅条件，即二者的相量和的幅值

不能超过发电机的交流电流额定值I_额定；若未超过，则不需对二者实施限幅，若超过，则须对二者分别实施限幅，实施原则是：在发电机转子的转速ω_r高于临界转速ω_r ^*时以确保直轴电流I_d的大小为准(即仅对交轴电流I_q限幅)，这样可以确保交流电压U_ac不超过其标准值U_ac ^*，避免发生发电机与PWM整流器的过电压故障，而直流电压U_dc可以因交轴电流I_q被限幅而低于直流电压标准值U_dc ^*；反之，在发电机转子的转速ω_r低于临界转速ω_r ^*时以确保交轴电流I_q的大小为准(即仅对直轴电流I_d限幅)，也就是确保直流电压U_dc稳定在其标准值U_dc ^*，而交流电压U_ac可以因直轴电流I_d被限幅而低于交流电压标准值U_ac ^*，这对发电机与PWM整流器的耐压情况都是安全的。

本实用新型将增磁/弱磁复合控制方法应用到变速运行的永磁交流发电机系统中，使发电机转速变化时仍能够维持双端口电压稳定，特别是能够得到较为稳定的发电机交流输出端电压，降低发电机系统对PWM整流器功率器件的耐压等级要求和对发电机绝缘材料的耐压等级要求，降低发电机系统的成本，并提高其可靠性。本实用新型的有益效果体现在：

一、当永磁交流发电机转速ω_r高于临界转速(即预设的发电机转子转速标准值ω_r ^*)时，若不进行弱磁控制，其交流输出端电压就高于最大安全交流电压(即预设的交流电压标准值U_ac ^*)进而损坏PWM整流器的功率器件和发电机的绝缘材料。本实用新型在此情况下采取弱磁控制技术，利用发电机电枢绕组的弱磁磁动势(该磁动势由弱磁性质的直轴电流(即I_d＞0)产生)削弱永磁体的励磁磁动势，保证在高速运行时发电机交流输出端电压U_ac稳定，由此降低PWM整流器功率器件的耐压等级要求和发电机绝缘材料的耐压等级要求。此外，弱磁控制可以削弱发电机内部磁场，减小高速运行时的铁芯损耗，提高发电机的效率。

二、当永磁交流发电机转子转速ω_r低于临界转速ω_r ^*时，若不进行增磁控制，其交流输出端电压U_ac就可能过小，使得PWM整流器无法输出稳定的直流电压U_dc来为负载正常供电。本实用新型在此情况下采取增磁控制技术，利用发电机电枢绕组的增磁磁动势(该磁动势由增磁性质的直轴电流(即I_d＜0)产生)加强永磁体的励磁磁动势，保证在低速运行时发电机交流输出端的交流电压U_ac稳定，并进一步实现发电机系统直流输出端(也就是负载端)的直流电压U_dc稳定。

三、由于发电机交流输出端的交流电压U_ac是稳定的，因此，PWM整流器可以更容易地获得稳定的直流输出端(也就是负载端)的直流电压U_dc。

四、本实用新型的永磁交流发电机系统的结构组成与基于发电机和PWM整流器及直流滤波装置的传统系统相比，不需增加额外装置，仅需改变PWM整流器的控制方法，同时在设计发电机本体时加强其增磁和弱磁能力，即可实现。因此，实现方法简便，实用性强。

附图说明

图1为本实用新型永磁交流发电机系统的结构框图(以三相星形绕组发电机为例)；

图2为本实用新型永磁交流发电机各变量及相量的正方向规定(以三相星形绕组发电机为例，绕组变量以A相为例)；

图3为本实用新型永磁交流发电机的相量图；

图4为本实用新型永磁交流发电机在低速运行时通过增磁控制实现交流输出端稳压的相量图；

图5为本实用新型永磁交流发电机在高速运行时通过弱磁控制实现交流输出端稳压的相量图；

图6为本实用新型永磁交流发电机系统功能模块框图及变量示意图(以三相星形绕组发电机为例)；

图7为本实用新型永磁交流发电机系统电流限幅模块的典型程序流程图；

图8为本实用新型实施例的实践验证结果。

具体实施方式

如图1所示，永磁交流发电机是由原动机驱动运行，当原动机为风力桨叶、汽车发动机、航空发动机等不确定动力源时，发电机的运行转速是变化的。永磁交流发电机交流输出端的交流电经过PWM整流器进行功率变换，形成直流电。PWM整流器由功率开关管与续流二极管组成。有的功率开关管含有内置续流二极管，则可以省略独立的续流二极管而使用内置续流二极管。PWM整流器后接直流滤波装置以减小直流输出端的直流电压的纹波。该直流电压向负载(包括直接工作于直流电源下的负载、经电力电子装置进行功率变换后的负载以及直流储能装置等，统称为直流负载)供电。永磁交流发电机和PWM整流器的相数匹配，可以是任意相数的；发电机绕组可以采用常规的各种连接方式。图1中以三相永磁交流发电机系统为例。

为便于分析和说明，按照电机学中的发电机原则(即正值磁链的方向与绕组轴线的方向一致、正值电流产生负值磁链，正值电流在负载方向产生正值电压)为永磁交流发电机的各个变量及相量规定正方向，如图2所示。需要说明的是，为图示清晰，图2中只标出了A相的相电压u_A和相电流i_A的正方向。其余两相(即B相和C相)的正方向可根据电机三相对称性来确定。其中，ω_r表示发电机转子的转速，θ表示发电机转子的位置；d轴和q轴分别是发电机转子的直轴与交轴；A轴、B轴和C轴分别是发电机定子A相、B相和C相绕组的轴线。

根据电机学理论，永磁交流发电机的相量图如图3所示。图中，R是发电机定子绕组的每相电阻，X_d和X_q分别是发电机定子绕组的d轴和q轴电抗；E是发电机的旋转电势相量；U和I分别是发电机交流输出端的电压相量与电流相量，其模值分别是交流输出端电压U_ac和电流I_ac；I_d和I_q分别是发电机定子绕组的d轴和q轴电流相量，也就是电流相量I在d轴和q轴方向的分量，其模值分别是发电机交流输出端的直轴电流I_d和交轴电流I_q，并且，根据电机学理论，满足在永磁交流发电机中，根据电机学理论，以上各相量满足如下关系：E＝U+RI+jX_dI_d+jX_qI_q。在电机学中，为简化分析，通常忽略电阻压降RI的影响；因此，本专利后续的示意图中也忽略电阻压降RI，即E＝U+jX_dI_d+jX_qI_q。

本实用新型通过调节发电机的I_d电流相量来稳定发电机输出端的交流电压U_ac，具体方法如下：当发电机转子的转速ω_r低于临界转速ω_r ^*时，PWM整流器为发电机定子绕组产生负值的I_d电流相量，根据前述的发电机原则的正方向规定，负值的I_d电流相量产生正值的d轴方向磁场，与永磁体励磁相互加强，起到增磁的作用(因此负值的I_d电流相量是增磁电流)，使得发电机交流输出端的交流电压相量U的大小稳定(即交流输出端电压U_ac稳定在预设的交流电压标准值U_ac ^*)，如图4所示；发电机转子的转速ω_r越低，I_d电流越小，由于I_d＜0，所以I_d越小表示I_d的绝对值越大，即增磁电流的绝对值越大。当发电机转子的转速ω_r高于临界转速ω_r ^*时，PWM整流器为发电机定子绕组产生正值的I_d电流相量，根据前述的发电机原则的正方向规定，正值的I_d电流相量产生负值的d轴方向磁场，与永磁体励磁相互抵消，起到弱磁的作用(因此正值的I_d电流相量是弱磁电流)，使得发电机交流输出端的交流电压相量U的大小稳定(即交流输出端电压U_ac稳定在预设的交流电压标准值U_ac ^*)，如图5所示；发电机转子的转速ω_r越高，I_d电流越大，由于I_d＞0，所以I_d越大表示I_d的绝对值越大，即弱磁电流的绝对值越大。同时，PWM整流器为永磁交流发电机定子绕组产生合适的I_q电流相量，从而保证负载端的直流电压U_dc稳定；这与传统的PWM整流器的工作原理相同，为现有技术，此处不再赘述。

永磁交流发电机系统功能模块框图及变量示意图如图6所示。其中，转子位置与转速检测模块用光电编码器或旋转变压器或磁性编码器等位置传感器直接检测或者用无传感器控制算法观测所述发电机转子的位置θ和所述发电机转子的转速ω_r；接入直流滤波装置直流输出端的直流电压检测模块和直流电流检测模块分别使用霍尔效应电压传感器和霍尔效应电流传感器等电子元器件检测直流输出端的直流电压U_dc和直流电流I_dc；接入发电机交流输出端的交流电压检测模块和交流电流检测模块分别使用霍尔效应电压传感器和霍尔效应电流传感器等电子元器件检测交流输出端的交流电压U_ac和交流电流；坐标变换模块将实测的发电机交流输出端的交流电流进行坐标变换，根据电机学中的从相坐标到d-q-0坐标的变换方法，得到直轴电流I_d和交轴电流I_q；第一调节器采用PI或PID等经典控制技术或者模糊逻辑或滑模控制或神经网络等现代控制方法，通过比较所述发电机系统直流输出端电压U_dc和其标准值U_dc ^*的差别，当直流输出端电压U_dc小于其标准值U_dc ^*时增大输出的交轴电流给定值I_q ^*，当直流输出端电压U_dc大于其标准值U_dc ^*时减小输出的交轴电流给定值I_q ^*，直至直流输出端电压U_dc和其标准值U_dc ^*一致，直流负载大小(由直流电流I_dc体现)的变化是此闭环内的扰动量，可由此闭环控制消除影响；第二调节器采用PI或PID等经典控制技术或者模糊逻辑或滑模控制或神经网络等现代控制方法，通过比较所述发电机交流输出端电压U_ac和其标准值U_ac ^*的差别，当交流输出端电压U_ac小于其标准值U_ac ^*时减小输出的直轴电流给定值I_d ^*，当交流输出端电压U_ac大于其标准值U_ac ^*时增大输出的直轴电流给定值I_d ^*，直至交流输出端电压U_ac和其标准值U_ac ^*一致，所述发电机转子的转速ω_r和所述发电机交流输出端的交轴电流I_q等的变化都是此闭环内的扰动量，可由此闭环控制消除影响；通过上述途径获得的发电机交流输出端的直轴电流给定值I_d ^*和交轴电流给定值I_q ^*后，电流限幅模块还要将直轴电流给定值I_d ^*和交轴电流给定值I_q ^*进行限幅调整，输出限幅后的直轴电流给定值I_d ^*’和限幅后的交轴电流给定值I_q ^*’，使得二者的相量和的幅值不大于所述发电机的交流电流额定值I_额定，图7是一种典型的电流限幅模块的程序流程图；然后，所述的PWM发生模块分别比较直轴电流I_d和限幅后的直轴电流给定值I_d ^*’以及交轴电流I_q和限幅后的交轴电流给定值I_q ^*’，可以采用传统的SVPWM(空间矢量脉宽调制)或正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，简称SPWM)或直接转矩控制(Direct Torque Control，简称DTC)等控制策略，确定相应的PWM动态占空比，产生PWM整流器各个功率开关管导通或关断的PWM触发脉冲；这些PWM触发脉冲触发PWM整流器的各个功率开关管，以控制发电机交流输出端的电流相量I，使得I的直轴分量(即I_d)和交轴分量(即I_q)分别与限幅后的直轴电流给定值I_d ^*’和限幅后的交轴电流给定值I_q ^*’一致，由此产生的效果就是所述发电机系统的交流输出端电压U_ac的大小和直流输出端电压U_dc的大小分别稳定在预设的交流电压标准值U_ac ^*和直流电压标准值U_dc ^*，实现双端口稳压的功能。

将上述原理应用于本实施例的变速永磁交流发电机系统，本实施例的发电机系统即包括发电机、接入发电机交流输出端的PWM整流器、与所述的PWM整流器相连的直流滤波装置以及控制器，所述的控制器包括：

转子位置与转速检测模块，用于获得所述发电机转子的位置θ和所述发电机转子的转速ω_r；所述的转子位置与转速检测模块在本实施例可以采用光电编码器或旋转变压器或磁性编码器等位置传感器检测所述发电机转子的位置θ，再通过对所述的位置信号θ进行微分或差分运算获得所述发电机转子的转速ω_r；所述的转子位置与转速检测模块也可以用无传感器控制算法观测所述发电机转子的位置θ和所述发电机转子的转速ω_r。

接入直流滤波装置直流输出端的直流电压检测模块和直流电流检测模块，用于获得直流输出端的直流电压U_dc和直流电流I_dc；

接入发电机交流输出端的交流电压检测模块和交流电流检测模块，用于获得交流输出端的交流电压U_ac和交流电流；

在本实施例，可以采用霍尔效应电压传感器或其他原理的电压传感器和霍尔效应电流传感器或其他原理的电流传感器分别检测直流电压U_dc与交流电压U_ac、直流电流I_dc与交流电流；也可以分别使用采样电阻检测直流电压U_dc与交流电压U_ac、直流电流I_dc与交流电流。

坐标变换模块，用于根据所述发电机转子的位置θ将上述交流电流检测模块输出的交流电流转换为交轴(亦称q轴)电流I_q以及直轴(亦称d轴)电流I_d；

第一调节器，用于接收所述直流电压U_dc和所述直流电流I_dc并根据预设的直流电压标准值U_dc ^*产生发电机交流输出端的交轴电流给定值I_q ^*；在本实施例，所述的第一调节器可以采用PI或PID等经典控制技术或者模糊逻辑或滑模控制或神经网络等现代控制方法，通过比较所述发电机系统直流输出端电压U_dc和其标准值U_dc ^*的差别，当直流输出端电压U_dc小于其标准值U_dc ^*时增大输出的交轴电流给定值I_q ^*，当直流输出端电压U_dc大于其标准值U_dc ^*时减小输出的交轴电流给定值I_q ^*，直至直流输出端电压U_dc和其标准值U_dc ^*一致，从而实现所述发电机系统的直流输出端稳压；其中，直流负载(由直流电流I_dc体现)的变化、发电机系统参数的变化以及数学模型的不精确性等都是此闭环控制系统的扰动量，可通过闭环控制来消除影响；

第二调节器，用于接收上述第一调节器输出的交轴电流给定值I_q ^*和所述发电机转子的转速ω_r以及所述交流电压U_ac，并根据预设的交流电压标准值U_ac ^*产生发电机交流输出端的直轴电流给定值I_d ^*；在本实施例，第二调节器可以采用PI或PID等经典控制技术或者模糊逻辑或滑模控制或神经网络等现代控制方法，通过比较所述发电机交流输出端电压U_ac和其标准值U_ac ^*的差别，当交流输出端电压U_ac小于其标准值U_ac ^*时减小输出的直轴电流给定值I_d ^*，当交流输出端电压U_ac大于其标准值U_ac ^*时增大输出的直轴电流给定值I_d ^*，直至交流输出端电压U_ac和其标准值U_ac ^*一致，从而实现所述发电机系统的交流输出端稳压；其中，所述的交轴电流给定值I_q ^*、所述发电机转子的转速ω_r、发电机系统参数的变化以及数学模型的不精确性等都是此闭环控制系统的扰动量，可通过闭环控制来消除影响；

电流限幅模块，一般包括计算器以及比较器，用于接收所述发电机转子的转速ω_r和所述发电机转子转速的标准值ω_r ^*，以及所述交轴电流给定值I_q ^*以及直轴电流给定值I_d ^*，输出限幅后的交轴电流给定值I_q ^*’以及限幅后的直轴电流给定值I_d ^*’；在本实施例，所述的电流限幅模块具体执行图7所示的流程；

PWM发生模块，用于分别比较所述的交轴电流I_q与其限幅后的给定值I_q ^*’以及所述的直轴电流I_d与其限幅后的给定值I_d ^*’，并根据所述发电机转子的位置θ和所述发电机转子的转速ω_r发出控制所述PWM整流器的功率开关管导通或关断的PWM触发脉冲；在本实施例，所述的PWM发生模块根据输入的直轴电流I_d、交轴电流I_q、限幅后的直轴电流给定值I_d ^*’、限幅后的交轴电流给定值I_q ^*’以及所述发电机转子的位置θ和所述发电机转子的转速ω_r，可以采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)或正弦脉宽调制(SPWM)或直接转矩控制(DTC)等技术产生PWM触发脉冲。

本实用新型的变速永磁交流发电机系统通过实施例的实践结果进行了验证，如图8所示；在实践验证中，在16秒钟时间内，所述发电机转子转速ω_r经历了如下过程：从25rad/s上升到50rad/s，维持在50rad/s，从50rad/s上升到75rad/s(这是临界转速ω_r ^*)，维持在75rad/s，从75rad/s上升到100rad/s，维持在100rad/s，从100rad/s上升到125rad/s，维持在125rad/s；所述的永磁交流发电机系统在ω_r小于ω_r ^*时进行增磁控制，在ω_r大于ω_r ^*时进行弱磁控制；在整个转速变化范围内，交流输出端的电压(其幅值大小就是U_ac)始终稳定在预设的标准值U_ac ^*，直流输出端电压U_dc始终稳定在预设的标准值U_dc ^*，实现了双端口稳压。

Claims (9)

1.一种变速永磁交流发电机系统，包括永磁交流发电机、接入永磁交流发电机交流输出端的PWM整流器以及与所述的PWM整流器相连的直流滤波装置，其特征在于，还包括用于控制所述的PWM整流器的功率开关管导通或关断的控制器，所述的控制器分别接入所述的永磁交流发电机、永磁交流发电机交流输出端以及直流滤波装置直流输出端。

2.根据权利要求1所述的变速永磁交流发电机系统，其特征在于，所述的控制器包括用于获得所述发电机转子的位置θ和所述发电机转子的转速ω_r的转子位置与转速检测模块、接入所述发电机交流输出端的交流电压检测模块和交流电流检测模块以及接入所述的直流滤波装置直流输出端的直流电压检测模块和直流电流检测模块。

3.根据权利要求2所述的变速永磁交流发电机系统，其特征在于，所述的控制器包括用于根据所述发电机转子的位置θ将上述交流电流检测模块输出的交流电流进行坐标变换以将其转换为交轴电流I_q以及直轴电流I_d的坐标变换模块、产生交轴电流给定值I_q ^*和直轴电流给定值I_d ^*的调节器组、将交流电流给定值I_q ^*和直轴电流给定值I_d ^*进行限幅控制的电流限幅模块以及向所述的PWM整流器发出PWM触发脉冲的PWM发生模块。

4.根据权利要求3所述的变速永磁交流发电机系统，其特征在于，所述的PWM发生模块与转子位置与转速检测模块的输出端以及坐标变换模块的输出端相接，且通过电流限幅模块接入调节器组的输出端。

5.根据权利要求3所述的变速永磁交流发电机系统，其特征在于，所述的调节器组包括用于接收所述直流滤波装置直流输出端的直流电压U_dc和直流电流I_dc并根据预设的直流电压标准值U_dc ^*产生并输出所述发电机交流输出端的交轴电流给定值I_q ^*的第一调节器以及用于接收上述第一调节器输出的交轴电流给定值I_q ^*和所述发电机转子的转速ω_r以及所述发电机交流输出端的交流电压U_ac，并根据预设的交流电压标准值U_ac ^*产生并输出所述发电机交流输出端的直轴电流给定值I_d ^*的第二调节器。

6.根据权利要求3所述的变速永磁交流发电机系统，其特征在于，所述的电流限幅模块用于接收所述调节器组输出的所述发电机交流输出端的交轴电流给定值I_q ^*和直轴电流给定值I_d ^*，以及接收转子位置与转速检测模块输出的所述的发电机转子的转速ω_r和发电机转子转速标准值ω_r ^*，输出限幅后的交轴电流给定值I_q ^*’和限幅后的直轴电流给定值I_d ^*’。

7.根据权利要求2所述的变速永磁交流发电机系统，其特征在于，所述的转子位置与转速检测模块内设光电编码器或旋转变压器或磁性编码器等位置传感器，或直接用无传感器控制。

8.根据权利要求2所述的变速永磁交流发电机系统，其特征在于，所述的交流电压检测模块和交流电流检测模块分别采用霍尔效应电压传感器或其他原理的电压传感器及霍尔效应电流传感器或其他原理的电流传感器，或分别使用采样电阻。

9.根据权利要求2所述的变速永磁交流发电机系统，其特征在于，所述的直流电压检测模块和直流电流检测模块分别采用霍尔效应电压传感器或其他原理的电压传感器及霍尔效应电流传感器或其他原理的电流传感器，或分别使用采样电阻。

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