CN105024602B - 一种定子双绕组异步电机发电***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种定子双绕组异步电机发电***及控制方法，属于变频交流发电***的技术领域。该新型拓扑使用滤波电感，励磁电容，电机定子绕组漏感组成LCL型滤波器，减少发电***的体积重量。在控制上使用基于动态模型的矢量控制方法，提高***动静态性能。该变频交流发电***包括定子双绕组异步发电机、功率变换器、LCL型滤波器、直流滤波电容、蓄电池、二极管、直流电压传感器、交流电压传感器、交流电流传感器、控制器、驱动电路；该***可用于飞机、舰船等独立电源应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种定子双绕组异步电机变频交流发电***及控制方法，属于变频交流发电***的技术领域。
背景技术
变频交流电源***是多电/全电飞机电源发展的一个重要的方向。例如大型民用客机 B787和A380均采用变频交流电源***。随着机载用电设备和精密仪器的不断增加，对电源***的容量和性能要求也越来越高。
定子双绕组异步电机(DWIG)是本世纪初提出的一种新型笼型异步电机，它继承了普通笼型异步电机结构简单、成本低、可靠性高等优点。该发电机的定子上有两套绕组，分别是控制绕组和功率绕组。控制绕组接有功率变换器对电机的磁场和转矩进行调节，功率绕组对负载供电。它们仅通过磁场耦合，无电气连接，变速环境下运行良好，且控制器容量较小，适合在高性能的独立电源***中应用。
交流发电***的波形质量是衡量其性能的重要指标，相关标准对此都作了详细的规定。为了满足标准，在现有技术方案中，定子双绕组异步电机发电***的控制绕组侧基本依靠单电感(单L)进行滤波，此时***往往需要较大的滤波电感，这无疑增加了***的体积重量。在现有设计方案中的控制绕组侧增加励磁电容，构成具有更好滤波特性的LCL型滤波器，可以有效滤除高次谐波，减小损耗，降低***体积重量。
定子双绕组异步电机发电***的运行性能同时也取决于所采用的控制策略。良好的控制策略不仅可以消除***稳态误差，提高***动态响应速度，还可以提高波形质量并降低***损耗。从现有的资料来看，定子双绕组异步电机发电***的电压调节方法主要是基于稳态模型的标量控制，并未基于***动态模型进行控制器设计。异步电机的标量控制由于没有考虑发电***的动态模型，所以其动静态性能不理想，调节器参数选取困难。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种定子双绕组异步电机发电***及控制方法，有效滤除变换器产生的高次谐波，减小损耗。
技术方案：一种变频交流发电***，包括由定子双绕组异步发电机、功率变换器、滤波电感、励磁电容、直流滤波电容构成的主功率电路，由蓄电池和二极管构成的辅助电源，由直流电压传感器、交流电压传感器、第一交流电流传感器、第二交流电流传感器组成的检测电路，由控制器和驱动电路组成的控制电路；其中：
所述主功率电路中，所述功率变换器的交流侧串联滤波电感后连接定子双绕组异步发电机的控制绕组，所述励磁电容与滤波电感以及电机定子绕组漏感构成LCL型滤波器；所述LCL型滤波器用于在滤波的同时利用励磁电容向定子双绕组异步发电机提供无功励磁；所述低压小功率辅助电源用于为电机提供初始励磁；所述检测电路用于检测所述主功率电路中的直流侧电压、交流侧电压、交流侧电流，并将检测得到的检测值传输至所述控制器；所述控制器采用矢量控制策略驱动功率变换器进行控制。在控制上使用基于动态模型的矢量控制方法，这样易于设计和计算调节器及其参数，并且该控制器的设计从原理上抑制了负载和转速的干扰，因此可以使***在不同负载和转速条件下均拥有优良的动静态性能。
一种变频交流发电***的矢量控制方法，包括如下步骤：
步骤1，根据交流电压传感器测量值算得定子双绕组异步发电机功率绕组侧输出的交流电压有效值up，利用式(1)计算出电机定子磁链给定值
其中：表示功率绕组输出交流电压的给定有效值，ψ0表示***处于静态工作点时的电机定子磁链估计值；K1为比例积分调节器的比例系数，K2为积分系数；p为微分算子；
步骤2，利用定子磁链观测器建立以定子磁链矢量定向的同步旋转坐标系，观测定子磁链幅值ψδ，并进行闭环反馈调节，得到控制绕组在同步坐标系下的d轴电流给定值如式(2)所示：
其中：K3为定子磁链比例积分调节器的比例系数，K4为定子磁链比例积分调节器的积分系数；
步骤3，根据直流电压传感器测量值ucDC和直流电压给定值进行闭环反馈调节，得到控制绕组在同步坐标系下的q轴电流给定值如式(3)所示：
（3）
其中：K5为直流电压比例积分调节器的比例系数，K6为直流电压比例积分调节器的积分系数；
步骤4，利用第一交流电流传感器测量控制绕组电流值，坐标变换后得到控制绕组在同步坐标系下的d，q轴电流isd和isq，根据步骤2和3得到的控制绕组在同步坐标系下的d，q轴电流给定值和对控制绕组在同步坐标系的d，q轴电流进行闭环反馈调节，得到控制绕组在同步坐标系下的d，q轴电压给定如式(4)所示：
其中：K7为电流闭环比例积分调节器的比例系数，K8为电流闭环比例积分调节器的积分系数，ipd为第二交流电流传感器测量并计算得到的功率绕组d轴电流值；
步骤5，根据步骤4求出的控制绕组在同步坐标系下的d，q轴电压给定和定子磁链观测器测量的磁链角度采用正弦波脉宽调制或空间矢量脉宽调制，驱动功率变换器的开关管，控制定子双绕组异步电机定子旋转磁场的幅值和转速，从而控制***正常稳定工作。
有益效果：相较于传统的定子双绕组异步电机发电***，本发明的拓扑结构中，在主功率电路上形成了LCL型滤波器结构，该LCL型滤波器由滤波电感、励磁电容和定子双绕组异步电机中的控制绕组定子漏感组成，比普通的LCL滤波器少用一个电感，而电容除滤波作用外，还起到对双绕组异步发电机进行励磁的作用。LCL型滤波器相比于普通的单L滤波器，由于具有三阶的低通滤波特性，因而对于同样谐波标准和较低的开关频率，可以采用相对较小的滤波电感设计，有效降低***的体积重量并减小损耗。
附图说明
图1为变频交流发电***的示意图；
图2为变频交流发电***主功率等效电路示意图；
图3为变频交流发电***矢量控制方法原理图；
图中标号说明：图1中，1、定子双绕组异步发电机；2、滤波电感；3、功率变换器；4、励磁电容；5、蓄电池；6、二极管；7、滤波电容；8、直流电压传感器、9、交流电压传感器；10、第一交流电流传感器；11、第二交流电流传感器；12、控制器；13、驱动电路；14、负载。图2中，15、功率变换器等效电压源；16、LCL型滤波器，由滤波电感，励磁电容，电机绕组漏感组成；17、定子双绕组电机定子功率绕组等效电路； 18、定子双绕组电机等效激磁电感；19、定子双绕组电机转子等效电路；20、定子双绕组电机定子控制绕组等效电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示的变频交流发电***，包括定子双绕组异步发电机1、三个滤波电感2、功率变换器3、三个励磁电容4、蓄电池5、二极管6、直流滤波电容7、直流电压传感器8、交流电压传感器9、第一交流电流传感器10、第二交流电流传感器11、控制器12、驱动电路13。定子双绕组异步发电机1、三个滤波电感2、功率变换器3、三个励磁电容4、直流滤波电容7组成主功率电路。蓄电池5和二极管6组成低压小功率辅助电源。直流电压传感器8、交流电压传感器9、第一交流电流传感器10、第二交流电流传感器 11组成检测电路。控制器12和驱动电路13组成控制电路。定子双绕组异步发电机1 接有功率变换器3的一套定子绕组称之为控制绕组，定子双绕组异步发电机1直接接有负载的另一套定子绕组称之为功率绕组。
其中，二极管6的阳极与蓄电池5的正极连接，二极管6的阴极与功率变换器3直流侧的正直流母线连接，蓄电池5的负极与负直流母线连接。安装在功率变换器直流母线上的低压小功率辅助电源(24V或48V)为定子双绕组异步发电机提供初始励磁无功功率，保证定子双绕组异步发电机顺利建压，当功率变换器3的直流母线电压超过低压小功率辅助电源的电压时，二极管6反向截止，蓄电池5与直流母线自然脱离。
低压小功率辅助电源的两端与滤波电容7连接，滤波电容7通过直流母线与功率变换器3的直流侧连接。功率变换器3的交流侧为三相三线制，依次接有三个滤波电感2，三个励磁电容4，定子双绕组异步发电机1的控制绕组，这样滤波电感2、励磁电容4 与电机控制绕组定子漏感组成LCL型滤波器。定子双绕组异步发电机1的三相四线制功率绕组对负载提供变频交流电源。
电压和电流传感器均为霍尔传感器，直流电压传感器8和交流电压传感器9分别用来测量功率变换器直流母线电压和功率绕组变频交流电压，交流电流传感器10，11用来测量绕组电流。这些电压和电流传感器采集主功率电路上的***状态信号，供控制电路使用。功率变换器3可采用IGBT或智能功率模块(IPM)变换器。控制器12采用数字信号处理器来实现。控制器12根据传感器采集的信号，数据处理后得到功率变换器3 的驱动信号，再经过驱动电路13控制功率变换器的开关管。
图2显示了主功率电路的单相等效电路模型，描述了该变频交流发电***中LCL型滤波器原理。LCL型滤波器16，由图1的滤波电感2、励磁电容4和定子双绕组异步电机1中的控制绕组定子漏感组成，在拓扑上形成一个LCL型滤波器，比普通的LCL滤波器少用一个电感，而电容除滤波作用外，还起到对双绕组异步发电机进行励磁的作用。 LCL型滤波器相比于普通的单L滤波器，由于具有三阶的低通滤波特性，因而对于同样谐波标准和较低的开关频率，可以采用相对较小的滤波电感设计，有效降低***的体积重量并减小损耗。
按照交流电机理论，双绕组异步发电机的转子等效电路可以用一个等效模拟电阻代表异步电机机械功率与电功率的转化，如图2的定子双绕组电机转子等效电路19所示。这个等效模拟电阻可以充当LCL型滤波器的无源阻尼，起到抑制LCL型滤波器自身谐振特性的作用。
所述变频交流发电***矢量控制方法，其工作原理描述如下：
通过坐标变换，在同步旋转坐标系(dq坐标系)中，可以得到等效的直流电动机模型，在该模型中，电机的磁链控制和转矩控制可以实现解耦，从而可以分别建立控制模型进行磁链和转矩控制，达到控制电机稳定可靠运行的目的。
图3为该变频交流发电***控制方法的矢量控制原理图，方法包括如下步骤：
步骤1，根据交流电压传感器测量值算得定子双绕组异步发电机功率绕组侧输出的交流电压有效值up，利用式(1)计算出电机定子磁链给定值
其中：表示功率绕组输出交流电压的给定有效值，ψ0表示***处于静态工作点时的电机定子磁链估计值；K1为比例积分调节器的比例系数，K2为积分系数；p为微分算子，表示积分算符；
步骤2，利用定子磁链观测器建立以定子磁链矢量定向的同步旋转坐标系，观测定子磁链幅值ψδ，并进行闭环反馈调节，得到控制绕组在同步坐标系下的d轴电流给定值如式(2)所示：
其中：K3为定子磁链比例积分调节器的比例系数，K4为定子磁链比例积分调节器的积分系数，表示积分算符，该闭环反馈控制器构成定子磁链控制器；
步骤3，根据直流电压传感器测量值ucDC和直流电压给定值进行闭环反馈调节，得到控制绕组在同步坐标系下的q轴电流给定值如式(3)所示：
（3）
其中：K5为直流电压比例积分调节器的比例系数，K6为直流电压比例积分调节器的积分系数，表示积分算符，该闭环反馈控制器构成直流母线电压控制器；
步骤4，利用第一交流电流传感器测量控制绕组电流值，坐标变换后得到控制绕组在同步坐标系下的d，q轴电流isd和isq，根据步骤2和3得到的控制绕组在同步坐标系下的d，q轴电流给定值和对控制绕组在同步坐标系的d，q轴电流进行闭环反馈调节，得到控制绕组在同步坐标系下的d，q轴电压给定如式(4)所示：
其中：K7为电流闭环比例积分调节器的比例系数，K8为电流闭环比例积分调节器的积分系数，ipd为第二交流电流传感器测量并计算得到的功率绕组d轴电流值；
步骤5，根据步骤4求出的控制绕组在同步坐标系下的d，q轴电压给定和定子磁链观测器测量的磁链角度采用正弦波脉宽调制或空间矢量脉宽调制，驱动功率变换器的开关管，控制定子双绕组异步电机定子旋转磁场的幅值和转速，从而控制***正常稳定工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种变频交流发电***的矢量控制方法，其特征在于，变频交流发电***包括由定子双绕组异步发电机(1)、功率变换器(3)、滤波电感(2)、励磁电容(4)、直流滤波电容(7)构成的主功率电路，由蓄电池(5)和二极管(6)构成的辅助电源，由直流电压传感器(8)、交流电压传感器(9)、第一交流电流传感器(10)、第二交流电流传感器(11)组成的检测电路，由控制器(12)和驱动电路(13)组成的控制电路；其中：
所述主功率电路中，所述功率变换器(3)的交流侧串联滤波电感(2)后连接定子双绕组异步发电机(1)的控制绕组，所述励磁电容(4)与滤波电感(2)以及电机定子绕组漏感构成LCL型滤波器；所述LCL型滤波器用于在滤波的同时利用励磁电容向定子双绕组异步发电机(1)提供无功励磁；所述低压小功率辅助电源用于为电机提供初始励磁；所述检测电路用于检测所述主功率电路中的直流侧电压、交流侧电压、交流侧电流，并将检测得到的检测值传输至所述控制器；所述控制器采用矢量控制策略驱动功率变换器进行控制；
包括如下步骤：
步骤1，根据交流电压传感器测量值算得定子双绕组异步发电机功率绕组侧输出的交流电压有效值up，利用式(1)计算出电机定子磁链给定值
其中：表示功率绕组输出交流电压的给定有效值，ψ0表示***处于静态工作点时的电机定子磁链估计值；K1为比例积分调节器的比例系数，K2为积分系数；p为微分算子；
步骤2，利用定子磁链观测器建立以定子磁链矢量定向的同步旋转坐标系，观测定子磁链幅值ψδ，并进行闭环反馈调节，得到控制绕组在同步坐标系下的d轴电流给定值如式(2)所示：
其中：K3为定子磁链比例积分调节器的比例系数，K4为定子磁链比例积分调节器的积分系数；
步骤3，根据直流电压传感器测量值ucDC和直流电压给定值进行闭环反馈调节，得到控制绕组在同步坐标系下的q轴电流给定值如式(3)所示：
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其中：K5为直流电压比例积分调节器的比例系数，K6为直流电压比例积分调节器的积分系数；
步骤4，利用第一交流电流传感器测量控制绕组电流值，坐标变换后得到控制绕组在同步坐标系下的d，q轴电流isd和isq，根据步骤2和3得到的控制绕组在同步坐标系下的d，q轴电流给定值和对控制绕组在同步坐标系的d，q轴电流进行闭环反馈调节，得到控制绕组在同步坐标系下的d，q轴电压给定如式(4)所示：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |