CN110729926A - 无刷同步发电机模型、无刷同步发电机的建模方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无刷同步发电机模型、无刷同步发电机的建模方法及装置，包括：搭建耦合电阻模型与整流器模型，并对所述耦合电阻模型与所述整流器模型进行处理得到整流器及耦合电阻模型；在dqo坐标系下建立发电机模型；在dqo坐标系下建立励磁机模型；利用所述整流器及耦合电阻模型将所述发电机模型与所述励磁机模型进行互联得到无刷同步发电机模型。本发明提供的无刷同步发电机模型、无刷同步发电机的建模方法及装置，能够有效的解决模型计算发散的问题，并具有高稳定性、高实时性及高准确性的特点。

Description

无刷同步发电机模型、无刷同步发电机的建模方法及装置

技术领域

本发明涉及无刷同步发电机的建模技术领域，尤其涉及一种无刷同步发电机模型、无刷同步发电机的建模方法及装置。

背景技术

随着仿真技术的发展进步，在***分析中发挥的作用愈加重要，同时，***也日益复杂，对仿真建模方法提出了更高的要求。其中，复杂***中将可能出现感性元件互联的情况，需要进行联合建模。

目前，无刷交流发电机实际上是两台发电机构成的，一台作为交流励磁机，一台作为发电机，而励磁机和发电机通过旋转整流器连接。然而，无刷交流发电机中的励磁机与发电机均为感性元器件，利用数学原理搭建模型(如:simulink模型)时，均需要以电压作为输入，而传统建模方法中整流器的数学模型无法将两侧电压同时作为输出。导致励磁机模型、发电机模型无法同时与整流器模型直接相连，从而无法对发电机模型、励磁机模型与整流器模型构建无刷交流同步发电机模型。

现有技术中，公开日为2013年6月的中国文献《船舶无刷发电机励磁控制***的数字仿真》中，无刷发电机励磁控制***的数字建模利用Matlab/Simulink的SimPowerSystem工具箱，对***各单元进行分块建模(励磁机、发电机建模选取同步电机模块，整流器模型选用通用桥模型)，再将利用SimPowerSystem工具箱建立的各单元模型连接起来。电气元件库中的模块，除存在参数设置及模型修改不灵活的缺点，在实时仿真中更存在占用资源较多，当仿真步长选取较小时，将运行超时，无法下载成功的问题，同时，解算方法选择困难，很容易出现模型发散的问题。

针对上述问题，本领域技术人员一直在寻求解决办法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种无刷同步发电机模型、无刷同步发电机的建模方法及装置，能够有效的解决模型计算发散的问题，并具有高稳定性、高实时性及高准确性的特点。

本发明提供一种无刷同步发电机的建模方法，所述无刷同步发电机的建模方法包括：搭建耦合电阻模型与整流器模型，并对所述耦合电阻模型与所述整流器模型进行处理得到整流器及耦合电阻模型；在dqo坐标系下建立发电机模型；在dqo坐标系下建立励磁机模型；利用所述整流器及耦合电阻模型将所述发电机模型与所述励磁机模型进行互联得到无刷同步发电机模型。

具体地，所述搭建耦合电阻模型与整流器模型，并对所述耦合电阻模型与所述整流器模型进行处理得到整流器及耦合电阻模型的步骤包括：在无刷同步发电机中的整流器的直流输出端并接耦合电阻；根据所述耦合电阻搭建耦合电阻模型；根据所述整流器搭建整流器模型；将所述耦合电阻模型与所述整流器模型进行组合处理，以得到所述整流器及耦合电阻模型。

具体地，所述将所述耦合电阻模型与所述整流器模型进行组合处理，以得到所述整流器及耦合电阻模型的步骤包括：获取耦合电阻模型中与所述耦合电阻相应的电流差及所述耦合电阻的电阻值，根据所述电流差与所述电阻值计算得到所述耦合电阻模型的第一输出电压；将所述第一输出电压反馈至所述整流器模型，以使所述整流器模型根据所述第一输出电压进行处理得到第二输出电压；将所述第一输出电压与所述第二输出电压作为所述整流器及耦合电阻模型的两路输出电压。

具体地，所述利用所述整流器及耦合电阻模型将所述发电机模型与所述励磁机模型进行互联得到无刷同步发电机模型的步骤包括：将所述整流器及耦合电阻模型中的第一输出电压传输至所述发电机模型；将所述整流器及耦合电阻模型中的第二输出电压传输至所述励磁机模型；根据所述第一输出电压与所述第二输出电压对所述发电机模型、所述励磁机模型及所述整流器模型进行互联得到所述无刷同步发电机模型。

具体地，所述在dqo坐标系下建立发电机模型的步骤包括：根据发电机的电压、电流及磁链的关系分别建立电流状态变量电磁模型和磁链状态变量电磁模型；根据所述电流状态变量电磁模型与所述磁链状态变量电磁模型在dqo坐标系下建立磁链状态方程；根据所述磁链状态方程搭建模块构成所述发电机的仿真模型，以得到所述发电机模型。

具体地，所述在dqo坐标系下建立励磁机模型的步骤包括：根据励磁机的电压、电流及磁链的关系分别建立电流状态变量电磁模型和磁链状态变量电磁模型；根据所述电流状态变量电磁模型与所述磁链状态变量电磁模型在dqo坐标系下建立磁链状态方程；根据所述磁链状态方程搭建模块构成所述励磁机的仿真模型，以得到所述励磁机模型。

本发明还提供一种无刷同步发电机的建模装置，所述无刷同步发电机的建模装置包括：存储器，用于存储可执行程序代码；以及处理器，用于调用所述存储器中的所述可执行程序代码，以实现如上述的无刷同步发电机的建模方法。

本发明还提供一种无刷同步发电机模型，所述无刷同步发电机模型为利用如上述的无刷同步发电机的建模方法进行搭建的仿真模型。

具体地，所述励磁机模型的第一励磁电压端接收第一励磁电压，所述励磁机模型的第一电枢电流端向所述整流器及耦合电阻模型的第二电枢电流端输送电枢电流，所述励磁机模型的第一电枢线电压端接收所述整流器及耦合电阻模型的第二电枢线电压端输出的第一电枢线电压，所述励磁机模型的第一机械角速度端与所述发电机模型的第二机械角速度端均接收相同的机械角速度，所述发电机模型的第一励磁电流端向所述整流器及耦合电阻模型的第二励磁电流端输送励磁电流，所述发电机模型的第二励磁电压端接收所述整流器及耦合电阻模型的第三励磁电压端发送的第二励磁电压，所述发电机模型的第三电枢线电压端接收第二电枢线电压。

具体地，所述整流器及耦合电阻模型包括整流器模型及耦合电阻模型，所述耦合电阻模型的第二励磁电流端接收所述发电机模型的第一励磁电流端输出的励磁电流，所述耦合电阻模型的第一电阻电流端接收所述整流器模型输出的电阻电流，所述耦合电阻模型的电压输出端分别向所述整流器模型的电压接收端及所述发电机模型的第二励磁电压端输送第二励磁电压，所述整流器的第二电阻电流端接收所述励磁机模型的第一电枢电流端输出的电枢电流，所述整流器模型的电压输出端向所述励磁机模型的第一电枢线电压端输送第一电枢线电压。

具体地，本实施例提供的无刷同步发电机模型、无刷同步发电机的建模方法及装置，通过增设耦合电阻模型来解决模型计算发散的问题，并有效地实现发电机模型、励磁机模型和整流器模型之间的三个模型的互联，以构建无刷同步发电机模型，能够有效的解决模型计算发散的问题，并具有高稳定性、高实时性及高准确性的特点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明第一实施例的无刷同步发电机的建模方法的流程示意图；

图2为本发明第二实施例的无刷同步发电机的建模方法的流程示意图；

图3为本发明第三实施例的无刷同步发电机的建模方法的流程示意图；

图4为本发明第四实施例的无刷同步发电机的建模方法的流程示意图；

图5为本发明第五实施例的无刷同步发电机的建模方法的流程示意图；

图6为本发明第六实施例的无刷同步发电机的建模方法的流程示意图；

图7为本发明第七实施例的无刷同步发电机的建模装置的结构框图；

图8为本发明第八实施例的无刷同步发电机的电路结构示意图；

图9为本发明第九实施例的无刷同步发电机模型的结构框图；

图10为图9中的整流器及耦合电阻模型的结构框图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明详细说明如下。

图1为本发明第一实施例的无刷同步发电机的建模方法的流程示意图。本实施例为无刷同步发电机的建模装置执行的无刷同步发电机的建模方法。如图1所示，本实施例的无刷同步发电机的建模方法可包括以下步骤：

步骤S11：搭建耦合电阻模型与整流器模型，并对耦合电阻模型与整流器模型进行处理得到整流器及耦合电阻模型。

具体地，在本实施例中，无刷同步发电机包括发电机、励磁机及整流器。发电机的励磁绕组设置在第一转子上，发电机的电枢绕组设置在第一定子上，以将发电机发出的电输出。励磁机的电枢绕组设置第二转子上，励磁机的励磁绕组设置在第二定子上。具体地，在本实施例中，发电机和励磁机均与整理器连接，励磁机的电枢绕组与整流器的输入端电连接，发电机的励磁绕组与整理器的输出端电连接。具体地，无刷同步发电机是通过对励磁机在第二定子上的励磁绕组提供励磁，励磁机在第二转子上的电枢绕组将发出交流电，励磁机产生的交流电经过整流器进行整流后向发电机的励磁绕组供电，从而使得发电机设置在第一定子上的电枢绕组感应产生所需的交流电，以将发电机产生的交流电传输至负载。

具体地，在一实施方式中，无刷同步发电机的建模装置根据无刷同步发电机中的整理器搭建整流器模型，同时在无刷同步发电机的基础上虚拟出一耦合电阻，具体地，耦合电阻的两端并接在整流器的输出端中，无刷同步发电机的建模装置将根据虚拟的耦合电阻搭建耦合电阻模型。具体地，在本实施例中，无刷同步发电机的建模装置对耦合电阻模型与整流器模型进行组合，以形成整流器及耦合电阻模型。

步骤S12：在dqo坐标系下建立发电机模型。

具体地，在一实施方式中，无刷同步发电机的建模装置根据接收到发电机的电压、电流及励磁的相关数据在dqo坐标系下建立发电机模型。

步骤S13：在dqo坐标系下建立励磁机模型。

具体地，在一实施方式中，无刷同步发电机的建模装置根据接收到励磁机的电压、电流及励磁的相关数据在dqo坐标系下建立发励磁模型。

具体地，在本实施例中，发电机模型与励磁机模型为相同的数学模型。

步骤S14：利用整流器及耦合电阻模型将发电机模型与励磁机模型进行互联得到无刷同步发电机模型。

具体地，在一实施方式中，无刷同步发电机的建模装置利用整流器及耦合电阻模型输出的两路电压，以将两路电压的第一路电压传输至发电机模型，并将两路电压的第二路电压传输至励磁机模型，进而实现发电机模型与励磁机模型的互联，使得发电机模型、励磁机模型及整流器模型进行互联构成无刷同步发电机模型，有效地实现了无刷同步发电机中发电机与励磁机均为感性元器件进行互联建模的技术问题。

图2为本发明第二实施例的无刷同步发电机的建模方法的流程示意图。本实施例为无刷同步发电机的建模装置执行的无刷同步发电机的建模方法。如图1与图2所示，本实施例的无刷同步发电机的建模方法，搭建耦合电阻模型与整流器模型，并对耦合电阻模型与整流器模型进行处理得到整流器及耦合电阻模型的步骤包括以下步骤：

步骤S21：在无刷同步发电机中的整流器的直流输出端并接耦合电阻。

具体地，在一实施方式中，由于发电机、励磁机均为感性元器件，在数学建模时均需要电压作为输入量。而传统的整流器的数学建模得到的整流器模型只能使用输入到整流器一侧的电压与电流来计算输出整流器相对应另一侧的电压与电流，无法将整流器模型的两侧电压同时作为整流器模型的输出量。具体地，在本实施例中，无刷同步发电机的建模装置在对无刷同步发电机进行建模的过程中将在整流器的直流输出端并接一个耦合电阻进行解耦，从而能够避免整流器模型和发电机模型直接相连。具体地，无刷同步发电机的建模装置虚拟出的耦合电阻在无刷同步发电机进行工作时的功率要远小于发电机的功率，例如在一实施方式中，耦合电阻的功率要小于发电机的功率的百分之一，需要说明的是，在本实施例中，耦合电阻为大电阻，例如耦合电阻为千欧姆级别的电阻，且耦合电阻的电阻值要远大于发电机的电阻值。

步骤S22：根据耦合电阻搭建耦合电阻模型。

具体地，在本实施例中，无刷同步发电机的建模装置将根据耦合电阻进行搭建耦合电阻模型。具体地，耦合电阻模型将整流器模型中的输出电流值作为输入，并经过计算处理得到电压值，以将电压值进行输出。耦合电阻模型还将其得到的电压值反馈给整流器模型，以作为整流器模型的电压值得输入，使得整流器模型根据接收到的电压值进行处理输出相应的电压值。

步骤S23：根据整流器搭建整流器模型。

具体地，在本实施例中，无刷同步发电机的建模装置将根据无刷同步发电机中的整流器来搭建整流器模型。具体地，整流器模型将根据接收到励磁机模型输出的交流电流进行处理得到输出的直流电流。同时还可以根据耦合电阻模型反馈的电压值进行处理得到相应的电压值，以作为励磁机模型的电压输入。

步骤S24：将耦合电阻模型与整流器模型进行组合处理，以得到整流器及耦合电阻模型。

具体地，在本实施例中，无刷同步发电机的建模装置通过添加耦合电阻模型，与整流器模型进行组合，以形成整流器及耦合电阻模型，从而可以实现根据励磁机和发电机两侧电流输入进行计算处理，以得到输出两路电压值，进而将两路电压值相应反馈给励磁机和发电机，由此实现了发电机模型、励磁机模型和整流器模型之间的互联。具体地，由于整流器输出为直流电压，在其输出两端并接大阻值的耦合电阻，几乎可以等效为开路，对输出特性影响很小，不会降低无刷同步发电机模型的准确性。

请参考图3，图3为本发明第三实施例的无刷同步发电机的建模方法的流程示意图。如图1至图3所示，本实施例提供的无刷同步发电机的建模方法，将耦合电阻模型与整流器模型进行组合处理，以得到整流器及耦合电阻模型的步骤包括以下步骤：

步骤S31：获取耦合电阻模型中与耦合电阻相应的电流差及耦合电阻的电阻值，根据电流差与电阻值计算得到耦合电阻模型的第一输出电压。

具体地，在本实施例中，无刷同步发电机的建模装置对耦合电阻采用普通电阻模型，例如在一实施方式中，无刷同步发电机的建模装置模拟耦合电阻的电压与电流的伏安特性，得到耦合电阻模型，其中，耦合电阻模型中的输出的电压值得公式为：

U_R＝(i_con-i_fd)*R……………………………………………………(1)

其中，U_R为耦合电阻输出的电压，i_con为整流器向耦合电阻输入电流，i_fd为耦合电阻输出至励磁回路一侧的电流，R为耦合电阻的电阻值。具体地，在以实施方式中，耦合电阻输出的电压为耦合电阻模型的第一输出电压。

步骤S32：将第一输出电压反馈至整流器模型，以使整流器模型根据第一输出电压进行处理得到第二输出电压。

具体地，在本实施例中，无刷同步发电机的建模装置将耦合电阻模型输出的第一输出电压反馈至整流器模型。具体地，整理器模型根据接收到第一输出电压进行处理得到第二输出电压。

步骤S33：将第一输出电压与第二输出电压作为整流器及耦合电阻模型的两路输出电压。

具体地，在本实施例中，无刷同步发电机的建模装置将第一输出电压与第二输出电压作为整流器及耦合电阻模型的两路输出电压。具体地，整流器及耦合电阻模型将第一输出电压传输至发电机模型中，而将第二输出电压传输至励磁机模型中，从而满足无刷同步发电机中的发电机与励磁机等两个感性元器件的电压输入的需求。

请参考图4，图4为本发明第四实施例的无刷同步发电机的建模方法的流程示意图。如图1至图4所示，本实施例提供的无刷同步发电机的建模方法，利用整流器及耦合电阻模型将发电机模型与励磁机模型进行互联得到无刷同步发电机模型的步骤包括以下步骤：

步骤S41：将整流器及耦合电阻模型中的第一输出电压传输至发电机模型。

步骤S42：将整流器及耦合电阻模型中的第二输出电压传输至励磁机模型。

具体地，在本实施例中，无刷同步发电机的建模装置将整流器及耦合电阻模型中的第一输出电压传输至发电机模型中，同时将整流器模型中的第二输出电压传输至励磁机模型中，从而满足无刷同步发电机中的发电机与励磁机等两个感性元器件的电压输入的需求。

步骤S43：根据第一输出电压与第二输出电压对发电机模型、励磁机模型及整流器模型进行互联得到无刷同步发电机模型。

具体地，在本实施例中，无刷同步发电机的建模装置将根据第一输出电压与第二输出电压对发电机模型、励磁机模型及整流器模型进行互联得到无刷同步发电机模型。具体地，无刷同步发电机的建模装置通过添加耦合电阻模型，与整流器模型进行组合，以形成整流器及耦合电阻模型，从而可以实现根据励磁机和发电机两侧电流输入进行计算处理，以得到输出两路电压值，进而将两路电压值相应反馈给励磁机和发电机，由此实现了发电机模型、励磁机模型和整流器模型之间的互联。具体地，由于整流器输出为直流电压，在其输出两端并接大阻值的耦合电阻，几乎可以等效为开路，对输出特性影响很小，不会降低无刷同步发电机模型的准确性。

请参考图5，图5为本发明第五实施例的无刷同步发电机的建模方法的流程示意图。如图1与图5所示，本实施例提供的无刷同步发电机的建模方法，在dqo坐标系下建立发电机模型的步骤包括以下步骤：

步骤S51：根据发电机的电压、电流及磁链的关系分别建立电流状态变量电磁模型和磁链状态变量电磁模型。

具体地，在一实施方式中，磁链为导电线圈或电流回路所链环的磁通量。具体地，无刷同步发电机的建模装置在获取发电机的电压、电流及相应的磁链，以根据电压、电流及磁链的关系分别建立电流状态变量电磁模型和磁链状态变量电磁模型。

步骤S52：根据电流状态变量电磁模型与磁链状态变量电磁模型在dqo坐标系下建立磁链状态方程。

具体地，在一实施方式中，无刷同步发电机的建模装置对电流状态变量电磁模型与磁链状态变量电磁模型进行等效变换以得到发电机的等效电路，并根据发电机的等效电路进行坐标变化，以在dqo坐标系下建立磁链状态方程。

步骤S53：根据磁链状态方程搭建模块构成发电机的仿真模型，以得到发电机模型。

具体地，在一实施方式中，无刷同步发电机的建模装置根据磁链状态方程搭建模块构成发电机的仿真模型，以得到发电机模型。

具体地，在一实施方式中，无刷同步发电机的建模装置搭建发电机模型的过程如下：

具体地，无刷同步发电机的建模装置在dqo坐标系下建立发电机模型，根据发电机的电压、电流、磁链的关系分别建立电流状态变量-电磁模型和磁链状态变量-电磁模型，并根据电流状态变量-电磁模型和磁链状态变量-电磁模型进行处理得到磁链状态方程，进而根据磁链状态方程搭建模块构成发电机的仿真模型。

具体地，无刷同步发电机的建模装置首先对发电机的等效电路进行坐标变化，同步发电机3to2(abc-dq)坐标变化公式为：

进一步地，在dqo坐标系下，无刷同步发电机的建模装置根据电流状态变量-电磁模型和磁链状态变量-电磁模型进行处理得到磁链状态方程。

具体地，磁链状态方程为：

其中，

为发电机的磁链、V为发电机的电压、i为发电机的电流、ω_R为发电机的电角速度、R为发电机的绕组电阻、L为发电机的绕组自感、L_m为发电机的绕组互感、L_l为发电机的绕组漏感、P为极对数。具体地，下标d为d轴分量，下标q为q轴分量，下标fd为励磁分量，下标kd为阻尼绕组d轴分量，下标kp为阻尼绕组q轴分量，下标s为定子数据量。

需要说明的是，上述数学模型是在考虑发电机含有阻尼绕组的基础上推导出来的，当发电机没有阻尼绕组时，在上述数学模型的基础上去掉相应的电压及磁链方程即可。

进一步地，在本实施例中，无刷同步发电机的建模装置选取磁链为状态量，并采用四阶龙格库塔算法对发电机的电压磁链方程进行求解处理。具体地，发电机的电压磁链方程按龙格库塔算法表示公式为：

其中，

具体地，在一实施方式中，为便于模拟发电机的饱和特性，需将A中的L_md提出，以将公式(6)推导得：

其中，

具体地，在一实施方式中，发电机模型中如需要模拟饱和特性，无刷同步发电机的建模装置可将电感自感L_md通过查表的方式引入模型。

进一步地，在一实施方式中，为得到发电机的饱和特性，需要分析同步发电机的空载特性。发电机中的转子励磁绕组通入直流励磁电流，得到发电机中的定子绕组开路时的运行工况为空载工况，此时定子电流为零，磁场仅由转子励磁电流及励磁磁动势建立。具体地，无刷同步发电机的建模装置建立空载时的励磁电流、磁链

与V_q的关系为：

其中，V_q为定子相电压峰值，i_fds为折算到定子侧的励磁电流。

进一步地，无刷同步发电机的建模装置根据V_S定子线电压有效值和i_fd转子上真实的励磁电流。按照公式(7)进行推导得到：

其中，K为励磁绕组与定子绕组之间的匝比。

进一步地，无刷同步发电机的建模装置根据公式(5)至(8)可以得到磁链与电感自感L_md的对应关系。具体地，转矩可表达为：

请参考图6，图6为本发明第六实施例的无刷同步发电机的建模方法的流程示意图。如图1与图6所示，本实施例提供的无刷同步发电机的建模方法，在dqo坐标系下建立励磁机模型的步骤包括以下步骤：

步骤S61：根据励磁机的电压、电流及磁链的关系分别建立电流状态变量电磁模型和磁链状态变量电磁模型。

具体地，在一实施方式中，磁链为导电线圈或电流回路所链环的磁通量。具体地，无刷同步励磁机的建模装置在获取励磁机的电压、电流及相应的磁链，以根据电压、电流及磁链的关系分别建立电流状态变量电磁模型和磁链状态变量电磁模型。

步骤S62：根据电流状态变量电磁模型与磁链状态变量电磁模型在dqo坐标系下建立磁链状态方程。

具体地，在一实施方式中，无刷同步励磁机的建模装置对电流状态变量电磁模型与磁链状态变量电磁模型进行等效变换以得到励磁机的等效电路，并根据励磁机的等效电路进行坐标变化，以在dqo坐标系下建立磁链状态方程。

步骤S63：根据磁链状态方程搭建模块构成励磁机的仿真模型，以得到励磁机模型。

具体地，在一实施方式中，无刷同步励磁机的建模装置根据磁链状态方程搭建模块构成励磁机的仿真模型，以得到励磁机模型。

具体地，在本实施例中，无刷同步发电机中的发电机和励磁机均为同步发电机，且发电机和励磁机具有相同的数学模型。具体地，无刷同步发电机对励磁机搭建励磁机模型的过程可以参考如图5所示实施例的描述，在此不再赘述。

具体地，本实施例提供的无刷同步发电机的建模方法，通过仿真软件数学计算库(如：matlab/simulink库)开发，并均选用基础计算模块，根据数学原理搭建，使得无刷同步发电机建模的参数设置方便，且各个模型修改灵活，同时在实时仿真中占用资源少，并且可以选择较小的仿真步长，适用多种仿真场景。进一步地，本实施例提供的无刷同步发电机的建模方法，通过利用基础计算模块搭建耦合电阻模型与整流器模型，并对耦合电阻模型与整流器模型进行处理得到整流器及耦合电阻模型；在dqo坐标系下建立发电机模型；在dqo坐标系下建立励磁机模型；利用整流器及耦合电阻模型将发电机模型与励磁机模型进行互联得到无刷同步发电机模型，从而能够有效地解决模型计算发散的问题，并具有高稳定性、高实时性、高准确性的特点。更进一步地，本实施例提供的无刷同步发电机的建模方法，还通过将模型定点化等处理后，例如将建立的模型转化为FPGA板卡所需的要求，进而可以实现实时仿真器FPGA板卡运行，以达到ns级的仿真步长，远高于远实时仿真器CPU处理器板卡的us级的仿真步长。

请参考图7，图7为本发明第七实施例的无刷同步发电机的建模装置200的结构框图。本实施例提供的无刷同步发电机的建模装置200可用于实现上述无刷同步发电机的建模方法。如图7所示，本实施例提供的无刷同步发电机的建模装置200包括存储器210与处理器220。

具体地，在本实施例中，存储器210用于存储可执行程序代码。处理器220用于调用存储器210中的可执行程序代码，以实现无刷同步发电机的建模的步骤：搭建耦合电阻模型与整流器模型，并对耦合电阻模型与整流器模型进行处理得到整流器及耦合电阻模型；在dqo坐标系下建立发电机模型；在dqo坐标系下建立励磁机模型；利用整流器及耦合电阻模型将发电机模型与励磁机模型进行互联得到无刷同步发电机模型。

具体地，在一实施方式中，处理器220，执行搭建耦合电阻模型与整流器模型，并对耦合电阻模型与整流器模型进行处理得到整流器及耦合电阻模型的步骤具体执行的步骤包括：在无刷同步发电机中的整流器的直流输出端并接耦合电阻；根据耦合电阻搭建耦合电阻模型；根据整流器搭建整流器模型；将耦合电阻模型与整流器模型进行组合处理，以得到整流器及耦合电阻模型。

具体地，在一实施方式中，处理器220，执行将耦合电阻模型与整流器模型进行组合处理，以得到整流器及耦合电阻模型的步骤具体执行的步骤包括：获取耦合电阻模型中与耦合电阻相应的电流差及耦合电阻的电阻值，根据电流差与电阻值计算得到耦合电阻模型的第一输出电压；将第一输出电压反馈至整流器模型，以使整流器模型根据第一输出电压进行处理得到第二输出电压；将第一输出电压与第二输出电压作为整流器及耦合电阻模型的两路输出电压。

具体地，在一实施方式中，处理器220，执行利用整流器及耦合电阻模型将发电机模型与励磁机模型进行互联得到无刷同步发电机模型的步骤具体执行的步骤包括：将整流器及耦合电阻模型中的第一输出电压传输至发电机模型；将整流器及耦合电阻模型中的第二输出电压传输至励磁机模型；根据第一输出电压与第二输出电压对发电机模型、励磁机模型及整流器模型进行互联得到无刷同步发电机模型。

具体地，在一实施方式中，处理器220，执行在dqo坐标系下建立发电机模型的步骤具体执行的步骤包括：根据发电机的电压、电流及磁链的关系分别建立电流状态变量电磁模型和磁链状态变量电磁模型；根据电流状态变量电磁模型与磁链状态变量电磁模型在dqo坐标系下建立磁链状态方程；根据磁链状态方程搭建模块构成发电机的仿真模型，以得到发电机模型。

具体地，在一实施方式中，处理器220，执行在dqo坐标系下建立励磁机模型的步骤具体执行的步骤包括：根据励磁机的电压、电流及磁链的关系分别建立电流状态变量电磁模型和磁链状态变量电磁模型；根据电流状态变量电磁模型与磁链状态变量电磁模型在dqo坐标系下建立磁链状态方程；根据磁链状态方程搭建模块构成励磁机的仿真模型，以得到励磁机模型。

具体地，本实施例提供的无刷同步发电机的建模装置200，通过仿真软件数学计算库(如：matlab/simulink库)开发，并均选用基础计算模块，根据数学原理搭建，使得无刷同步发电机建模的参数设置方便，且各个模型修改灵活，同时在实时仿真中占用资源少，并且可以选择较小的仿真步长，适用多种仿真场景。进一步地，本实施例提供的无刷同步发电机的建模装置200，通过利用基础计算模块搭建耦合电阻模型与整流器模型，并对耦合电阻模型与整流器模型进行处理得到整流器及耦合电阻模型；在dqo坐标系下建立发电机模型；在dqo坐标系下建立励磁机模型；利用整流器及耦合电阻模型将发电机模型与励磁机模型进行互联得到无刷同步发电机模型，从而能够有效地解决模型计算发散的问题，并具有高稳定性、高实时性、高准确性的特点。更进一步地，本实施例提供的无刷同步发电机的建模装置200，还通过将模型定点化等处理后，例如将建立的模型转化为FPGA板卡所需的要求，进而可以实现实时仿真器FPGA板卡运行，以达到ns级的仿真步长，远高于远实时仿真器CPU处理器板卡的us级的仿真步长。

本实施例对无刷同步发电机的建模装置200的各功能单元实现各自功能的具体过程，请参见上述图1至图6所示实施例中描述的具体内容，在此不再赘述。

请参考图8，图8为本发明第八实施例的无刷同步发电机10的电路结构示意图。如图8所示，无刷同步发电机10包括发电机11、励磁机12及整流器13。具体地，发电机11的励磁绕组设置在第一转子(图未示出)上，发电机11的电枢绕组设置在第一定子(图未示出)上，以将发出的电输出到负载40中。励磁机12的电枢绕组设置在第二转子(图未示出)上，励磁机12的励磁绕组设置在第二定子(图未示出)上。具体地，励磁机12的励磁绕组接收励磁电源20输出的电压，励磁机12的电枢绕组的输出端与整流器13的输入端电连接，整流器13的输出端与发电机11的励磁绕组电连接，发电机11的电枢绕组的输出端与负载40电连接。

具体地，通过对励磁机12在第二定子上的励磁绕组提供励磁，励磁机12在第二转子上的电枢绕组将发出交流电，并将交流电传输至整流器13中。励磁机12产生的交流电经过整流后向发电机11在第一转子上的励磁绕组供电，从而使发电机11在第一定子上的电枢绕组感应出所需的交流电，并将交流电传输至负载40中。

进一步地，在一实施方式中，无刷同步发电机10还可以通过电压调节器30调节输出的交流电。

进一步地，在一实施方式中，无刷同步发电机10在构建数学模型中还进一步地包括虚拟的耦合电阻14。具体地，要实现无刷同步发电机10的数学建模，需要分别建立发电机模型、励磁机模型和整流器模型，并将发电机模型、励磁机模型和整流器模型之间的三者联合起来。然而，发电机11、励磁机12均为感性元器件，在数学建模时均需要电压作为输入量，而整流器13数学建模只能使用输入的整流器13一侧的电压与电流，来计算输出整流器13相对应另一侧的电压与电流，无法将整流器13两侧电压同时作为输出量。因此，按照传统的建模方法，发电机11、励磁机模型无法同时与整流器模型直接相连。具体地，在对无刷同步发电机10进行建模时在整流器13的输出端并接一个大于预设电阻值的耦合电阻14进行解耦，从而避免整流器模型和发电机模型直接相连。

具体地，在本实施例中，无刷同步发电机的建模装置200通过添加耦合电阻模型，与整流器模型进行组合，以形成整流器及耦合电阻模型，从而可以实现根据励磁机12和发电机11两侧电流输入进行计算处理，以得到输出两路电压值，进而将两路电压值相应反馈给励磁机12和发电机11，由此实现了发电机模型、励磁机模型和整流器模型之间的互联。具体地，由于整流器13输出为直流电压，在其输出两端并接大阻值的耦合电阻14，几乎可以等效为开路，对输出特性影响很小，不会降低无刷同步发电机模型的准确性。

请参考图9，图9为本发明第九实施例的无刷同步发电机模型100的结构框图。如图9所示，本实施例提供无刷同步发电机模型100为利用如上述的无刷同步发电机10的建模方法进行搭建的仿真模型。具体地，无刷同步发电机模型100具体搭建过程请参考如图1至图6所示实施例的描述，在此不再赘述。

具体地，在一实施方式中，无刷同步发电机模型100包括发电机模型110、励磁机模型120、整流器及耦合电阻模型130。励磁机模型120的第一励磁电压端Vfd_lici接收第一励磁电压，励磁机模型120的第一电枢电流端Is_lici向整流器及耦合电阻模型130的第二电枢电流端Is_lici输送电枢电流，励磁机模型120的第一电枢线电压端Ua_lici接收整流器及耦合电阻模型130的第二电枢线电压端Ua_lici输出的第一电枢线电压，励磁机模型120的第一机械角速度端wm_lici与发电机模型110的第二机械角速度端wm_zf均接收相同的机械角速度wm，发电机模型110的第一励磁电流端Ifd_zf向整流器及耦合电阻模型130的第二励磁电流端Ifd输送励磁电流，发电机模型110的第二励磁电压端Vfd_zf接收整流器及耦合电阻模型130的第三励磁电压端Vfd_zf发送的第二励磁电压，发电机模型110的第三电枢线电压端Ua_zf接收第二电枢线电压。具体地，在一实施方式中，发电机模型110中的电枢电流端Is_zf预留设置，励磁机模型120中的励磁电流端Ifd_lici预留设置。

请一并参考图10，图10为图9中的整流器及耦合电阻模型130的结构框图。如图9与图10所示，在本实施例中，整流器及耦合电阻模型130包括整流器模型132及耦合电阻模型134，耦合电阻模型134的第二励磁电流端Icn接收发电机模型110的第一励磁电流端Id输出的励磁电流，耦合电阻模型134的第一电阻电流端接收整流器模型132输出的电阻电流，耦合电阻模型134的电压输出端Ufd分别向整流器模型132的电压接收端Ud及发电机模型110的第二励磁电压端Vfd_zf输送第二励磁电压，整流器13的第二电阻电流端接收励磁机模型120的第一电枢电流端Is_lici输出的电枢电流，整流器模型132的电压输出端Ucon向励磁机模型120的第一电枢线电压端Ua_lici输送第一电枢线电压。

具体地，本实施例提供的无刷同步发电机模型、无刷同步发电机的建模方法及装置，通过增设耦合电阻模型来解决模型计算发散的问题，并有效地实现发电机模型、励磁机模型和整流器模型之间的三个模型的互联，以构建无刷同步发电机模型，能够有效的解决模型计算发散的问题，并具有高稳定性、高实时性及高准确性的特点。

此外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其内存储有计算机可执行指令，上述的计算机可读存储介质例如为非易失性存储器例如光盘、硬盘、或者闪存。上述的计算机可执行指令用于让计算机或者类似的运算装置完成上述的无刷同步发电机的建模方法中的各种操作。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于终端类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (10)

1.一种无刷同步发电机的建模方法，其特征在于，所述无刷同步发电机的建模方法包括：

搭建耦合电阻模型与整流器模型，并对所述耦合电阻模型与所述整流器模型进行处理得到整流器及耦合电阻模型；

在dqo坐标系下建立发电机模型；

在dqo坐标系下建立励磁机模型；

利用所述整流器及耦合电阻模型将所述发电机模型与所述励磁机模型进行互联得到无刷同步发电机模型。

2.如权利要求1所述的无刷同步发电机的建模方法，其特征在于，所述搭建耦合电阻模型与整流器模型，并对所述耦合电阻模型与所述整流器模型进行处理得到整流器及耦合电阻模型的步骤包括：

在无刷同步发电机中的整流器的直流输出端并接耦合电阻；

根据所述耦合电阻搭建耦合电阻模型；

根据所述整流器搭建整流器模型；

将所述耦合电阻模型与所述整流器模型进行组合处理，以得到所述整流器及耦合电阻模型。

3.如权利要求2所述的无刷同步发电机的建模方法，其特征在于，所述将所述耦合电阻模型与所述整流器模型进行组合处理，以得到所述整流器及耦合电阻模型的步骤包括：

获取耦合电阻模型中与所述耦合电阻相应的电流差及所述耦合电阻的电阻值，根据所述电流差与所述电阻值计算得到所述耦合电阻模型的第一输出电压；

将所述第一输出电压反馈至所述整流器模型，以使所述整流器模型根据所述第一输出电压进行处理得到第二输出电压；

将所述第一输出电压与所述第二输出电压作为所述整流器及耦合电阻模型的两路输出电压。

4.如权利要求3所述的无刷同步发电机的建模方法，其特征在于，所述利用所述整流器及耦合电阻模型将所述发电机模型与所述励磁机模型进行互联得到无刷同步发电机模型的步骤包括：

将所述整流器及耦合电阻模型中的第一输出电压传输至所述发电机模型；

将所述整流器及耦合电阻模型中的第二输出电压传输至所述励磁机模型；

根据所述第一输出电压与所述第二输出电压对所述发电机模型、所述励磁机模型及所述整流器模型进行互联得到所述无刷同步发电机模型。

5.如权利要求1所述的无刷同步发电机的建模方法，其特征在于，所述在dqo坐标系下建立发电机模型的步骤包括：

根据发电机的电压、电流及磁链的关系分别建立电流状态变量电磁模型和磁链状态变量电磁模型；

根据所述电流状态变量电磁模型与所述磁链状态变量电磁模型在dqo坐标系下建立磁链状态方程；

根据所述磁链状态方程搭建模块构成所述发电机的仿真模型，以得到所述发电机模型。

6.如权利要求1所述的无刷同步发电机的建模方法，其特征在于，所述在dqo坐标系下建立励磁机模型的步骤包括：

根据励磁机的电压、电流及磁链的关系分别建立电流状态变量电磁模型和磁链状态变量电磁模型；

根据所述电流状态变量电磁模型与所述磁链状态变量电磁模型在dqo坐标系下建立磁链状态方程；

根据所述磁链状态方程搭建模块构成所述励磁机的仿真模型，以得到所述励磁机模型。

7.一种无刷同步发电机的建模装置，其特征在于，所述无刷同步发电机的建模装置包括：

存储器，用于存储可执行程序代码；以及

处理器，用于调用所述存储器中的所述可执行程序代码，以实现如权利要求1至6中任一项所述的无刷同步发电机的建模方法。

8.一种无刷同步发电机模型，其特征在于，所述无刷同步发电机模型为利用如权利要求1至6中任一项所述的无刷同步发电机的建模方法进行搭建的仿真模型。

9.如权利要求8所述的无刷同步发电机模型，其特征在于，所述励磁机模型的第一励磁电压端接收第一励磁电压，所述励磁机模型的第一电枢电流端向所述整流器及耦合电阻模型的第二电枢电流端输送电枢电流，所述励磁机模型的第一电枢线电压端接收所述整流器及耦合电阻模型的第二电枢线电压端输出的第一电枢线电压，所述励磁机模型的第一机械角速度端与所述发电机模型的第二机械角速度端均接收相同的机械角速度，所述发电机模型的第一励磁电流端向所述整流器及耦合电阻模型的第二励磁电流端输送励磁电流，所述发电机模型的第二励磁电压端接收所述整流器及耦合电阻模型的第三励磁电压端发送的第二励磁电压，所述发电机模型的第三电枢线电压端接收第二电枢线电压。

10.如权利要求9所述的无刷同步发电机模型，其特征在于，所述整流器及耦合电阻模型包括整流器模型及耦合电阻模型，所述耦合电阻模型的第二励磁电流端接收所述发电机模型的第一励磁电流端输出的励磁电流，所述耦合电阻模型的第一电阻电流端接收所述整流器模型输出的电阻电流，所述耦合电阻模型的电压输出端分别向所述整流器模型的电压接收端及所述发电机模型的第二励磁电压端输送第二励磁电压，所述整流器的第二电阻电流端接收所述励磁机模型的第一电枢电流端输出的电枢电流，所述整流器模型的电压输出端向所述励磁机模型的第一电枢线电压端输送第一电枢线电压。

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