CN112953325A - 一种无刷双馈发电***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无刷双馈发电***及其控制方法,属于电机发电领域,所述控制方法包括:S1:采集无刷双馈电机的转速信号并设定功率绕组的期望频率;利用转速与两套定子绕组频率之间的关系计算控制绕组的期望频率;S2:将控制绕组的期望频率输入至逆变器,以使逆变器在V/F分离控制模式下分别调节控制绕组的电压及频率,以在变转速条件下保证无刷双馈电机中功率绕组工作于额定工作点;S3:获取实际直流母线电压,并利用实际直流母线电压和目标直流母线电压的差值及差值变化率对PI参数进行动态调整,以将实际直流母线电压调整至目标直流母线电压,实现直流母线的恒压控制。本发明使动态响应好、鲁棒性高、并提供稳定的直流母线电压。
Description
技术领域
本发明属于电机发电领域,更具体地,涉及一种无刷双馈发电***及其控制方法。
背景技术
随着人类社会的发展与物质水平的提升,能源短缺问题日益突出。因此,开发利用清洁的可再生能源和改进能源转换设备以提高能源利用率已成为近年来的研究热点。
无刷双馈电机以其结构可靠、励磁调节灵活等特性,在风力、水力、船舶轴带等变速发电领域具有广阔的应用前景,近些年备受关注。
然而,由于无刷双馈电机数学模型复杂,完全解耦的矢量控制较难实现,导致目前的发电***仍存在动态响应不佳,直流母线电压稳定性较差等问题,极易造成整个发电***的停机和崩溃。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种无刷双馈发电***,其目的在于解决传统无刷双馈发电***存在的控制***调节复杂、动态响应慢、直流母线电压稳定性差的缺点的技术问题。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种无刷双馈发电***的控制方法,包括:
S1:采集无刷双馈电机的转速信号并设定所述无刷双馈发电机中功率绕组的期望频率;利用转速与两套定子绕组频率之间的关系计算所述无刷双馈发电机中控制绕组的期望频率;
S2:将所述控制绕组的期望频率输入至逆变器,以使所述逆变器在V/F分离控制模式下分别调节所述控制绕组的电压及频率,以在变转速条件下保证所述无刷双馈电机中功率绕组工作于额定工作点;
S3:获取实际直流母线电压,并利用所述实际直流母线电压和目标直流母线电压的差值及差值变化率对PI参数进行动态调整,以将所述实际直流母线电压调整至所述目标直流母线电压,实现所述直流母线的恒压控制。
在其中一个实施例中,所述S1包括:
S11:利用编码器采集无刷双馈电机转速信号nr;
在其中一个实施例中,所述S3包括:
S32:将所述差值e及所述差值变化率ec输入模糊控制器,以使所述模糊控制器依据预设的模糊控制规则计算控制参数Kp与Ki;
S33:将所述控制参数Kp与Ki输入至PI控制器并动态调整所述PI参数以使所述PI控制器计算所述控制绕组的期望电压所述控制绕组的期望电压将所述实际直流母线电压调整为所述目标直流母线电压,实现所述直流母线的恒压控制。
在其中一个实施例中,所述S32包括:
将所述差值e及所述差值变化率ec输入模糊控制器;
控制所述模糊控制器进行依次输入隶属度函数进行模糊化处理、利用预设模糊规则表进行模糊推理,以及输出隶属度函数进行清晰化处理得到所述控制参数Kp与Ki。
在其中一个实施例中,所述预设模糊规则表包括:Kp模糊规则表和Ki模糊规则表。
按照本发明的另外一个方面,提供一种无刷双馈发电***,包括:
无刷双馈发电机,用于在转动过程中将原动机传递的机械能转化为交流电能;
不控整流模块,与所述无刷双馈发电机的功率绕组连接,用于将所述无刷双馈电机发出的所述交流电能整流为直流电能,并馈送至直流母线;
逆变器,与所述无刷双馈发电机的控制绕组连接,用于在V/F分离控制模式下分别调节所述无刷双馈电机中控制绕组的电压及频率;
频率开环控制模块,分别所述无刷双馈发电机和所述逆变器连接,用于获取所述无刷双馈发电机的转速信号,并在变转速条件下保证所述无刷双馈电机中功率绕组工作于额定工作点;
电压闭环控制模块,分别与所述直流母线和所述逆变器连接,用于获取实际直流母线电压,并利用所述实际直流母线电压和目标直流母线电压的差值及差值变化率动态调整PI参数,以将所述实际直流母线电压调整至所述目标直流母线电压。
在其中一个实施例中,所述电压闭环控制模块包括:
电压采样单元,搭载在所述直流母线上,用于采样所述实际直流母线电压;
模糊控制器,与所述电压采样单元连接,用于根据所述实际直流母线电压值与目标直流母线电压的差值及差值变化率生成控制参数KP和Ki;
PI控制器,与所述模糊控制器连接,用于在控制参数KP和Ki的作用下基于所述差值对所述PI参数进行动态调整,以适应具有非线性、时变性特征的工况。
在其中一个实施例中,所述模糊控制器用于将所述实际直流母线电压值与目标直流母线电压的差值及差值变化率进行模糊化、模糊推理、清晰化处理得到所述控制参数KP和Ki;
其中,进行模糊推理过程中利用KP模糊规则表和Ki模糊规则表找出输出值对应的隶属度。
在其中一个实施例中,所述电压闭环控制模块还包括:
减法器,与所述电压采样单元、所述模糊控制器和所述PI控制器连接,用于获取所述实际直流母线电压值与目标直流母线电压的差值,并传输给所述模糊控制器;还用于将所述差值传输给所述PI控制器;
微分器,与所述减法器和所述模糊控制器连接,用于将接收到的所述差值进行求导得到差值变化率,并传输给所述模糊控制器。
在其中一个实施例中,所述频率开环控制模块包括:
编码器,与所述无刷双馈发电机连接,用于采样所述无刷双馈电机的转速信号;
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
1.本发明提供一种无刷双馈发电***的控制方法,利用V/F分离变频器独立控制无刷双馈电机控制绕组电压及频率,频率采用开环跟踪转速控制方法,电压由直流母线控制闭环中的模糊PI控制器给定。本发明能够使***动态响应好,鲁棒性高;可实现无刷双馈发电***变速、变载等工况下母线电压的相对稳定,为无刷双馈发电***后续逆变出稳定的交流电供给负载提供了可靠的直流母线电压。
2.本发明提供无刷双馈发电***的控制方法包括控制绕组频率开环控制及直流母线电压闭环控制;所述控制绕组频率开环控制用以跟踪所述无刷双馈电机转速变化,在变转速条件下保证所述无刷双馈电机功率绕组工作于额定工作点,通过改变工作点频率亦可提升所述无刷双馈发电***效率。直流母线电压闭环控制采用模糊PI控制方法,以适应无刷双馈发电***变转速、变负载等工况。本发明提供的无刷双馈发电***的控制方法提升了无刷双馈发电***的性能,***动态响应好,鲁棒性高,可实现无刷双馈发电***变速、变载等工况下母线电压的相对稳定,为无刷双馈发电***后续逆变出稳定的交流电供给负载提供了可靠的直流母线电压。
3.本发明提供的无刷双馈发电***的控制方法基于双变频无刷双馈发电拓扑,通过拓扑结构创新,相对于传统单变频器无刷双馈发电***而言,免去了对电机数学模型的详细推导和控制算法的开发,可以显著节省研发成本和时间,并且提高了直流母线电压的稳定性和发电***的动态响应;无刷双馈发电***无需掌握无刷双馈电机的精确数学模型,其核心控制目标为控制直流母线电压稳定,一般采用直流母线电压闭环实现这一目标。但由于无刷双馈发电***数学模型复杂,且具有变速、变载等工况,表现为一非线性、时变性的控制对象,因此传统的PI调节器难以实现全工况下的***稳定运行,采用模糊控制器即时根据输入偏差及偏差变化率调整PI控制器的参数Kp、Ki,它的响应特性优于普通PI控制,并且具有较好的鲁棒性,针对非线性和时变性的无刷双馈发电***,可取得较满意的控制效果。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的无刷双馈发电***的控制方法的流程图;
图2为本发明一实施例提供的无刷双馈发电***的控制方法中直流母线电压控制的流程图;
图3为本发明一实施例提供的模糊控制器工作过程的流程图;
图4是本发明一实施例提供的无刷双馈发电***的结构示意图;
图5为本发明一实施例提供的无刷双馈发电***突加负载时功率绕组电压、控制绕组电压、直流母线电压的波形仿真图;
图6为本发明一实施例提供的无刷双馈发电机突变转速时功率绕组电压、直流母线电压的波形仿真图图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种无刷双馈发电***的控制方法,如图1所示,包括:S1:采集无刷双馈电机的转速信号并设定无刷双馈发电机中功率绕组的期望频率;利用转速与两套定子绕组频率之间的关系计算无刷双馈发电机中控制绕组的期望频率;S2:将控制绕组的期望频率输入至逆变器,以使逆变器在V/F分离控制模式下分别调节控制绕组的电压及频率,以在变转速条件下保证无刷双馈电机中功率绕组工作于额定工作点;S3:获取实际直流母线电压,并利用实际直流母线电压和目标直流母线电压的差值及差值变化率对PI参数进行动态调整,以将实际直流母线电压调整至目标直流母线电压,实现直流母线的恒压控制。
具体的,本发明控制方法涉及控制绕组频率开环控制及直流母线电压闭环控制;控制绕组频率开环控制用以跟踪无刷双馈电机转速变化,在变转速条件下保证无刷双馈电机功率绕组工作于额定工作点,通过改变工作点频率亦可提升无刷双馈发电***效率。直流母线电压闭环控制采用模糊PI控制方法,以适应无刷双馈发电***变转速、变负载等工况。本发明进一步提升了无刷双馈发电***的性能,***动态响应好,鲁棒性高,可实现无刷双馈发电***变速、变载等工况下母线电压的相对稳定,为无刷双馈发电***后续逆变出稳定的交流电供给负载提供了可靠的直流母线电压。
其中,无刷双馈发电***首先需要外部励磁电源对直流母线进行预充电,保证逆变器具有输出能力;逆变器给控制绕组输出一定电压时,转子中将感应出对称交流电势与电流,转子部分中除产生与控制绕组极对数相同的磁场外,还将产生与功率绕组极对数相同的反向旋转磁场,该磁场在功率绕组中感应出交流电势。功率绕组产生的电能通过不控整流模块馈送至直流母线侧,断开外部励磁电源,直流母线电压完全由***内部建立,为维持直流母线电压稳定。本发明提供的控制方法具体如下:
其次,模糊控制器根据制定的模糊控制规则计算电压闭环中的PI控制器参数Kp与Ki,将参数输入至PI控制器参数设定环节。
图2为本发明一实施例提供的无刷双馈发电***的控制方法中直流母线电压控制的流程图。在其中一个实施例中,S1包括:S11:利用编码器采集无刷双馈电机转速信号nr;S12:设置功率绕组的期望频率将转速信号和功率绕组的期望频率输入公式计算得到控制绕组的频率期望fc *;其中,Pp为功率绕组的极对数,Pc为控制绕组的极对数。
在其中一个实施例中,S3包括:S31:利用电压采样单元采集实际直流母线电压Udc;计算目标直流母线电压期望值与实际直流母线电压Udc的差值e及差值变化率ec;S32:将差值e及差值变化率ec输入模糊控制器,以使模糊控制器依据预设的模糊控制规则计算控制参数Kp与Ki;S33:将控制参数Kp与Ki输入至PI控制器并动态调整PI参数以使PI控制器计算控制绕组的期望电压控制绕组的期望电压将实际直流母线电压调整为目标直流母线电压,实现直流母线的恒压控制。
在其中一个实施例中,S32包括:将差值e及差值变化率ec输入模糊控制器;控制模糊控制器进行依次输入隶属度函数进行模糊化处理、利用预设模糊规则表进行模糊推理,以及输出隶属度函数进行清晰化处理得到控制参数Kp与Ki。模糊控制器输入输出规则制定如下:模糊控制器处理过程主要包括三个过程:模糊化,模糊推理,清晰化。
图3为本发明一实施例提供的模糊控制器工作过程的流程图;其中,模糊化处理的过程为:将采集到的偏差e及偏差的变化率ec按照实际可能的结果划分为8个区间,区间端点按照从小到大的顺序依次表示为NB、NM,NS,ZO,PS,PM,PB,实际值落在某个区间内,计算其属于区间端点值的隶属度。
模糊推理的过程为:对于采集回来的e和ec,可以推出它们各所占的隶属度,此时可以根据模糊规则表去找出输出值所对应的隶属度。
在其中一个实施例中,预设模糊规则表包括:Kp模糊规则表和Ki模糊规则表。
Kp模糊规则表
Ki模糊规则表
清晰化处理的过程如下:输出值设为八个部分,即7个隶属值NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB。根据上一步所得出的结论,就可以用隶属度乘以相应的隶属值算出输出值Kp及Ki。
本发明提供一种无刷双馈发电***,如图4所示,包括:无刷双馈发电机、不控整流模块、逆变器、频率开环控制模块和电压闭环控制模块。其中,无刷双馈发电机,用于在转动过程中将原动机传递的机械能转化为交流电能;不控整流模块,与交流电能无刷双馈发电机的功率绕组连接,用于将交流电能无刷双馈电机发出的交流电能交流电能整流为直流电能,并馈送至直流母线;逆变器,与交流电能无刷双馈发电机的控制绕组连接,用于在V/F分离控制模式下分别调节交流电能无刷双馈电机中控制绕组的电压及频率;频率开环控制模块,分别交流电能无刷双馈发电机和交流电能逆变器连接,用于获取交流电能无刷双馈发电机的转速信号,并在变转速条件下保证交流电能无刷双馈电机中功率绕组工作于额定工作点;电压闭环控制模块,分别与直流母线和逆变器连接,用于获取实际直流母线电压,并利用实际直流母线电压和目标直流母线电压的差值及差值变化率动态调整PI参数,以将实际直流母线电压调整至目标直流母线电压。
其中,无刷双馈电机用以将原动机传递的机械能转化为电能。不控整流模块用以将无刷双馈电机发出的交流电整流为直流电馈送至直流母线侧。电压采样单元用以采样实际直流母线电压作为反馈量输入至直流母线控制闭环;编码器用以采样无刷双馈电机转速值,输入至频率控制环进行频率控制。模糊控制器根据实际直流母线电压的偏差及偏差变化率通过模糊规则表动态改变直流母线控制闭环中的PI参数,用以适应具有非线性、时变性特征的无刷双馈发电***的复杂工况。
在其中一个实施例中,如图4所示,电压闭环控制模块包括:电压采样单元,搭载在直流母线上,用于采样实际直流母线电压;模糊控制器,与电压采样单元连接,用于根据实际直流母线电压值与目标直流母线电压的差值及差值变化率生成控制参数KP和Ki;PI控制器,与模糊控制器连接,用于在控制参数KP和Ki的作用下基于差值对PI参数进行动态调整,以适应具有非线性、时变性特征的工况。
在其中一个实施例中,模糊控制器用于将实际直流母线电压值与目标直流母线电压的差值及差值变化率进行模糊化、模糊推理、清晰化处理得到控制参数KP和Ki;
其中,进行模糊推理过程中利用KP模糊规则表和Ki模糊规则表找出输出值对应的隶属度。
在其中一个实施例中,如图4所示,电压闭环控制模块还包括:减法器,与电压采样单元、模糊控制器和PI控制器连接,用于获取实际直流母线电压值与目标直流母线电压的差值,并传输给模糊控制器;还用于将差值传输给PI控制器;微分器,与减法器和模糊控制器连接,用于将接收到的差值进行求导得到差值变化率,并传输给模糊控制器。
在其中一个实施例中,如图4所示,频率开环控制模块包括:编码器,与无刷双馈发电机连接,用于采样无刷双馈电机的转速信号;调节器,与交流电能编码器和交流电能逆变器连接,用于输入功率绕组的期望频率利用交流电能转速信号nr、交流电能功率绕组的期望频率计算得到控制绕组频率的期望频率fc *,以保证在变转速条件下交流电能功率绕组工作于额定工作点。
图5为本发明一实施例提供的无刷双馈发电***突加负载时功率绕组电压、控制绕组电压、直流母线电压的波形仿真图;图6为本发明一实施例提供的无刷双馈发电机突变转速时功率绕组电压、直流母线电压的波形仿真图图。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无刷双馈发电***的控制方法,其特征在于,包括:
S1:采集无刷双馈电机的转速信号并设定所述无刷双馈发电机中功率绕组的期望频率;利用转速与两套定子绕组频率之间的关系计算所述无刷双馈发电机中控制绕组的期望频率;
S2:将所述控制绕组的期望频率输入至逆变器,以使所述逆变器在V/F分离控制模式下分别调节所述控制绕组的电压及频率,以在变转速条件下保证所述无刷双馈电机中功率绕组工作于额定工作点;
S3:获取实际直流母线电压,并利用所述实际直流母线电压和目标直流母线电压的差值及差值变化率对PI参数进行动态调整,以将所述实际直流母线电压调整至所述目标直流母线电压,实现所述直流母线的恒压控制。
4.如权利要求3所述的无刷双馈发电***的控制方法,其特征在于,所述S32包括:
将所述差值e及所述差值变化率ec输入模糊控制器;
控制所述模糊控制器进行依次输入隶属度函数进行模糊化处理、利用预设模糊规则表进行模糊推理,以及输出隶属度函数进行清晰化处理得到所述控制参数Kp与Ki。
5.如权利要求4所述的无刷双馈发电***的控制方法,其特征在于,所述预设模糊规则表包括:Kp模糊规则表和Ki模糊规则表。
6.一种无刷双馈发电***,其特征在于,包括:
无刷双馈发电机,用于在转动过程中将原动机传递的机械能转化为交流电能;
不控整流模块,与所述无刷双馈发电机的功率绕组连接,用于将所述无刷双馈电机发出的所述交流电能整流为直流电能,并馈送至直流母线;
逆变器,与所述无刷双馈发电机的控制绕组连接,用于在V/F分离控制模式下分别调节所述无刷双馈电机中控制绕组的电压及频率;
频率开环控制模块,分别所述无刷双馈发电机和所述逆变器连接,用于获取所述无刷双馈发电机的转速信号,并在变转速条件下保证所述无刷双馈电机中功率绕组工作于额定工作点;
电压闭环控制模块,分别与所述直流母线和所述逆变器连接,用于获取实际直流母线电压,并利用所述实际直流母线电压和目标直流母线电压的差值及差值变化率动态调整PI参数,以将所述实际直流母线电压调整至所述目标直流母线电压。
7.如权利要求6所述的无刷双馈发电***,其特征在于,所述电压闭环控制模块包括:
电压采样单元,搭载在所述直流母线上,用于采样所述实际直流母线电压;
模糊控制器,与所述电压采样单元连接,用于根据所述实际直流母线电压值与目标直流母线电压的差值及差值变化率生成控制参数KP和Ki;
PI控制器,与所述模糊控制器连接,用于在控制参数KP和Ki的作用下基于所述差值对所述PI参数进行动态调整,以适应具有非线性、时变性特征的工况。
8.如权利要求7所述的无刷双馈发电***,其特征在于,所述模糊控制器用于将所述实际直流母线电压值与目标直流母线电压的差值及差值变化率进行模糊化、模糊推理、清晰化处理得到所述控制参数KP和Ki;
其中,进行模糊推理过程中利用KP模糊规则表和Ki模糊规则表找出输出值对应的隶属度。
9.如权利要求7所述的无刷双馈发电***,其特征在于,所述电压闭环控制模块还包括:
减法器,与所述电压采样单元、所述模糊控制器和所述PI控制器连接,用于获取所述实际直流母线电压值与目标直流母线电压的差值,并传输给所述模糊控制器;还用于将所述差值传输给所述PI控制器;
微分器,与所述减法器和所述模糊控制器连接,用于将接收到的所述差值进行求导得到差值变化率,并传输给所述模糊控制器。
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CN116827177A (zh) * | 2023-08-29 | 2023-09-29 | 四川普鑫物流自动化设备工程有限公司 | 一种无刷直流电机转速控制方法、***、设备和存储介质 |
CN116827177B (zh) * | 2023-08-29 | 2023-12-01 | 四川普鑫物流自动化设备工程有限公司 | 一种无刷直流电机转速控制方法、***、设备和存储介质 |
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