CN113765456B - 一种双三相永磁同步发电机稳压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双三相永磁同步发电机新型稳压控制方法，新型稳压控制策略由交轴电流计算和电容储能比例积分控制器构成，生成交轴电流内环的参考值；利用直流母线能量和功率交换数学模型，得到交轴电流计算公式，由直流母线电容的充电功率和负载功率构成；考虑到实际***存在损耗，简化的公式计算存在一定误差，利用电容储能比例积分控制器补偿，提升母线电压控制精度；四维空间下的电流内环均采用比例积分控制器，电流内环的输出经过交直轴解耦、坐标变换，采用最大四矢量空间电压矢量调制，控制整流器桥臂的开关。本发明能够有效地加快母线电压恢复速度，降低母线电压波动幅值，实现双三相永磁同步发电机***直流母线电压的高性能控制。

Description

一种双三相永磁同步发电机稳压控制方法

技术领域

本发明涉及双三相永磁同步发电机领域，尤其涉及一种直流母线电压外环的稳压控制领域，具体是一种双三相永磁同步发电机稳压控制策略，有利于加快母线电压恢复速度，降低母线电压波动幅值，实现母线电压的高性能控制。

背景技术

随着特种车辆、军舰船舶和飞行器等高端装备的全电化发展，以发电机为核心的直流电能***备受关注。因用电负载的工况复杂多变，对直流电能***提出更高的要求。在此技术背景下，一种双三相永磁同步发电机，以其低压大功率的特性和能够适应装备空间、输出电压约束的特点，被广泛认为在特种装备整流***中具有广阔的应用前景。

直流电能***中的负载形式多样、工况复杂。目前，传统的发电机整流控制，电压外环采用比例积分控制器，不能够及时响应负载的快速变化，存在电压恢复时间长、电压波动大等缺点，不利于用电设备的可靠运行。因此，从永磁同步发电机PWM整流稳压控制的角度，需要发明出与负载功率突变相适应的控制策略。本发明根据母线电容能量与功率交换的数学模型，得到直接计算交轴电流的方法，能够有效降低直流侧母线电压波动幅值、加快母线电压恢复速度，为负载提供稳定可靠的直流电能，确保***的安全运行。

另一方面，因为***中存在损耗且不易估算，造成交轴电流计算存在误差，使用电容储能反馈比例积分控制的方式，补偿这部分误差，物理意义更加明确，有利于提升母线电压控制精度。矢量控制能够对定子电流谐波具有较好的抑制效果，电流波形畸变小、转矩脉动低等优点，在电机控制领域被广泛使用。双三相永磁同步发电机整流***采用矢量控制，可以减少谐波带来的损耗，有利于提高交轴电流的计算准确度，减少因***损耗带来的计算误差。

发明内容

本发明针对传统的母线电压外环比例积分控制存在电压恢复时间长、电压波动大等问题。利用母线电容能量和功率交换数学模型，推导得到交轴电流的计算公式，直接作为交轴电流内环的给定，从而提升母线电压的响应速度。因整流***存在损耗，交轴电流计算公式存在误差，利用电容储能反馈比例积分控制器，补偿这部分误差，提升母线电压的控制精度。为了进一步减少***损耗对交轴电流计算公式的影响，对四维电流内环进行比例积分控制，采用最大四矢量空间电压矢量，降低相电流的畸变，减少发电机的谐波损耗，提升交轴电流的计算准确性。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种双三相永磁同步发电机稳压控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据母线电容所储存的能量与功率交换数学模型，提出直接计算出交轴电流内环的给定值；

步骤2：考虑到实际整流***存在损耗，交轴电流的计算会存在误差，提出利用电容储能反馈比例积分控制器，补偿这部分误差；

步骤3：交轴电流的计算和电容储能反馈共同配合，生成交轴电流内环的参考值；

步骤4：四维电流内环均使用比例积分控制器，采用最大四矢量空间电压矢量，降低相电流的畸变，减少发电机的谐波损耗，提升交轴电流的计算准确性。

进一步，所述步骤1中：

直流侧母线电容所储存的能量可表示为：

式中，E_C表示母线电容所储能量；C为母线电容容值；U_dc表示母线电容电压；

电容所储存的能量与其充电功率构成微分关系，故电容的充电功率可以表示成：

式中，P_C表示电容充电功率；

不考虑整流器损耗，以直流侧电容为节点，列写电容两端的瞬时功率平衡方程：

式中，P_S为永磁同步发电机输出的有功功率；i_dc为直流母线负载电流；

电机的交直轴定子电压方程：

式中，L_d、L_q分别为d-q轴电感，i_d、i_q分别为d-q轴电流，Rs为定子电阻，ψ_f为永磁磁链幅值，ω_e为电角速度；

将上式代入电容两端的瞬时功率平衡方程，得到具体的瞬时功率平衡关系为：

上式中，左边为母线电容充电功率，右边第一项为发电机输出的电磁功率，第二项为负载消耗功率，其余项为定子电阻、电感上的损耗，若忽略这些损耗，则可以简化得到母线电容能量与功率交换数学模型为：

进一步整理，可以得到理想的交轴电流计算公式为：

实际***采用数字控制实现，则进一步整理上式，得到直接计算交轴电流内环的给定值为：

式中，为直接计算得到的交轴电流内环给定值；/>为母线电压给定值；T_t为电容储能达到给定的预计时间；

交轴电流的计算包含两部分，一是负载功率计算，二是电容充电功率计算；将母线电压的给定值/>与实际母线电流采样值i_dc相乘，获得负载功率，在空载情况下电容充电过程，以T_t作为电容储能调节时间，得到该段时间内电容充电的平均功率为：

式中，为在T_t时间内电容充电的平均功率；

在k时刻，电容尚未达到目标储能量，假定经过T_t时间后，能充电至目标状态。按此时需要的充电功率，计算交轴电流所需大小，至k+1时刻，根据新的充电功率计算交轴电流大小，依此类推，充电功率逐步下降，最终达到目标储能量。

进一步，所述步骤2中：

实际***存在损耗，例如电机定子电阻损耗、电机电感损耗、整流器开关损耗、母线电容寄生参数损耗等，这些损耗导致交轴电流计算有误差，采用电容储能反馈比例积分控制器补偿误差，补偿部分的交轴电流由下式给出：

式中，为电容储能反馈控制器补偿的交轴电流；ΔE_C为给定母线电容储能能量与实际所储能量差值；/>为电容储能反馈控制器比例系数；/>为电容储能反馈控制器积分系数；s为拉普拉斯变换的复变量。

进一步，所述步骤3中：

交轴电流内环的参考值由两部分组成，第一部分是通过公式直接计算得到的交轴电流给定的主要分量其由电容充电功率和负载功率构成，提供发电机主要的输出电磁功率，在负载动态变化的过程中，迅速调整给定值，加快电压外环的响应；

第二部分是电容储能反馈比例积分控制器的输出作为交轴电流给定的补偿分量实际***损耗存在且不易估算，需要精确的电机和整流器模型，为了补偿这部分损耗造成的交轴电流计算误差，引入电容储能反馈，达到母线电压的控制精度；

交轴电流内环的参考值可表示为：

进一步，所述步骤4中：

采用多相电机矢量空间解耦的方法，在自然坐标系下，将双三相电机的物理量分解到3个正交解耦的静止坐标系中，依次为：包含基波和12k±1(k＝1,2,···)次谐波的α-β子空间；包含6k±1(k＝1,3,5,···)次谐波的z₁-z₂子空间；包含6k±3(k＝1,3,5,···)次谐波的o₁-o₂零序子空间，采用两套绕组N₁、N₂中性点隔离的方式时，该空间的变量均为零，将α-β子空间再变换到旋转坐标系下，按照电动机惯例，最终得到四维空间下的电压方程：

式中，u_d、u_q分别为d-q轴电压，u_z1、u_z2分别为z₁-z₂轴电压，L_z1、L_z2分别为z₁-z₂轴电感；i_z1、i_z2分别为z₁-z₂轴电流；

z₁-z₂子空间主要考虑五次、七次谐波，对应的谐波转矩可表示为：

式中，T_e5、T_e7为5次、7次谐波转矩；p为电机极对数；i_q5、i_q7为5次、7次谐波电流；θ为电角度；

从上式可以得出，控制谐波电流为零，可以减少发电机谐波在电机绕组上的损耗，由于交轴电流的计算与发电机输出的电磁功率有关，所以抑制谐波转矩，进而减少发电机电磁功率在绕组上的损耗，有利于提升交轴电流的计算准确性；双三相整流器根据每相开关状态的不同组合，得到64个空间电压矢量，分为12个扇区，为了控制谐波面电流，通常选取离目标矢量最近的四个大矢量为参考电压矢量，矢量的选取考虑z₁-z₂子空间下的电压合成效果为零，可以有效地降低谐波面电流.

本发明的有益效果是：

1、本发明通过利用母线电容能量和功率交换数学模型，推导出交轴电流的计算公式，替代传统方法仅依赖比例积分控制器调节的电压外环。有效降低母线电压波动幅值、加快母线电压响应速度，提升母线电压运行的可靠性；

2、采用电容储能反馈比例积分控制器的方式，补偿***中电机、整流器等损耗带来的交轴电流计算误差，提升母线电压控制精度；

3、本发明所提出的控制方法，可以满足特种车辆、军舰船舶、飞行器等高新技术领域对母线电压高性能运行的要求，具有较好地抗负载扰动能力，提高双三相永磁同步发电机整流***在上述领域的地位。

附图说明

图1为基于稳压控制策略的双三相永磁同步发电机控制框图；

图2为基于稳压控制策略的双三相永磁同步发电机电压外环控制框图；

图3为母线电容充电示意图；

图4为发电机整流***加载时传统方法的母线电压响应波形图；

图5为发电机整流***加载时本发明的母线电压响应波形图；

图6为发电机整流***加载时本发明的交轴电流分量图。

具体实现方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1结构框图所示，本发明是一种双三相永磁同步发电机稳压控制策略，主要包括交轴电流计算和电容储能反馈的方法，其具体措施如下：

1、构建被控***：被控***由双三相永磁同步发电机与六相PWM整流器组成。

本发明控制对象为中性点隔离的双三相表贴式永磁同步发电机，即将发电机的两套绕组隔离，各相绕组分别接至六相整流器，使用三相永磁同步电动机拖动双三相发电机旋转发电。

2、采集光电编码传感器信息，获得发电机的速度和位置；采集相电流传感器信息，获得电机各相电流，进行坐标变换后，用于四维空间下的电流内环控制。

采用多相电机矢量空间解耦的方法，在自然坐标系下，将双三相电机的六相电流i_a,i_b,i_c,i_d,i_e,i_f分解到3个正交解耦的静止坐标系中，依次为：包含基波和12k±1(k＝1,2,···)次谐波的α-β子空间；包含6k±1(k＝1,3,5,···)次谐波的z1-z2子空间；包含6k±3(k＝1,3,5,···)次谐波的o1-o2零序子空间，采用两套绕组N1、N2中性点隔离的方式时，该空间的变量均为零。将α-β子空间再变换到旋转坐标系下，以获得一系列变换后下电机电流i_d,i_q,i_z1,i_z2,i_o1,i_o2。具体坐标变换矩阵如下：

根据以上的坐标变换矩阵，可以得到发电机在四维空间下的电压方程：

式中，L_d、L_q、i_d和i_q分别为d-q轴电感和电流，L_z1、L_z2、i_z1和i_z2分别为z₁-z₂轴电感和电流，Rs为定子电阻，ψ_f为永磁磁链幅值，ω_e为电角速度。

在旋转坐标系下，永磁同步发电机输出的有功功率为：

P_s＝-3(u_di_d+u_qi_q)

式中，P_S为永磁同步发电机输出的有功功率；u_d、u_q分别为d-q轴电压。

双三相永磁同步发电机的电磁转矩方程为：

T_e＝-3p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]

式中，p为电机极对数。

因表贴式永磁同步电机L_d＝L_q，发电机输出的电磁功率为：

P_e＝T_eΩ＝-3ψ_fω_ei_q

式中，Ω为电机机械速度。

当发电机在i_d＝0控制方式下，由上式可以看出，通过调节i_q的大小，可以控制发电机的输出电磁功率。

3、根据物理学中对电容器的定义，直流侧母线电容所储存的能量为：

式中，E_C表示母线电容所储能量；C为母线电容容值；U_dc表示母线电容电压。

电容所储存的能量与其充电功率构成微分关系，故电容的充电功率可以表示成：

式中，P_C表示电容充电功率。

不考虑整流器损耗，以直流侧电容为节点，列写电容两端的瞬时功率平衡方程：

式中，P_S为永磁同步发电机输出的有功功率；i_dc为直流母线负载电流。

电机的交直轴定子电压方程：

将上式代入电容两端的瞬时功率平衡方程，得到具体的瞬时功率平衡关系为：

其中，左边为母线电容充电功率，右边第一项为发电机输出的电磁功率，第二项为负载消耗功率，其余项为定子电阻、电感上的损耗。若忽略这些损耗，则可以简化得到母线电容能量与功率交换数学模型为：

进一步整理，可以得到理想的交轴电流计算公式为：

实际***采用数字控制实现，则进一步整理上式，得到直接计算交轴电流内环的给定值为：

式中，为直接计算得到的交轴电流内环给定值；/>为母线电压给定值；T_t为电容储能达到给定的预计时间。

交轴电流的计算包含两部分，一是负载功率计算，二是电容充电功率计算。采集母线电流，用于交轴电流的计算。将母线电压的给定值/>与实际母线电流采样值i_dc相乘，获得负载功率。

在空载情况下电容充电过程如图2所示，T_t作为电容储能调节时间，得到该段时间内电容充电的平均功率为：

式中，为在T_t时间内电容充电的平均功率。

在k时刻，电容尚未达到目标储能量，假定经过T_t时间后，能充电至目标状态。按此时需要的充电功率，计算交轴电流所需大小。至k+1时刻，根据新的充电功率计算交轴电流大小，依此类推，充电功率逐步下降，最终达到目标储能量。

4、实际***存在损耗，例如电机定子电阻损耗、电机电感损耗、整流器开关损耗、母线电容寄生参数损耗等。这些损耗导致交轴电流计算有误差，采用电容储能反馈比例积分控制器补偿误差，补偿部分的交轴电流由下式给出：

式中，为电容储能反馈控制器补偿的交轴电流；ΔE_C为给定母线电容储能能量与实际所储能量差值；/>为电容储能反馈控制器比例系数；/>为电容储能反馈控制器积分系数；s为拉普拉斯变换的复变量。

5、采集电容两端电压，计算电容储能量，与电容储能给定值比较。本发明的稳压控制策略如图3所示，将电容储能差值送至交轴电流计算和电容储能反馈PI控制器，得到交轴电流内环控制的给定值。

交轴电流内环的参考值由两部分组成，第一部分是通过公式直接计算得到的交轴电流给定的主要分量其由电容充电功率和负载功率构成，可以提供发电机主要的输出电磁功率。在负载动态变化的过程中，迅速调整给定值，加快电压外环的响应。

第二部分是电容储能反馈比例积分控制器的输出作为交轴电流给定的补偿分量实际***损耗存在且不易估算，需要精确的电机和整流器模型。为了补偿这部分损耗造成的交轴电流计算误差，引入电容储能反馈，达到母线电压的控制精度。

交轴电流内环的参考值可表示为：

6、四维电流内环控制，交轴电流i_q的控制以电压外环的输出作为给定值，控制直轴电流i_d为零，z₁-z₂子空间下的电流也为零。电流环的输出，经过交直轴解耦、Park逆变换后，采用最大四矢量空间电压调制。双三相整流器根据每相开关状态的不同组合，可以得到64个空间电压矢量，分为12个扇区。通常选取离目标矢量最近的四个大矢量为参考电压矢量，矢量的选取考虑z₁-z₂子空间下的电压合成效果为零，可以有效地降低谐波面电流，控制整流器的桥臂开关，实现母线电压的控制。

图4发电机整流***加载时使用传统方法的响应波形，图5为本发明的响应波形。从图中可以看出，母线电压波动幅值由传统的12.5V降低至7.0V，恢复时间由原来的39.4ms缩短至16.0ms，有效地降低母线电压波动幅值、加快母线电压响应速度，具有较好地抗负载扰动能力，提升母线电压运行的可靠性。

图6为发电机整流***加载时本发明的交轴电流分量，由图可知，交轴电流计算能根据负载投切状态迅速响应，避免母线电压大幅跌落或者泵升。图中给出了电容储能反馈补偿量/>的数值大小，轻载时补偿量等效约为0.2A交轴电流，加载后需要0.7A左右的补偿。电容储能反馈分量/>在加载和减载过程中，能够经一定时间补偿***损耗带来的误差，，轻载时补偿量小，加载后补偿量增加，达到母线电压控制精度。

综上，本发明的一种双三相永磁同步发电机稳压控制方法，包括以下步骤：稳压控制策略由交轴电流计算和电容储能比例积分控制器构成，生成交轴电流内环的参考值；利用直流母线能量和功率交换数学模型，得到交轴电流计算公式，由直流母线电容的充电功率和负载功率构成；考虑到实际***存在损耗，简化的公式计算存在一定误差，利用电容储能比例积分控制器补偿，提升母线电压控制精度；四维空间下的电流内环均采用比例积分控制器，电流内环的输出经过交直轴解耦、坐标变换，采用最大四矢量空间电压矢量调制，控制整流器桥臂的开关。本发明能够直接计算交轴所需电流，有效地加快母线电压恢复速度，降低母线电压波动幅值，实现双三相永磁同步发电机***直流母线电压的高性能控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种双三相永磁同步发电机稳压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据母线电容所储存的能量与功率交换数学模型，提出直接计算出交轴电流内环的给定值；

步骤2：考虑到实际整流***存在损耗，交轴电流的计算会存在误差，提出利用电容储能反馈比例积分控制器，补偿这部分误差；

步骤3：交轴电流的计算和电容储能反馈共同配合，生成交轴电流内环的参考值；

步骤4：四维电流内环均使用比例积分控制器，采用最大四矢量空间电压矢量，降低相电流的畸变，减少发电机的谐波损耗，提升交轴电流的计算准确性；

所述步骤1中：

直流侧母线电容所储存的能量可表示为：

式中，E_C表示母线电容所储能量；C为母线电容容值；U_dc表示母线电容电压；

电容所储存的能量与其充电功率构成微分关系，故电容的充电功率可以表示成：

式中，P_C表示电容充电功率；

不考虑整流器损耗，以直流侧电容为节点，列写电容两端的瞬时功率平衡方程：

式中，P_S为永磁同步发电机输出的有功功率；i_dc为直流母线负载电流；

电机的交直轴定子电压方程：

式中，L_d、L_q分别为d-q轴电感，i_d、i_q分别为d-q轴电流，Rs为定子电阻，ψ_f为永磁磁链幅值，ω_e为电角速度；

将上式代入电容两端的瞬时功率平衡方程，得到具体的瞬时功率平衡关系为：

上式中，左边为母线电容充电功率，右边第一项为发电机输出的电磁功率，第二项为负载消耗功率，其余项为定子电阻、电感上的损耗，若忽略这些损耗，则可以简化得到母线电容能量与功率交换数学模型为：

进一步整理，可以得到理想的交轴电流计算公式为：

实际***采用数字控制实现，则进一步整理上式，得到直接计算交轴电流内环的给定值为：

式中，为直接计算得到的交轴电流内环给定值；/>为母线电压给定值；T_t为电容储能达到给定的预计时间；

交轴电流的计算包含两部分，一是负载功率计算，二是电容充电功率计算；将母线电压的给定值/>与实际母线电流采样值i_dc相乘，获得负载功率，在空载情况下电容充电过程，以T_t作为电容储能调节时间，得到该段时间内电容充电的平均功率为：

式中，为在T_t时间内电容充电的平均功率。

2.根据权利要求1所述的一种双三相永磁同步发电机稳压控制方法，其特征在于，还包括，在k时刻，电容尚未达到目标储能量，假定经过T_t时间后，能充电至目标状态，按此时需要的充电功率，计算交轴电流所需大小，至k+1时刻，根据新的充电功率计算交轴电流大小，依此类推，充电功率逐步下降，最终达到目标储能量。

3.根据权利要求1所述的一种双三相永磁同步发电机稳压控制方法，其特征在于，所述步骤2中：

实际***存在损耗，采用电容储能反馈比例积分控制器补偿误差，补偿部分的交轴电流由下式给出：

式中，为电容储能反馈控制器补偿的交轴电流；ΔE_C为给定母线电容储能能量与实际所储能量差值；K_{p_EC}为电容储能反馈控制器比例系数；K_{I_EC}为电容储能反馈控制器积分系数；s为拉普拉斯变换的复变量。

4.根据权利要求1所述的一种双三相永磁同步发电机稳压控制方法，其特征在于，所述步骤3中：

交轴电流内环的参考值由两部分组成，第一部分是通过公式直接计算得到的交轴电流给定的主要分量其由电容充电功率和负载功率构成，提供发电机主要的输出电磁功率，在负载动态变化的过程中，迅速调整给定值，加快电压外环的响应；

第二部分是电容储能反馈比例积分控制器的输出作为交轴电流给定的补偿分量引入电容储能反馈，达到母线电压的控制精度；

交轴电流内环的参考值可表示为：

5.根据权利要求1所述的一种双三相永磁同步发电机稳压控制方法，其特征在于，所述步骤4中：

采用多相电机矢量空间解耦的方法，在自然坐标系下，将双三相电机的物理量分解到3个正交解耦的静止坐标系中，依次为：包含基波和12k±1(k＝1,2,···)次谐波的α-β子空间；包含6k±1(k＝1,3,5,···)次谐波的z₁-z₂子空间；包含6k±3(k＝1,3,5,···)次谐波的o₁-o₂零序子空间，采用两套绕组N₁、N₂中性点隔离的方式时，该空间的变量均为零，将α-β子空间再变换到旋转坐标系下，最终得到四维空间下的电压方程：

式中，u_d、u_q分别为d-q轴电压，u_z1、u_z2分别为z₁-z₂轴电压，L_z1、L_z2分别为z₁-z₂轴电感；i_z1、i_z2分别为z₁-z₂轴电流；

z₁-z₂子空间主要考虑五次、七次谐波，对应的谐波转矩可表示为：

式中，T_e5、T_e7为5次、7次谐波转矩；p为电机极对数；i_q5、i_q7为5次、7次谐波电流；θ为电角度。