CN115800842B - 优化动态性能的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种优化动态性能的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法，涉及电励磁双凸极电机领域，该方法在失磁容错发电运行过程中，由电压环PI调节器输出电流调节量作为误差调节，同时设计前馈控制输出前馈电流，从而可以在负载发生突变时快速计算出参考电流，结合由转子电角度确定的相角可以得到三相电流给定值，通过对三相电流给定值和三相电流实际值的比较信号进行滞环输出PWM信号驱动可以保证输出电压稳定。该控制方法可以提高失磁发电时***动态性能，并降低铜损。解决了负载侧较大的电容容量会导致反馈控制过程中电容充放电时间更长，使得发电时动态运行效果较差的问题。

Description

优化动态性能的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法

技术领域

本申请涉及电励磁双凸极电机领域，尤其是一种优化动态性能的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法。

背景技术

电励磁双凸极电机(DSEM)是在开关磁阻电机的基础上发展起来的一种新型无刷直流电机。它的定子上有电枢绕组和励磁绕组、转子无绕组，其结构简单可靠、控制灵活。它与开关磁阻电机的主要区别在于定子嵌入了励磁绕组。由于励磁磁场的存在，电励磁双凸极电机只需要外部连接到一个不控整流桥上发电，因此它具有良好的容错能力，适用于恶劣的工作条件。同时，当负载或速度发生变化时，可以通过调节励磁电流来保持输出电压恒定，并且控制非常灵活。在航空风力发电等领域有着广阔的应用前景。

但是励磁绕组的老化、发热、侵蚀等将影响***的安全运行；同时励磁侧电源也会因为过电流、反向电压脉冲等原因而发生故障，严重时导致***失磁。当电励磁双凸极电机失去励磁时采用原有的控制策略将无法进一步电动与发电，因此针对电励磁双凸极电机失磁故障的容错控制策略有非常重要的价值。

目前针对电励磁双凸极电机失磁故障的容错控制策略研究较少且主要集中在失磁容错发电研究这一领域，主要包括如下几种容错控制策略，且各有优缺点：(1)史立伟等公开的“电励磁双凸极电机励磁故障容错发电***及其控制方法”(中国，授权日：2017年5月17日，授权号：CN104579067B)将三相四桥臂变换器运用于三相电励磁双凸极电机上实现失磁容错发电功能，所提方法铜耗较大，且运行过程中动态性能较差。(2)周兴伟等公开的“一种四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法”(中国，授权日日：2019年6月4日，授权号：CN107147339A)实现了四相电励磁双凸极电机失磁容错发电控制，所提方法铜耗较大，且运行过程中动态性能较差。(3)温腾翔等公开的“电励磁双凸极电机励磁故障容错发电***及其控制方法”(中国，公开日：2018年6月5日，授权号：CN108123646A)采用桥式变换器进行失磁容错发电研究，简化了变换器结构，但所提方法铜耗较大，且运行过程中动态性能较差。(4)赵峰等公开的“电励磁双凸极电机失磁故障容错发电***及其控制方法”(中国，公开日：2019年9月17日，授权号：CN110247597A)采用半桥进行控制，同样存在发电功率低、铜耗较大、动态性能差等问题。

通过以上介绍可以看出，现有的各种失磁容错控制策略往往存在如下问题：DSEG正常励磁时任一时刻两相绕组同时续流发电，因此输出电压波动较小；而DSEG失磁后发电相在发电时需要输出功率给负载，同时也要为下一个励磁相提供励磁电流，从而输出电压具有更大的电压波动。因此传统的DSEG失磁容错发电时往往需要增加电容的容量来降低电压波动，而较大的电容容量会导致反馈控制过程中电容充放电时间更长，使得发电时动态运行效果较差。

发明内容

本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种优化动态性能的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法，本申请的技术方案如下：

一种优化动态性能的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法，负载、稳压电容和桥式变换器并联，电励磁双凸极电机的三相绕组采用星型连接且三相绕组的出线端分别连接在桥式变换器上，励磁侧电源U_f通过励磁变换器连接电励磁双凸极电机的励磁绕组；

该电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法包括：

获取稳压电容两端的电机电压实际值U_o以及流过负载的负载电流实际值i_o；

将电机电压给定值U^*和电机电压实际值U_o的差值作为电压环PI调节器的输入，得到电压环PI调节器输出的电流调节量i_q0；

计算得到负载电阻R＝U_o/i_o，并利用负载电阻R结合电机电压给定值U^*采用前馈控制输出前馈电流i_q1；

根据参考电流i_q＝i_q0+i_q1以及转子电角度θ_e计算得到三相电流给定值；

将三相电流给定值和三相电流实际值进行比较得到比较信号，对比较信号通过滞环输出PWM信号驱动出现失磁故障的电励磁双凸极电机的桥式变换器。

其进一步的技术方案为，利用负载电阻R结合电机电压给定值U^*采用前馈控制输出前馈电流i_q1，包括按照如下计算公式进行计算：

其中，x₁和r_m均为已知参数，r是绕组内阻，ω是由转子电角度θ_e通过位置转速转换器计算得到的电机转速。

其进一步的技术方案为，根据参考电流i_q以及转子电角度θ_e计算得到三相电流给定值的方法包括：

根据转子电角度θ_e和基准相的相电流实际值确定相角参数x，基准相是其中一个相绕组；

根据参考电流i_q和相角参数x计算得到三相电流给定值。

其进一步的技术方案为，根据参考电流i_q和相角参数x按照如下计算公式计算得到三相电流给定值

为/>

其进一步的技术方案为，确定相角参数x的方法包括：

根据基准相的相电流实际值确定状态参数N的取值为0或1；

根据参数角度对应表确定转子电角度θ_e对应的中间参数t，参数角度对应表包括一个控制周期内不同的转子电角度θ_e与中间参数t之间的对应关系；

确定相角参数x＝-t/2+0.5π+Nπ。

其进一步的技术方案为，确定状态参数N的取值的方法包括：

当基准相的相电流实际值大于0，基准相处于正向励磁、正向发电状态时，状态参数N＝0；

当基准相的相电流实际值小于0，基准相处于负向励磁、负向发电状态时，状态参数N＝1。

其进一步的技术方案为，确定前馈电流i_q1的计算公式的方法包括：

基于电励磁双凸极电机在失磁时的瞬间输出功率的表达式，确定电励磁双凸极电机在失磁发电状态下铜耗最小时的瞬间输出功率

结合电励磁双凸极电机的电压方程

得到

其中，x₁＝P_x/P，P_x为铁耗。

其进一步的技术方案为，该方法还包括：

确定电励磁双凸极电机在失磁时的瞬间输出功率的表达式为：

其中，X_p是相绕组的匝数，X_f是励磁绕组的匝数，

是自感和互感之间的比例系数，i_fe是励磁电流额定值，i_a、i_b、i_c是三相绕组的相电流，e_afe、e_bfe、e_cfe是三相绕组在额定励磁电流下的励磁反电势，ω_e是额定转速；

确定在一个电角度周期内e_afe+e_bfe+e_cfe＝0，将abc坐标系下的三相励磁电势随角度的变化率变换至αβ坐标系得到

e_α、e_β分别是α轴和β轴的电势；

将励磁反电势e_afe、e_bfe、e_cfe的表达式代入瞬间输出功率的表达式，且令

得到瞬间输出功率为：

其中，i_α与i_β正交，

与/>

正交，令i_q1 ²＝i_a ²+i_b ²+i_c ²，/>

进一步得到铜耗最小时的瞬间输出功率/>

本申请的有益技术效果是：

本申请公开了一种优化动态性能的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法，该方法在失磁容错发电运行过程中，由电压环PI调节器输出电流调节量作为误差调节，同时设计前馈控制输出前馈电流，从而可以在负载发生突变时快速计算出参考电流，结合由转子电角度确定的相角可以保证输出电压稳定。该控制方法可以提高失磁发电时***动态性能，并降低铜损。解决了负载侧较大的电容容量会导致反馈控制过程中电容充放电时间更长，使得发电时动态运行效果较差的问题。

附图说明

图1是本申请一个实施例中的电励磁双凸极电机的控制***以及控制逻辑框图。

图2是一个实例中的电励磁双凸极电机在失磁故障下按照本申请的方法进行失磁容错发电控制时的负载切换运行电流电压运行曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种优化动态性能的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法，该方法应用于电励磁双凸极电机的控制***中，请参考图1所示的控制***，在电励磁双凸极电机的控制***中，负载R、稳压电容C和桥式变换器并联，电励磁双凸极电机的三相绕组A、B、C采用星型连接，且三相绕组A、B、C的出线端分别连接在桥式变换器上。励磁侧电源U_f通过励磁变换器连接在励磁绕组L_f两端提供励磁电流i_f。

控制器连接并控制桥式变换器以及励磁电路。本申请公开的失磁容错发电控制方法由控制器实现，包括如下方法：

步骤1、获取稳压电容C两端的电机电压实际值U₀以及流过负载的负载电流实际值i_o。

步骤2、将电机电压给定值U^*和电机电压实际值U₀的差值作为电压环PI调节器的输入，得到电压环PI调节器输出的电流调节量i_q0。

步骤3，计算得到负载电阻R＝U_o/i_o，并利用负载电阻R结合电机电压给定值U^*采用前馈控制输出前馈电流i_q1。包括按照如下计算公式进行计算：

其中，x₁和r_m均为已知参数，r是绕组内阻，ω是由转子电角度θ_e通过位置转速转换器计算得到的电机转速。

该计算预先推导确定，确定前馈电流i_q1的计算公式的方法包括：

(1)基于电励磁双凸极电机在失磁时的瞬间输出功率的表达式，确定电励磁双凸极电机在失磁发电状态下铜耗最小时的瞬间输出功率

其中，确定电励磁双凸极电机在失磁时的瞬间输出功率的表达式为：

其中，X_p是相绕组的匝数，X_f是励磁绕组的匝数，

是自感和互感之间的比例系数，i_fe是励磁电流额定值，i_a、i_b、i_c是三相绕组的相电流，e_afe、e_bfe、e_cfe是三相绕组在额定励磁电流下的励磁反电势，ω_e是额定转速。

确定在一个电角度周期内e_afe+e_bfe+e_cfe＝0，将abc坐标系下的三相励磁电势随角度的变化率变换至αβ坐标系得到

e_α、e_β分别是α轴和β轴的电势。

将励磁反电势e_afe、e_bfe、e_cfe的表达式代入瞬间输出功率的表达式，且令

得到瞬间输出功率为：

其中，i_α与i_β正交，

与/>

正交，令i_q1 ²＝i_a ²+i_b ²+i_c ²，

进一步得到铜耗最小时的瞬间输出功率/>

(2)结合电励磁双凸极电机的电压方程

得到

其中，x₁＝P_x/P，P_x为铁耗。x₁和r_m的取值一般可以根据样机有限元预先计算得到，因此是已知参数。

步骤4，根据参考电流i_q＝i_q0+i_q1以及转子电角度θ_e计算得到三相电流给定值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*。该步骤中，根据转子电角度θ_e和基准相的相电流实际值确定相角参数x，基准相是其中一个相绕组，比如一般可以选取A相绕组作为基准相。根据基准相的相电流实际值确定状态参数N的取值为0或1：当基准相的相电流实际值大于0，基准相处于正向励磁、正向发电状态时，状态参数N＝0。当基准相的相电流实际值小于0，基准相处于负向励磁、负向发电状态时，状态参数N＝1。

在一个实施例中，本申请的失磁容错发电控制方法以覆盖两个电角度周期的[0°,720°]电角度范围为一个控制周期，在一个控制周期的一个电角度周期内状态参数N＝0、另一个电角度周期内状态参数N＝1。状态参数N交替取值0和1。

在确定状态参数N后，根据参数角度对应表确定转子电角度θ_e对应的中间参数t，然后即可以确定相角参数x＝-t/2+0.5π+Nπ。参数角度对应表包括一个控制周期内不同的转子电角度θ_e与中间参数t之间的对应关系，中间参数t＝arccos((dL_α/dθ_e)/dr_m/dθ_e))，可以预先根据样机有限元计算得到一个控制周期的[0°,720°]电角度范围内不同转子电角度θ_e与中间参数t，从而得到参数角度对应表，后续通过查表即能确定转子电角度θ_e对应的中间参数t。

然后根据参考电流i_q和相角参数x计算得到三相电流给定值为：

步骤5，将三相电流给定值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*和三相电流实际值进行比较得到比较信号，对比较信号通过滞环输出PWM信号驱动出现失磁故障的电励磁双凸极电机的桥式变换器。

在一个实例中，电励磁双凸极电机失磁故障下按照本申请的失磁容错发电控制方法运行时的负载切换运行曲线图如图2所示，从图2可以看出，电励磁双凸极电机失磁故障下也能具有较好的动态运行效果。

该方法改进了控制器的控制逻辑，并不需要对控制***的结构做复杂改进，电路结构简单。在实际应用时，控制器电励磁双凸极电机的励磁绕组的励磁电流i_f以检测是否出现失磁故障，具体检测方法是现有的，本申请不赘述。当根据励磁电流i_f确定电励磁双凸极电机出现失磁故障时，按照本申请提供的上述方法进行失磁容错发电控制。当根据励磁电流i_f确定电励磁双凸极电机未出现失磁故障时，按照传统的励磁电流滞环控制策略进行不控整流常发电运行控制。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种优化动态性能的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法，其特征在于，负载、稳压电容和桥式变换器并联，电励磁双凸极电机的三相绕组采用星型连接且三相绕组的出线端分别连接在所述桥式变换器上，励磁侧电源U_f通过励磁变换器连接所述电励磁双凸极电机的励磁绕组；

所述电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法包括：

获取所述稳压电容两端的电机电压实际值U_o以及流过所述负载的负载电流实际值i_o；

将电机电压给定值U^*和所述电机电压实际值U_o的差值作为电压环PI调节器的输入，得到所述电压环PI调节器输出的电流调节量i_q0；

计算得到负载电阻R＝U_o/i_o，并利用所述负载电阻R结合所述电机电压给定值U^*采用前馈控制输出前馈电流i_q1；

根据参考电流i_q＝i_q0+i_q1以及转子电角度θ_e计算得到三相电流给定值；

将三相电流给定值和三相电流实际值进行比较得到比较信号，对所述比较信号通过滞环输出PWM信号驱动出现失磁故障的电励磁双凸极电机的桥式变换器。

2.根据权利要求1所述的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法，其特征在于，利用所述负载电阻R结合所述电机电压给定值U^*采用前馈控制输出前馈电流i_q1，包括按照如下计算公式进行计算：

其中，x₁和r_m均为已知参数，r是绕组内阻，ω是由转子电角度θ_e通过位置转速转换器计算得到的电机转速。

3.根据权利要求1所述的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法，其特征在于，根据参考电流i_q以及转子电角度θ_e计算得到三相电流给定值的方法包括：

根据转子电角度θ_e和基准相的相电流实际值确定相角参数x，基准相是其中一个相绕组；

根据所述参考电流i_q和相角参数x计算得到三相电流给定值。

4.根据权利要求3所述的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法，其特征在于，根据所述参考电流i_q和相角参数x按照如下计算公式计算得到三相电流给定值

为

5.根据权利要求3所述的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法，其特征在于，确定相角参数x的方法包括：

根据基准相的相电流实际值确定状态参数N的取值为0或1；

根据参数角度对应表确定转子电角度θ_e对应的中间参数t，所述参数角度对应表包括一个控制周期内不同的转子电角度θ_e与中间参数t之间的对应关系；

确定相角参数x＝-t/2+0.5π+Nπ。

6.根据权利要求5所述的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法，其特征在于，确定状态参数N的取值的方法包括：

当基准相的相电流实际值大于0，基准相处于正向励磁、正向发电状态时，状态参数N＝0；

当基准相的相电流实际值小于0，基准相处于负向励磁、负向发电状态时，状态参数N＝1。

7.根据权利要求2所述的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法，其特征在于，确定前馈电流i_q1的计算公式的方法包括：

基于电励磁双凸极电机在失磁时的瞬间输出功率的表达式，确定所述电励磁双凸极电机在失磁发电状态下铜耗最小时的瞬间输出功率

结合所述电励磁双凸极电机的电压方程

得到

其中，x₁＝P_x/P，P_x为铁耗。

8.根据权利要求7所述的电励磁双凸极电机失磁容错发电控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

确定所述电励磁双凸极电机在失磁时的瞬间输出功率的表达式为：

其中，X_p是相绕组的匝数，X_f是励磁绕组的匝数，

是自感和互感之间的比例系数，i_fe是励磁电流额定值，i_a、i_b、i_c是三相绕组的相电流，e_afe、e_bfe、e_cfe是三相绕组在额定励磁电流下的励磁反电势，ω_e是额定转速；

确定在一个电角度周期内e_afe+e_bfe+e_cfe＝0，将abc坐标系下的三相励磁电势随角度的变化率变换至αβ坐标系得到

e_α、e_β分别是α轴和β轴的电势；

将励磁反电势e_afe、e_bfe、e_cfe的表达式代入瞬间输出功率的表达式，且令

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