一种感应发电机接孤立非对称负载的控制装置的制作方法

本申请涉及通信领域，尤其涉及一种感应发电机接孤立非对称负载的控制装置。

背景技术：

孤立运行的发电机组作为移动电源广泛用于部队、工地、山区、农村和林场等处，同时在住宅、商店和医院用作备用应急电源，孤立一般指不入电网的负载，目前主要采用柴油机作为原动机带动同步发电机的方式来实现。随着社会的发展，原有的孤立运行的发电机组笨重、耗油高、噪音大、尾气污染严重，已经不适合社会的需要，未来发电机组应该向节能、环保、轻型化、小型化的方向发展。目前中国的柴油发电机组产品长期以来凭借成本优势及技术的不断成熟，出口形势持续向好，尤其是中东、非洲、澳洲等地区对我国柴油发电机组的需求稳步增长。

原有的孤立运行的发电机组采用的主要是同步发电机，而同步发电机为保证输出电压频率的恒定，随着负载大小的变化其发电机转速只能在由该电压频率所对应的同步速度下运行，使得油机不能在高效率区运行，造成燃油消耗增加。

通常这种孤立运行的发电机组所带负载为非对称负载，比如单相负载(如单相空调、电梯、单相电源设备等)，发电机处于非对称运行状态，采用同步发电机时无法通过控制手段来消除输出电压的不对称，只能通过加装阻尼绕组等结构设计的方式来削弱输出电压的不对称，因此其输出电压波形会产生一定的畸变，同时当负载突然变化时，同步发电机励磁调节响应较慢，输出电压幅值会出现明显的变化。

技术实现要素：

本申请提供一种感应发电机接孤立非对称负载的控制装置；可以提高负载突变时输出电压的稳定性。

第一方面，提供一种感应发电机接孤立非对称负载的控制装置，所述控制装置包括：柴油机、双馈感应发电机、位置传感器、柴油机速度控制器、双馈感应发电机控制器；

所述柴油机与所述双馈感应发电机同轴安装，所述双馈感应发电机转轴上安装所述位置传感器，所述位置传感器与所述双馈感应发电机控制器连接，所述双馈感应发电机控制器与所述双馈感应发电机连接并控制所述双馈感应发电机的输出电压，所述柴油机速度控制器与所述柴油机连接并控制所述柴油机的转速，所述柴油机速度控制器与双馈感应发电机控制器连接；

所述双馈感应发电机的定子三相绕组端口abc和转子三相绕组端口abc通过线缆与所述双馈感应发电机控制器连接，所述双馈感应发电机的定子三相绕组端口abc和中性点端口n通过线缆与孤立非对称负载连接；

所述双馈感应发电机的定子三相绕组端口abc和中性点端口n通过线缆与孤立非对称负载连接用于在所述孤立非对称负载为孤立单相负载时，为所述孤立单相负载提供单相与中性点端口n的供电模式；所述单相与中性点端口n的供电模式为定子三相绕组端口abc中的任一相与中性点端口n同时为所述孤立单相负载供电；

所述双馈感应发电机控制器设置給定转速与功率值之间的映射关系，所述双馈感应发电机控制器根据定子三相绕组端口abc任意一相的线电流和线电压计算得到孤立非对称负载的功率值，所述双馈感应发电机控制器根据所述孤立非对称负载的功率值从所述映射关系中获取非对称负载的所述功率值对应的柴油机转速，所述双馈感应发电机控制器将所述柴油机转速发送至柴油机速度控制器，所述柴油机转速用于指示所述柴油机速度控制器按所述柴油机转速控制所述柴油机。

第一方面提供的控制装置通过转速是依据功率与柴油机转速的映射关系获取的，所以其能够依据功率调整合适的柴油机转速，从而降低油耗，节省能源。本装置装置的双馈感应发电机的定子三相绕组端口abc和中性点端口n通过线缆与孤立非对称负载连接，增加中性点端口n能够实现对非对称负载的l-n模式的供电，实现了非对称负载的连接。在一种可选的设计中，所述的双馈感应发电机控制器包括：主控制板、定子侧变换器功率回路、转子侧变换器功率回路、定子侧滤波电容器、定子侧滤波电抗器、直流链支撑电容、直流侧吸收电容、起励直流电源、电流传感器和电压传感器，其中：

所述双馈感应发电机控制器的定子三相绕组端口abc连接定子侧滤波电容器后与所述定子侧滤波电抗器一端连接，所述定子侧滤波电抗器另一端与所述定子侧变换器功率回路相连；

所述双馈感应发电机控制器的转子三相绕组端口abc与所述转子侧变换器功率回路相连；所述双馈感应发电机控制器的转子三相绕组端口abc与所述转子侧变换器功率回路相连；第一直流链吸收电容的两端分别连接所述定子侧变换器功率回路的直流链，第二直流链吸收电容的两端分别连接所述转子侧变换器功率回路的直流链；第一直流链支撑电容与第二直流链支撑电容串联后与所述第一直流链吸收电容并联，第三直流链支撑电容与第四直流链支撑电容串联后与所述第二直流链吸收电容并联，所述起励直流电源通过二极管与所述转子侧变换器功率回路的直流链并联；

所述主控制板用于将pwm信号送入所述定子侧变换器功率回路和所述转子侧变换器功率回路以使双馈感应发电机定子输出侧电压幅值和频率恒定。

上述可选的设计提供了双馈感应发电机控制器的实现，支持了上述第一方面控制装置的具体实现。

第二方面，提供上述感应发电机接孤立非对称负载的控制装置的控制方法，所述方法包括：

建立双馈感应发电机在正序同步旋转坐标系下，采用定子正序电压矢量定向的稳态电压方程；所述定子正序电压矢量定向具体包括：d轴与定子正序电压矢量位置重合；

建立双馈感应发电机在负序同步旋转坐标系下，采用定子负序电压矢量定向的稳态电压方程，所述定子负序电压矢量定向包括：d轴与定子负序电压矢量位置重合；

检测定子电压和转子电流的正、负序分量；

计算转子正、负序d、q轴电流给定值；

建立正、负序电流控制方程，通过正、负序电流控制方式控制所述控制装置。

第二方面的控制装置接孤立非对称负载时，通过定子正序电压矢量定向的稳态电压方程、定子负序电压矢量定向的稳态电压方程对转子电流的控制，在不同的运行转速下，通过定子正序电压矢量定向的稳态电压方程、定子负序电压矢量定向的稳态电压方程对转子电流均能消除定子负序电压，保持定子电压的幅值和频率恒定，提高负载突变时输出电压的稳定性。

第二方面提供的方法实现对第一方面控制装置的控制，使得第一方面控制装置具有载突变时输出电压稳定性高以及能耗低的优点。

本申请提供的控制装置接孤立非对称负载时，通过对转子电流的控制，在不同的运行转速下，均能消除定子负序电压，保持定子电压的幅值和频率恒定，所以其具有提高负载突变时输出电压稳定性的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种双馈感应发电机接孤立非对称负载的控制装置的结构图。

图2为本申请采用的双馈感应发电机控制器的结构图。

图3为本申请采用的双馈感应发电机控制器控制定子电压幅值和频率稳定的控制方法的原理示意图。

图4为本申请采用的延时法分离正负序的原理示意图。

图5为本申请采用的定子正序电压控制示意图。

图6为本申请采用的定子负序电压控制示意图。

图7为采用本申请的控制装置在电机转速为1200转/分带单相负载时的定子线电压、定子线电流、转子电流的波形图。

图8为不进行定子负序电压控制时在电机转速为1200转/分带单相负载时的定子线电压、定子线电流、转子电流的波形图。

图9为采用本申请的控制装置在电机转速为2400转/分带单相负载时的定子线电压、定子线电流、转子电流的波形图。

图10为不进行定子负序电压控制时在电机转速为2400转/分带单相负载时的定子线电压、定子线电流、转子电流的波形图。

在附图7-10中，前段时间(0～0.6s)电机带对称三相额定负载运行；后段时间(0.6s以后)负载突变为单相负载；

图11为本申请另一实施例提供的一种控制装置的控制方法的流程图。

具体实施方式

参阅附图1中，本申请一实施例提供一种双馈感应发电机接孤立非对称负载的控制装置，双馈感应发电机接孤立非对称负载的控制装置包括：柴油机11、双馈感应发电机12、位置传感器13、柴油机速度控制器14和双馈感应发电机控制器15；

柴油机11与双馈感应发电机12同轴安装，双馈感应发电机12转子上安装位置传感器(具体可以为旋变变压器)13，位置传感器13与所述双馈感应发电机控制器15连接，位置传感器13获取旋变信号，并将旋变信号送入双馈感应发电机控制器15；双馈感应发电机控制器15与双馈感应发电机12连接并控制双馈感应发电机12的输出电压，柴油机速度控制器14与柴油机11连接并控制柴油机11的转速，柴油机11速度控制器与双馈感应发电机控制器15连接；

双馈感应发电机12的定子三相绕组端口abc和转子三相绕组端口abc通过线缆与双馈感应发电机控制器15连接；双馈感应发电机12的定子三相绕组端口abc和中性点端口n通过线缆与孤立非对称负载18连接；

双馈感应发电机12的定子三相绕组端口abc和中性点端口n通过线缆与孤立非对称负载18连接用于在孤立非对称负载18为孤立单相负载时，为孤立单相负载提供单相与中性点端口n的供电模式；所述单相与中性点端口n的供电模式为定子三相绕组端口abc中的任一相与中性点端口n同时为所述孤立单相负载供电；

双馈感应发电机控制器15设置有柴油机转速与功率值之间的映射关系，双馈感应发电机控制器15根据定子三相绕组端口abc任一相的线电压和线电流计算得到孤立非对称负载18的功率值，根据孤立非对称负载18的功率值从映射关系中获取非对称负载的功率值对应的柴油机转速，双馈感应发电机控制器15将柴油机转速发送至柴油机速度控制器14，该柴油机转速用于指示柴油机速度控制器14按该柴油机转速控制柴油机11。

上述双馈感应发电机控制器15根据定子三相绕组端口abc任一相的线电压和线电流计算得到孤立非对称负载18的功率值的具体计算方法可以为：

孤立非对称负载18的功率值等于根号3乘以任一相线电流和线电压的积。如图1所示的技术方案，柴油机转速是依据功率与柴油机转速的映射关系获取的，所以其能够依据功率调整合适的柴油机转速，从而降低油耗，节省能源，并且在孤立负载变化时，如图1所示的技术方案能够依据上述映射关系能很快的查询出该变化后的负载对应的柴油机转速，直接将柴油机调整至该柴油机转速，降低了油耗，节省能源。上述中性点端口n为三相绕组汇聚在一个点后形成的输出端口。上述双馈感应发电机12的定子三相绕组端口abc和中性点端口n通过线缆与孤立非对称负载18连接是为了更方便的接入孤立非对称负载，具体理由为：对于非孤立负载(即入电网负载)来说，其三相的abc均与电网连接，对于负载来说无法对电网的电压进行控制，而对于孤立非对称负载来说，由于其是孤立的，所以其各相的电压会产生波动，对于单相负载来说，例如电风扇等设备，其供电要求其为l-n模式，即单向电压加中性点n电压，其中，l指单向电压，即abc中的任意一相电压。如abc没有n点，那么对于单向负载来说，其就无法实现l-n模式，所以增加中性点以后能够实现孤立的单向负载的接入。

上述柴油机转速与功率值之间的映射关系可以由用户或厂家预设存储在控制装置内，该映射关系的获取方式可以通过试验的方式获取，例如，某一个功率值下，调整柴油机的转速，检测多个转速对应的多个油耗，选择最低油耗对应的转速为该功率的柴油机转速，当然在实际应用中还可以采用其他的方式来获取上述映射关系，本申请并不限制上述映射关系的具体建立或获得方式。

参阅图2，图2为本申请提供的双馈感应发电机控制器15的结构示意图，其中，该双馈感应发电机控制器包括：主控制板20、定子侧变换器功率回路(即定子侧变换器)21、转子侧变换器功率回路(转子侧变换器)22、定子侧滤波电容器23、定子侧滤波电抗器24、直流链吸收电容25、直流侧支撑电容26、起励直流电源27、电流传感器28和电压传感器29，其中：

双馈感应发电机控制器的定子三相绕组端口abc连接(该连接方式可以为三角形接法，当然还可以采用其他的连接方式)定子侧滤波电容器23后与定子侧滤波电抗器24一端连接，定子侧滤波电抗器24另一端与定子侧变换器功率回路21相连；

双馈感应发电机控制器15的转子三相绕组端口abc与转子侧变换器功率回路22相连；第一直流链吸收电容251的两端分别连接定子侧变换器功率回路21的直流链，第二直流链吸收电容252的两端分别连接转子侧变换器功率回路22的直流链；第一直流链支撑电容261与第二直流链支撑电容262串联后与第一直流链吸收电容251并联，第三直流链支撑电容263与第四直流链支撑电容264串联后与第二直流链吸收电容252并联，起励直流电源27通过二极管与转子侧变换器功率回路22的直流链并联；双馈感应发电机控制器15的端口abc安装3只电流传感器28和2只电压传感器29，双馈感应发电机控制器15端口abc安装2只电流传感器28，定子侧变换器功率回路21的直流链安装1只电压传感器29，定子侧滤波电抗器24与定子侧变换器功率回路21之间安装2只电流传感器28；

主控制板20用于将脉冲宽度调制(英文全称：pulsewidthmodulation，英文简称：pwm)信号送入定子侧变换器功率回路21和转子侧变换器功率回路22以使双馈感应发电机定子输出侧(即孤立负载的提供电压)电压幅值和频率恒定。

结合图7、图9中不同转速时的波形，本申请提供的控制装置接孤立非对称负载时，通过对转子电流的控制，在不同的运行转速下，均能消除定子负序电压，保持定子电压的幅值和频率恒定，提高负载突变时输出电压的稳定性，另外，本申请的转速是依据功率与柴油机转速的映射关系获取的，所以其能够依据功率调整合适的柴油机转速，从而降低油耗，节省能源。与附图8、附图10中不进行定子负序电压控制的波形相比，定子输出电压的对称性更好，有利于为孤立非对称负载提供更加稳定和波形更好的电源。结合图7、图9中负载由对称负载突变为单相负载时的波形，本申请提供的控制装置，不仅在不同转速的稳态运行时能够有效消除定子负序电压，而且在负载突变时其暂态过程为ms的数量级，感应发电机输出定子电压能够快速恢复到设定值保持稳定运行，具有较好的适应负载变化的优良性能。

上述双馈感应发电机控制器实现对定子电压的控制的实现方案具体可以包括：

a.信号检测

定子线电压uab、ubc和直流链电压udc信号检测：利用电压传感器检测定子线电压信号，经调理电路和滤波器处理后送入双馈感应发电机控制器的ad转换通道；

定子相电流ia、ib、ic，滤波电抗器电流iga、igb，转子相电流ia、ic信号检测：利用电流传感器检测转子相电流信号，经调理电路和滤波器处理后送入双馈感应发电机控制器的ad转换通道；

转子位置角检测：利用安装在电机上的位置传感器，获得位置传感器的输出信号，送入双馈感应发电机控制器的位置传感器解码芯片，实现对转子位置角的检测。

b.转差率和坐标变换角θ的计算

利用检测获得的转子位置角经求导运算得到电机旋转速度ωr，根据需要控制的定子电压频率获得同步旋转角频率ω1，根据转差率的定义由ωr、ω1计算转差率；

根据同步旋转角频率ω1获得定子电压正负序分离所需变换角度；

根据同步旋转角频率ω1和转子位置角获得转子电流正负序分离所需变换角度。

c.定子正负序电压和转子正负序电流分离计算

定子电压的正负序分离计算：按照附图4和定子电压和转子电流的正、负序分量的检测中提供的正负序分离公式计算定子电压的正负序分量；

转子电流的正负序分离计算：按照附图4和定子电压和转子电流的正、负序分量的检测中提供的正负序分离公式将电压量用电流量替代后计算转子电流的正负序分量。

d.控制算法

正序电压控制算法：按照附图5的控制框图及公式，利用定子正序q轴电压控制环获得转子正序d轴电流控制指令值，利用定子正序d轴电压控制环获得转子正序q轴电流控制指令值，通过正序电压控制方程获得转子正序dq轴控制电压值；

负序电压控制算法：按照附图6的控制框图及公式，利用定子负序q轴电压控制环获得转子负序d轴电流控制指令值，利用定子负序d轴电压控制环获得转子负序q轴电流控制指令值，通过负序电压控制方程获得转子负序dq轴控制电压值；

总控制电压值计算：将转子正负序dq轴控制电压值分别经dq-abc的坐标变换后相加即得到abc轴下的转子总控制电压值；

spwm计算：通过abc轴下的转子总控制电压，按照spwm调制方式得到pwm控制信号，实现对转子侧变换器的控制。

本申请另一实施例提供一种一实施例提供的控制装置的控制方法，该方法如图11所示，包括：

步骤s1101、建立双馈感应发电机在正序同步旋转坐标系下的定子正序电压矢量定向的稳态电压方程；所述定子正序电压矢量定向具体包括：d轴与定子正序电压矢量位置重合；

上述步骤s1101的实现方法具体可以为：

usd(p)＝-ω1ψsq(p)＝-ω1(lsisq(p)+lmirq(p))＝us(p)

usq(p)＝ω1ψsd(p)＝ω1(lsisd(p)+lmird(p))＝0

urd(p)＝rrird(p)+sus(p)

urq(p)＝rrirq(p)

其中：us(p)为定子正序电压矢量的幅值，rr为转子绕组相电阻；ls、lm分别为定子绕组自感、定转子绕组互感；ω1为同步角频率；s为电机转差率；usd(p)、usq(p)、urd(p)、urq(p)分别为定子正序d轴电压、定子正序q轴电压、转子正序d轴电压、转子正序q轴电压；isd(p)、isq(p)、ird(p)、irq(p)分别为定子正序d轴电流、定子正序q轴电流、转子正序d轴电流、转子正序q轴电流；ψsd(p)、ψsq(p)分别为定子正序d轴磁链、定子正序q轴磁链。

步骤s1102、建立双馈感应发电机在负序同步旋转坐标系下的定子负序电压矢量定向的稳态电压方程，所述定子负序电压矢量定向包括：d轴与定子负序电压矢量位置重合；

上述步骤s1102的实现方法具体可以为：

usd(n)＝ω1ψsq(n)＝ω1(lsisq(n)+lmirq(n))＝us(n)

usq(n)＝-ω1ψsd(n)＝-ω1(lsisd(n)+lmird(n))＝0

urd(n)＝rrird(n)+(2-s)us(n)

urq(n)＝rrirq(n)

其中：us(n)为定子负序电压矢量的幅值，usd(n)、usq(n)、urd(n)、urq(n)分别为定子负序d轴电压、定子负序q轴电压、转子负序d轴电压、转子负序q轴电压；isd(n)、isq(n)、ird(n)、irq(n)分别为定子负序d轴电流、定子负序q轴电流、转子负序d轴电流、转子负序q轴电流；ψsd(n)、ψsq(n)分别为定子负序d轴磁链、定子负序q轴磁链。

上述通过定子正序电压矢量定向的稳态电压方程、定子负序电压矢量定向的稳态电压方程对转子电流的控制，在不同的运行转速下，通过定子正序电压矢量定向的稳态电压方程、定子负序电压矢量定向的稳态电压方程对转子电流均能消除定子负序电压，保持定子电压的幅值和频率恒定，提高负载突变时输出电压的稳定性。

步骤s1103、检测定子电压和转子电流的正、负序分量；

上述步骤s1103的实现方法具体可以为：

定子电压αβ坐标系下的正、负序分量

其中：usα、usβ为定子αβ轴电压的瞬时值；usα(p)、usβ(p)为定子αβ轴正序电压值；usα(n)、usβ(n)为定子αβ轴负序电压值；

定子电压dq坐标系下的正、负序分量

其中：θ为d轴与α轴之间的夹角；usd(p)、usq(p)为定子dq轴正序电压值；usd(n)、usq(n)为定子dq轴负序电压值；所述t为电网周期；

转子电压αβ坐标系下的正、负序分量

其中：urα、urβ为转子αβ轴电压的瞬时值；urα(p)、urβ(p)为转子αβ轴正序电压值；urα(n)、urβ(n)为转子αβ轴负序电压值；

转子电压dq坐标系下的正、负序分量

其中：θ为d轴与α轴之间的夹角；urd(p)、urq(p)为转子dq轴正序电压值；urd(n)、urq(n)为转子dq轴负序电压值。

步骤s1104、计算转子正、负序d、q轴电流给定值；

上述步骤s1104的实现方法具体可以为：

由定子正序d、q轴电压的比例积分(pi)调节器得到转子正序d、q轴电流的给定值，则有

其中：usd(p)^*＝us(p)，usq(p)^*＝0；

由定子负序d、q轴电压的比例积分(pi)调节器得到转子负序d、q轴电流的给定值，则有

其中：usd(n)^*＝0，usq(n)^*＝0。

步骤s1105、建立正、负序电流控制方程，通过正、负序电流控制方程控制所述控制装置。

上述步骤s1105的实现方法具体可以为：

正序电流的控制方程为：

负序电流的控制方程为：

其中：urd(p)^c为urd(p)的控制电压，urq(p)^c为urq(p)的控制电压，ird(p)^*为ird(p)的给定值，irq(p)^*为irq(p)的给定值，us(p)可以为给定正序电压，us(n)可以为给定负序电压。

如图3所示，其中，us^*可以为给定电压，通过正、负序电流控制方程控制所述控制装置的具体实现方法可以为，依据正、负序电流控制方程得到urd(p)^c、urq(p)^c、urd(n)^c、urq(n)^c，将urd(p)^c、urq(p)^c进行2r到3s变换(即αβ坐标系变换到abc坐标系)得到ura(p)、urb(p)、urc(p)，同理将urd(n)^c、urq(n)^c进行2r到3s变换得到ura(n)、urb(n)、urc(n)，将正、负序相加得到ura、urb、urc，将ura、urb、urc输入pwm调制器得到pwm信号，将pwm信号输入转子侧变换器实现控制装置的控制。

需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本申请实施例所提供的内容下载方法及相关设备、装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。