不对称负载下无刷双馈电机独立发电系统励磁控制方法与流程

本发明属于无刷双馈电机发电控制技术领域，更具体地，涉及一种不对称负载条件下的无刷双馈电机独立发电系统的励磁控制方法。

背景技术：

无刷双馈电机是一种新型交流感应电机，这种电机由两套不同极对数的定子绕组和一套转子绕组构成。其基本原理是经过特殊设计的转子使两套定子绕组产生不同极对数的旋转磁场间接相互作用，并能对其相互作用进行控制来实现能量传递。无刷双馈电机的两套定子绕组分别称为功率绕组(power winding，以下简称PW)和控制绕组(control winding，以下简称CW)，该电机既能作为电动机运行，也能作为发电机运行，兼有异步电机和同步电机的特点。

不对称负载会使得无刷双馈电机的PW中现不对称三相电流，不对称三相电流在PW的各相内阻抗上产生不同的压降，进而使得发电系统的输出电压(即PW电压)出现不对称，这使得在常规的控制方法下，无刷双馈电机独立发电系统的输出电压幅值和频率保持恒定的控制目标难以实现。

根据瞬时对称分量理论，不对称的电压中既包含正序分量也包含负序分量。在发明专利一种无刷双馈电机独立发电系统的励磁控制装置(申请号：201510391869.8)所提供的控制方法中，对CW电流的控制是基于单旋转坐标系，从本质上来讲该方法无法对PW电压中的正序分量和负序分量同时进行控制。为了使无刷双馈电机独立发电系统在不对称负载条件下也能稳定运行，需要构建新的控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种不对称负载条件下无刷双馈电机独立发电系统励磁控制方法，实现无刷双馈电机独立发电系统在不对称负载条件下也能实现变速变载运行工况下的恒频恒压发电功能。此方法适用于基于无刷双馈电机的独立船舶轴带发电系统、独立水力发电系统以及独立风力发电系统等。

为了实现本发明的技术目的，本发明采用了如下技术方案：

不对称负载下无刷双馈电机独立发电系统励磁控制方法，包括如下步骤：

(1)采样PW三相电压瞬时值u_1a、u_1b和u_1c，利用双二阶广义积分器锁相环计算PW电压正序分量的幅值以及负序分量的幅值

(2)采样CW三相电流瞬时值i_2a、i_2b和i_2c，计算CW电流在正序dq坐标系中的正序d、q分量和以及负序dq坐标系中的负序d、q分量和

(3)采样PW三相电流瞬时值i_1a、i_1b和i_1c，计算PW电流在正序dq坐标系中的正序d、q分量和以及负序dq坐标系中的负序d、q分量和

(4)依据PW电压正序分量的幅值CW电流在正序dq坐标系中的正序d、q分量利用PW电压正序分量控制器计算得到CW三相电压正序分量给定值和

(5)依据PW电压负序分量的幅值CW电流在负序dq坐标系中的负序d、q分量和利用PW电压负序分量控制器计算得到CW三相电压负序分量给定值和

(6)将CW电压的正序和负序分量给定值相加得到CW电压给定值和利用SVPWM算法生成调制信号，进而使逆变器输出相应的电压至CW；

(7)重复上述步骤(1)～(6)，使PW电压正序分量的幅值和频率分别跟踪给定值，负序分量的幅值收敛至0。

进一步地，所述步骤(2)的具体实现方式为：

首先计算CW负序电流的相位

其中，θ₁为PW电压正序分量相位，为CW正序电流的相位

然后采用CW正序电流的相位将CW三相电流瞬时值i_2a、i_2b和i_2c从abc坐标系变换变换到正序dq坐标系，得到CW电流在正序dq坐标系中的d、q分量和采用CW负序电流的相位将CW三相电流瞬时值i_2a、i_2b和i_2c从abc坐标系变换到负序dq坐标系，得到CW电流在负序dq坐标系中的d、q分量和变换表达式如下：

采用陷波滤波器分别对和进行滤波，得到CW电流在正序dq坐标系中的正序d、q分量和以及负序dq坐标系中的负序d、q分量和

进一步地，所述步骤(3)的具体实现方法为：

首先计算PW正序电流的相位和PW负序电流的相位

其中p₁为功率绕组PW的极对数，p₂为控制绕组CW的极对数，η为PW与CW之间的机械角度偏差；

然后采用PW正序电流的相位将PW三相电流瞬时值i_1a、i_1b和i_1c从abc坐标系变换变换到正序dq坐标系得到和采用PW负序电流的相位将PW三相电流瞬时值i_1a、i_1b和i_1c从abc坐标系变换变换到负序dq坐标系得到和变换表达式如下：

采用陷波滤波器分别对和进行滤波，得到PW电流在正序dq坐标系中的正序d、q分量和以及负序dq坐标系中的负序d、q分量和

进一步地，所述步骤(4)的具体实现方法为：

计算PW电压正序分量的幅值与给定幅值的差值，将该差值作为第一PI调节器的输入，第一PI调节器的输出为CW电流正序幅值调节量与CW电流正序幅值前馈量相加得到CW电流正序幅值的给定值

计算PW电压频率ω₁与给定频率的差值，将该差值作为第二PI调节器的输入，第二PI调节器的输出为CW电流频率调节量与CW电流频率前馈量相加得到CW正序电流的频率对积分得到CW正序电流的相位

令CW电流在正序dq坐标系中的正序d轴分量给定值等于计算与的差值，将该差值作为第三PI调节器的输入，第三PI调节器的输出与CW电压在正序dq坐标系中的正序d轴前馈量相加，得到CW电压在正序dq坐标系中的正序d轴给定值

令CW电流在正序dq坐标系中的正序q轴分量给定值等于0，计算与的差值，将该差值作为第四PI调节器的输入，第四PI调节器的输出与CW电压在正序dq坐标系中的正序q轴前馈量相加，得到CW电压在正序dq坐标系中的正序q轴给定值

最后采用CW正序电流的相位将和从正序dq坐标系变换到abc坐标系，得到abc坐标系中的CW三相电压正序分量给定值和

进一步地，所述CW电流正序幅值前馈量CW电流频率前馈量CW电压正序d轴前馈量与CW电压正序q轴前馈量的计算方法为：

式中，

式中，

式中，

其中为CW的漏感系数，ω_r为电机转速，ω₁为PW电压频率，为CW正序电流的频率，L_1r为PW和转子之间的互感，L_2r为CW和转子之间的互感，L₁为PW的自感，L₂为CW的自感，L_r为转子的自感，R₁为PW的相电阻，R₂为CW的相电阻，R_r为转子的相电阻；

将和从正序dq坐标系变换到abc坐标系的表达式为：

在本发明中，ω_r可按照如下方式计算：

(1-1)采样电机转子位置信号瞬时值θ_r；

(1-2)对相邻两次采样的θ_r进行差分运算；

(1-3)采用一阶低通滤波器对(1-2)计算得到的结果进行滤波，得到电机转速ω_r。

进一步地，所述步骤(5)的具体实现方法如下：

计算PW电压负序分量的幅值与给定幅值的差值，将该差值作为第五PI调节器的输入，第五PI调节器的输出为CW电流负序幅值调节量与CW电流负序幅值前馈量相加得到CW电流负序幅值的给定值

令CW电流在负序dq坐标系中的负序d轴分量给定值等于计算CW电流在负序dq坐标系中的负序d分量与的差值，将该差值作为第六PI调节器的输入，第六PI调节器的输出与CW电压在负序dq坐标系中的负序d轴前馈量相加，得到CW电压在负序dq坐标系中的负序d轴给定值

令CW电流在负序dq坐标系中的负序q轴分量给定值等于0，计算CW电流在负序dq坐标系中的负序q分量与的差值，将该差值作为第七PI调节器的输入，第七PI调节器的输出与CW电压在负序dq坐标系中的负序q轴前馈量相加，得到CW电压在负序dq坐标系中的负序q轴给定值

最后采用CW负序电流的相位将和从负序dq坐标系变换到abc坐标系，得到abc坐标系中的CW三相电压负序分量给定值和

进一步地，所述CW电流负序幅值前馈量CW电压在负序dq坐标系中的负序d轴前馈量与CW电流在负序dq坐标系中的负序q分量的计算方法为：

式中，

式中，

式中，其中为CW的漏感系数，ω_r为电机转速，ω₁为PW电压频率，为CW负序电流的频率，L_1r为PW和转子之间的互感，L_2r为CW和转子之间的互感，L₁为PW的自感，L₂为CW的自感，L_r为转子的自感，R₁为PW的相电阻，R₂为CW的相电阻，R_r为转子的相电阻。

将和从负序dq坐标系变换到abc坐标系的表达式为：

进一步地，所述步骤(6)中的CW三相电压给定值和是由步骤(5)计算得到的CW三相电压正序分量给定值和步骤(6)计算得到的CW三相电压负序分量给定值相加得到，其表达式为：

本发明的有益技术效果体现在：

本发明所提供的不对称负载条件下无刷双馈电机独立发电系统励磁控制方法是基于正、负序双dq坐标系，PW电压正序分量控制器根据PW电压的正序分量幅值和频率的给定值和反馈值调节CW电压正序分量，PW电压负序分量控制器根据PW电压的负序分量幅值的给定值和反馈值调节CW电压负序分量，PW电压负序控制器不需要对PW电压负序分量的频率进行控制，这是因为正序分量的频率和负序分量的频率是相同的，如果对正序分量的频率实现了很好的跟踪，那么也自然实现了对负序分量频率的跟踪。CW电压正、负序分量相加即得最终的CW电压给定值，根据该给定值产生PWM调制信号，进而驱动逆变器对CW进行控制。对称负载是不对称负载的一种特殊情况，本发明所提供的控制方法同样也适用于对称负载条件下的无刷双馈电机独立发电系统运行控制。

附图说明

图1是本发明实施例的不对称负载下无刷双馈电机独立发电系统励磁控制方法流程图；

图2是本发明实施例对CW电流在正负序旋转坐标系中进行分解的原理框图；

图3是本发明实施例对PW电流在正负序旋转坐标系中进行分解的原理框图；

图4是本发明实施例的PW电压正序分量控制器原理框图；

图5是本发明实施例的PW电压负序分量控制器原理框图；

图6(a)是采用发明专利一种无刷双馈电机独立发电系统的励磁控制装置所述控制方法时的PW线电压波形；

图6(b)是采用发明专利一种无刷双馈电机独立发电系统的励磁控制装置所述控制方法时的CW相电流波形；

图7(a)是本发明实施例的PW线电压波形；

图7(b)是本发明实施例的CW相电流波形。

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。

在本发明实施例中，如图1所示，包括如下步骤：

(1)采样PW三相电压瞬时值u_1a、u_1b和u_1c，利用双二阶广义积分器锁相环计算PW电压正序分量的幅值以及负序分量的幅值

(2)采样CW三相电流瞬时值i_2a、i_2b和i_2c，计算CW电流在正序dq坐标系中的正序d、q分量和以及负序dq坐标系中的负序d、q分量和

(3)采样PW三相电流瞬时值i_1a、i_1b和i_1c，计算PW电流在正序dq坐标系中的正序d、q分量和以及负序dq坐标系中的负序d、q分量和

(4)利用PW电压正序分量控制器计算得到CW三相电压正序分量给定值和

(5)利用PW电压负序分量控制器计算得到CW三相电压负序分量给定值和

(6)将CW三相电压的正序和负序分量给定值相加得到CW三相电压给定值和利用SVPWM算法生成调制信号，进而使逆变器输出相应的电压至CW；

(7)重复上述步骤(1)～(6)，使PW电压正序分量的幅值和频率分别跟踪给定值，负序分量的幅值收敛至0。

在本发明实施例中，如图2所示，步骤(2)的具体实施方式为：

首先计算CW负序电流的相位然后采用CW正序电流的相位作为参考角度将i_2a、i_2b和i_2c从abc坐标系变换变换到正序dq坐标系，得到CW电流在正序dq坐标系中的d、q分量和采用CW负序电流的相位将i_2a、i_2b和i_2c从abc坐标系变换到负序dq坐标系，得到CW电流在负序dq坐标系中的d、q分量和采用阻尼系数为陷波频率为2倍PW电压额定频率的陷波滤波器分别对和进行滤波，得到CW电流在正序dq坐标系中的正序d、q分量和以及负序dq坐标系中的负序d、q分量和

在本发明实施例中，如图3所示，步骤(3)的具体实施方式为：

首先计算PW正序电流的相位和PW负序电流的相位然后采用PW正序电流的相位将i_1a、i_1b和i_1c从abc坐标系变换变换到正序dq坐标系得到和采用PW负序电流的相位将i_1a、i_1b和i_1c从abc坐标系变换变换到负序dq坐标系得到和采用阻尼系数为陷波频率为2倍PW电压额定频率的陷波滤波器分别对和进行滤波，得到PW电流在正序dq坐标系中的正序d、q分量和以及负序dq坐标系中的负序d、q分量和

在本发明实施例中，如图4所示，步骤(4)的具体实施方式为：

计算PW电压正序分量的幅值与给定幅值的差值，将该差值作为PI调节器1的输入，PI调节器1的输出为CW电流正序幅值调节量与CW电流正序幅值前馈量相加得到CW电流正序幅值的给定值计算PW电压频率ω₁与给定频率的差值，将该差值作为PI调节器2的输入，PI调节器2的输出为CW电流频率调节量与CW电流频率前馈量相加得到CW正序电流的频率对积分得到CW正序电流的相位令CW电流在正序dq坐标系中的正序d轴分量给定值等于计算与的差值，将该差值作为PI调节器3的输入，PI调节器3的输出与CW电压在正序dq坐标系中的正序d轴前馈量相加，得到CW电压在正序dq坐标系中的正序d轴给定值令CW电流在正序dq坐标系中的正序q轴分量给定值等于0，计算与的差值，将该差值作为PI调节器4的输入，PI调节器4的输出与CW电压在正序dq坐标系中的正序q轴前馈量相加，得到CW电压在正序dq坐标系中的正序q轴给定值最后采用CW正序电流的相位将和从正序dq坐标系变换到abc坐标系，得到abc坐标系中的CW三相电压正序分量给定值和

在本发明实施例中，如图5所示，步骤(5)的具体实施方式为：

计算PW电压负序分量的幅值与给定幅值的差值，将该差值作为PI调节器5的输入，PI调节器5的输出为CW电流负序幅值调节量与CW电流负序幅值前馈量相加得到CW电流负序幅值的给定值令CW电流在负序dq坐标系中的负序d轴分量给定值等于计算与的差值，将该差值作为PI调节器6的输入，PI调节器6的输出与CW电压在负序dq坐标系中的负序d轴前馈量相加，得到CW电压在负序dq坐标系中的负序d轴给定值令CW电流在负序dq坐标系中的负序q轴分量给定值等于0，计算与的差值，将该差值作为PI调节器7的输入，PI调节器7的输出与CW电压在负序dq坐标系中的负序q轴前馈量相加，得到CW电压在负序dq坐标系中的负序q轴给定值最后采用CW负序电流的相位将和从负序dq坐标系变换到abc坐标系，得到abc坐标系中的CW三相电压负序分量给定值和

在本发明实施例中，将步骤(4)计算得到的CW三相电压正序分量给定值和步骤(5)计算得到的CW三相电压负序分量给定值对应相加得到步骤(6)中的CW三相电压给定值和，然后利用SVPWM算法生成调制信号，进而使逆变器输出相应的电压至CW。

在本实施例中，无刷双馈电机的额定功率为30kw，PW和CW的极对数分别为1和3，PW和CW的额定电压分别为380V和320V，PW和CW的额定电流分别为45A和40A，同步转速为750r/min，PW和转子之间的互感L_1r为0.1175H，CW和转子之间的互感L_2r为0.3359H，PW的自感L₁为0.4519H，CW的自感L₂为0.4977H，转子的自感L_r为0.0366H，PW的相电阻R₁为2.73Ω，CW的相电阻R₂为1.16Ω，转子的相电阻R_r为0.1822Ω。本实施例中所用到的不对称负载，其A相为25Ω阻性负载，其B相和C相均为100Ω阻性负载。无刷双馈电机输出线电压(即PW电压)有效值和频率的给定给定值分别为380V、50Hz，进行实验时无刷双馈电机的转速保持在930rpm。

图6(a)是采用发明专利一种无刷双馈电机独立发电系统的励磁控制装置所述控制方法时的PW线电压波形。图6(a)的纵坐标为PW线电压，单位为V；横坐标为时间，单位为s。

图6(b)是采用发明专利一种无刷双馈电机独立发电系统的励磁控制装置所述控制方法时的CW相电流波形。图6(b)的纵坐标为CW相电流，单位为A；横坐标为时间，单位为s。

图7(a)是本发明实施例的PW线电压波形。图7(a)的纵坐标为PW线电压，单位为V；横坐标为时间，单位为s。

图7(b)是本发明实施例的CW相电流波形。图7(b)的纵坐标为CW相电流，单位为A；横坐标为时间，单位为s。

如图6(a)所示，在无刷双馈电机独立发电系统带不对称负载时，若采用发明专利一种无刷双馈电机独立发电系统的励磁控制装置所述控制方法，PW线电压波形出现严重不对称。PW电压的不对称通过无刷双馈电机转子的耦合使得CW相电流也产生了畸变，如图6(b)所示。

如图7(a)所示，在无刷双馈电机独立发电系统带不对称负载时，若采用本发明所述控制方法，PW线电压波形得到显著改善。而CW相电流表现为在基波的基础上叠加了一定量的谐波，如图7(b)所示。

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。