一种定子双绕组异步电机发电系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种定子双绕组异步电机变频交流发电系统及控制方法，属于变频交 流发电系统的技术领域。
【背景技术】
[0002] 变频交流电源系统是多电/全电飞机电源发展的一个重要的方向。例如大型民用 客机B787和A380均采用变频交流电源系统。随着机载用电设备和精密仪器的不断增加， 对电源系统的容量和性能要求也越来越高。
[0003] 定子双绕组异步电机（DWIG)是本世纪初提出的一种新型笼型异步电机，它继承 了普通笼型异步电机结构简单、成本低、可靠性高等优点。该发电机的定子上有两套绕组， 分别是控制绕组和功率绕组。控制绕组接有功率变换器对电机的磁场和转矩进行调节，功 率绕组对负载供电。它们仅通过磁场耦合，无电气连接，变速环境下运行良好，且控制器容 量较小，适合在高性能的独立电源系统中应用。
[0004] 交流发电系统的波形质量是衡量其性能的重要指标，相关标准对此都作了详细的 规定。为了满足标准，在现有技术方案中，定子双绕组异步电机发电系统的控制绕组侧基本 依靠单电感（单L)进行滤波，此时系统往往需要较大的滤波电感，这无疑增加了系统的体 积重量。在现有设计方案中的控制绕组侧增加励磁电容，构成具有更好滤波特性的LCL型 滤波器，可以有效滤除高次谐波，减小损耗，降低系统体积重量。
[0005] 定子双绕组异步电机发电系统的运行性能同时也取决于所采用的控制策略。良好 的控制策略不仅可以消除系统稳态误差，提高系统动态响应速度，还可以提高波形质量并 降低系统损耗。从现有的资料来看，定子双绕组异步电机发电系统的电压调节方法主要是 基于稳态模型的标量控制，并未基于系统动态模型进行控制器设计。异步电机的标量控制 由于没有考虑发电系统的动态模型，所以其动静态性能不理想，调节器参数选取困难。
【发明内容】
[0006] 发明目的：针对上述现有技术，提出一种定子双绕组异步电机发电系统及控制方 法，有效滤除变换器产生的高次谐波，减小损耗。
[0007] 技术方案：一种变频交流发电系统，包括由定子双绕组异步发电机、功率变换器、 滤波电感、励磁电容、直流滤波电容构成的主功率电路，由蓄电池和二极管构成的辅助电 源，由直流电压传感器、交流电压传感器、第一交流电流传感器、第二交流电流传感器组成 的检测电路，由控制器和驱动电路组成的控制电路；其中：
[0008] 所述主功率电路中，所述功率变换器的交流侧串联滤波电感后连接定子双绕组异 步发电机的控制绕组，所述励磁电容与滤波电感以及电机定子绕组漏感构成LCL型滤波 器；所述LCL型滤波器用于在滤波的同时利用励磁电容向定子双绕组异步发电机提供无功 励磁；所述低压小功率辅助电源用于为电机提供初始励磁；所述检测电路用于检测所述主 功率电路中的直流侧电压、交流侧电压、交流侧电流，并将检测得到的检测值传输至所述控 制器；所述控制器采用矢量控制策略驱动功率变换器进行控制。在控制上使用基于动态模 型的矢量控制方法，这样易于设计和计算调节器及其参数，并且该控制器的设计从原理上 抑制了负载和转速的干扰，因此可以使系统在不同负载和转速条件下均拥有优良的动静态 性能。
[0009] -种变频交流发电系统的矢量控制方法，包括如下步骤：
[0010] 步骤1，根据交流电压传感器测量值算得定子双绕组异步发电机功率绕组侧输出 的交流电压有效值up，利用式（1)计算出电机定子磁链给定值乂 ：
[0012] 其中： <表示功率绕组输出交流电压的给定有效值，也。表示系统处于静态工作 点时的电机定子磁链估计值A1为比例积分调节器的比例系数，K2为积分系数；P为微分算 子；
[0013] 步骤2，利用定子磁链观测器建立以定子磁链矢量定向的同步旋转坐标系，观测定 子磁链幅值也 5，并进行闭环反馈调节，得到控制绕组在同步坐标系下的d轴电流给定值 如式⑵所示：
[0015] 其中=K3为定子磁链比例积分调节器的比例系数，K4为定子磁链比例积分调节器 的积分系数；
[0016] 步骤3,根据直流电压传感器测量值Ui和直流电压给定值*4€.进行闭环反馈调 节，得到控制绕组在同步坐标系下的q轴电流给定值如式（3)所示：
[0018] 其中=K5为直流电压比例积分调节器的比例系数，K6为直流电压比例积分调节器 的积分系数；
[0019] 步骤4,利用第一交流电流传感器测量控制绕组电流值，坐标变换后得到控制绕组 在同步坐标系下的d，q轴电流isd和isq，根据步骤2和3得到的控制绕组在同步坐标系下 的d，q轴电流给定值.^和对控制绕组在同步坐标系的d，q轴电流进行闭环反馈调节， 得到控制绕组在同步坐标系下的d，q轴电压给定，：<，如式（4)所示：
[0022] 其中=K7为电流闭环比例积分调节器的比例系数，Ks为电流闭环比例积分调节器 的积分系数，ipd为第二交流电流传感器测量并计算得到的功率绕组d轴电流值；
[0023] 步骤5，根据步骤4求出的控制绕组在同步坐标系下的d，q轴电压给定心，< 和 定子磁链观测器测量的磁链角度％ >采用正弦波脉宽调制或空间矢量脉宽调制，驱动功率 变换器的开关管，控制定子双绕组异步电机定子旋转磁场的幅值和转速，从而控制系统正 常稳定工作。
[0024] 有益效果：相较于传统的定子双绕组异步电机发电系统，本发明的拓扑结构中，在 主功率电路上形成了LCL型滤波器结构，该LCL型滤波器由滤波电感、励磁电容和定子双绕 组异步电机中的控制绕组定子漏感组成，比普通的LCL滤波器少用一个电感，而电容除滤 波作用外，还起到对双绕组异步发电机进行励磁的作用。LCL型滤波器相比于普通的单L滤 波器，由于具有三阶的低通滤波特性，因而对于同样谐波标准和较低的开关频率，可以采用 相对较小的滤波电感设计，有效降低系统的体积重量并减小损耗。
【附图说明】
[0025] 图1为变频交流发电系统的示意图；
[0026] 图2为变频交流发电系统主功率等效电路示意图；
[0027] 图3为变频交流发电系统矢量控制方法原理图；
[0028] 图中标号说明：图1中，1、定子双绕组异步发电机；2、滤波电感；3、功率变换器； 4、励磁电容；5、蓄电池；6、二极管；7、滤波电容；8、直流电压传感器、9、交流电压传感器； 10、第一交流电流传感器；11、第二交流电流传感器；12、控制器；13、驱动电路；14、负载。图 2中，15、功率变换器等效电压源；16、LCL型滤波器，由滤波电感，励磁电容，电机绕组漏感 组成；17、定子双绕组电机定子功率绕组等效电路；18、定子双绕组电机等效激磁电感；19、 定子双绕组电机转子等效电路；20、定子双绕组电机定子控制绕组等效电阻。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0030] 如图1所示的变频交流发电系统，包括定子双绕组异步发电机1、三个滤波电感2、 功率变换器3、三个励磁电容4、蓄电池5、二极管6、直流滤波电容7、直流电压传感器8、交 流电压传感器9、第一交流电流传感器10、第二交流电流传感器11、控制器12、驱动电路13。 定子双绕组异步发电机1、三个滤波电感2、功率变换器3、三个励磁电容4、直流滤波电容7 组成主功率电路。蓄电池5和二极管6组成低压小功率辅助电源。直流电压传感器8、交流 电压传感器9、第一交流电流传感器10、第二交流电流传感器11组成检测电路。控制器12 和驱动电路13组成控制电路。定子双绕组异步发电机1接有功率变换器3的一套定子绕 组称之为控制绕组，定子双绕组异步发电机1直接接有负载的另一套定子绕组称之为功率 绕组。
[0031] 其中，二极管6的阳极与蓄电池5的正极连接，二极管6的阴极与功率变换器3直 流侧的正直流母线连接，蓄电池5的负极与负直流母线连接。安装在功率变换器直流母线 上的低压小功率辅助电源（24V或48V)为定子双绕组异步发电机提供初始励磁无功功率， 保证定子双绕组异步发电机顺利建压，当功率变换器3的直流母线电压超过低压小功率辅 助电源的电压时，二极管6反向截止，蓄电池5与直流母线自然脱离。
[0032] 低压小功率辅助电源的两端与滤波电容7连接，滤波电容7通过直流母