专利名称：一种无刷双馈电机控制装置及其控制方法
技术领域：
本发明属于电机控制技术领域，特别涉及一种无刷双馈电机控制装置及其控制方法。
背景技术：
无刷双馈电机是近些年来发展起来的一种新型电机，是由Hunt发明的级联式电机发展而来，其结构上具有一定的特殊性，在定子侧具有两套绕组，并且取消了电刷和滑环，增加了电机运行的可靠性，并且降低了电机的维护成本。同时变频电源只需为控制绕组供电，降低了控制器的成本，由于其结构特点，其在风力发电和风力发电、变落差水力发电、 潮汐发电等可再生能源具有广泛的应用。无刷双馈电机有两套定子绕组和一套转子构成，两套定子绕组分别为功率绕组和控制绕组，其中用来承担主要功率传输的具有2Pp极的定子绕组称为主绕组或者功率绕组，而用来控制电机运行方式的具有2Pq极的定子绕组称为副绕组或控制绕组，功率绕组由电网供电，控制绕组由变频电源供电，与一般的交流感应电机相比无刷双馈电机具有调速性能优越，尤其是当其处于变速恒频发电时，其优越性更是能体现出来。由于无刷双馈电机是由两台不同极数感应电机串级联接转化而来的，其功率流动关系可以参考感应电机进行分析，但是由于无刷双馈电机有两套定子绕组，因此当其处于稳定运行状态时，在转子中由两套定子绕组所建立的磁场会产生耦合作用，因此相比于普通的交流感应电机又具有其本身的复杂性。因此对于无刷双馈电机的功率控制有一定的困难性。现有无刷双馈电机是通过控制定子绕组端的电压幅值来调节功率因数，造成无刷双馈电机处于发电状态时，电网传输电能的质量不高。现有的无刷双馈电机功率控制系统中，大多采用PID控制对于闭环控制的差值进行调节，得到所需要的参数，具有算法简单，可靠性高，容易实现等优点，传统PID控制算法在寻求三个变量Kp、Ki和Kd的最优值的时候，大多采用经验法，试凑法来调整PID控制器的控制参数，这种传统的方法在线性系统中控制效果比较明显，但是与普通类型的交流感应电机相比无刷刷馈电机的电路存在着结构复杂，谐波含量大，控制方程式复杂，控制方法复杂，电机的参数变化对电机的控制影响较大等诸多不利的因素，因此没有达到很理想的效果。
发明内容
针对现有装置和方法存在的不足，本发明提出一种无刷双馈电机控制装置，包括主电路、驱动电路、控制电路和检测电路，其中，控制电路包括DSP控制器和可编程逻辑控制器件CPLD，检测电路包括整流端电压和电流检测电路、交流端电压和电流检测电路，所述的主电路包括整流电路和逆变电路，所述的整流电路和逆变电路都采用二极管钳位式三电平结构，包括三个桥臂，每个桥臂由4个IGBT串联组成，第一 IGBT的发射极连接第二 IGBT的集电极，第二 IGBT的发射极连接第三IGBT的集电极，第三IGBT的发射极连接第四IGBT 的集电极，第二 IGBT上并联第一二极管，第三IGBT上并联第二二极管，第一二极管的负极连接第二 IGBT的发射极，第一二极管的正极连接第二二极管的负极，第二二极管的正极连接第三IGBT的发射极，三个桥臂的结构相同且彼此并联；每个桥臂包括三种开关状态同时导通第一 IGBT和第二 IGBT，关断第三IGBT和第四IGBT，逆变电路输出端获得正电平；同时第二 IGBT和第三IGBT，关断第一 IGBT和第四IGBT时，逆变电路输出端获得电压为零；同时导通第三IGBT和第四IGBT，关断第一 IGBT和第二 IGBT时，逆变电路输出端获得负电平；通过对四个开关器件的控制，令三个桥臂分别取上述三种开关状态中的一种，在逆变电路输出端合成三电平波形；本发明一种无刷双馈电机实时功率控制方法，包括以下步骤步骤1 通过检测电路进行电机侧参数数据采集，采集功率绕组端相电压UA，Ub和 Uc,采集功率绕组端相电流IA，Ib和Ic，经过d-q坐标变换，将功率绕组三相电压变化为d-q 坐标系下的功率绕组d轴分量Udp和功率绕组q轴分量Utip，将功率绕组三相电流变化为d-q 坐标系下功率绕组相电流d轴分量‘和功率绕组q轴分量iM ；步骤2 计算有功功率实测值P和无功功率实测值Q，公式如下P = ^iUJqp+UdpIdp)(1)Q = ^(UJdp-UdpIqp)(2)步骤3 设定无刷双馈电机有功功率给定值为P*，将步骤2计算的有功功率实测值 P与给定值P*做差，得到误差值 ，将误差值ep带入PID调节器中，采用增量式PID算法， 公式为idc* = idc* (k-1) +kp [ep (k) -ep (k_l) ] +1^ (k) +kd [ep (k) -2ep (k_l) +ep (k_2) ] (3)式中，kp表示比例系数，Iii表示积分系数，kd表示微分系数，采用实数编码遗传算法对所述PID调节器中的参数kp. kd进行优化方法为步骤3-1 设置遗传算法的，种群规模、迭代次数，并确定参数ki;kp. kd的取值范围分别为 W，20]，
,
；步骤3-2 由参数ki; kp. kd构成染色体，随机生成种群；步骤3-3 计算适应度，公式为
权利要求
1.一种无刷双馈电机控制装置，包括主电路、驱动电路、控制电路和检测电路，其中，控制电路包括DSP控制器和可编程逻辑控制器件CPLD，检测电路包括整流端电压和电流检测电路、交流端电压和电流检测电路，其特征在于所述的主电路包括整流电路和逆变电路， 所述的整流电路和逆变电路都采用二极管钳位式三电平结构，包括三个桥臂，每个桥臂由4 个IGBT串联组成，第一 IGBT的发射极连接第二 IGBT的集电极，第二 IGBT的发射极连接第三IGBT的集电极，第三IGBT的发射极连接第四IGBT的集电极，第二 IGBT上并联第一二极管，第三IGBT上并联第二二极管，第一二极管的负极连接第二 IGBT的发射极，第一二极管的正极连接第二二极管的负极，第二二极管的正极连接第三IGBT的发射极，三个桥臂的结构相同且彼此并联。
2.根据权利要求1所述的无刷双馈电机控制装置，其特征在于所述的三个桥臂，每个桥臂包括三种开关状态同时导通第一 IGBT和第二 IGBT，关断第三IGBT和第四IGBT，逆变电路输出端获得正电平；同时第二 IGBT和第三IGBT，关断第一 IGBT和第四IGBT时，逆变电路输出端获得电压为零；同时导通第三IGBT和第四IGBT，关断第一 IGBT和第二 IGBT时，逆变电路输出端获得负电平。
3.根据权利要求2所述的无刷双馈电机控制装置，其特征在于所述的三个桥臂，分别采用三种开关状态中的一种，三个桥臂所取开关状态互不重复，在逆变电路输出端合成三电平波形。
4.采用权利要求1所述的无刷双馈电机控制装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤步骤1 通过检测电路进行电机侧参数数据采集，采集功率绕组端相电压UA, Ub和Uc,采集功率绕组端相电流IA，Ib和Ic，经过d_q坐标变换，将功率绕组三相电压变化为d_q坐标系下的功率绕组d轴分量Udp和功率绕组q轴分量Uqp，将功率绕组三相电流变化为d_q坐标系下功率绕组相电流d轴分量idp和功率绕组q轴分量、；步骤2 计算有功功率实测值P和无功功率实测值Q，公式如下P = \(UJqp+UdpIdp)(1)Q = I(UJdp-UdpIqp)(2)步骤3 设定无刷双馈电机有功功率给定值为P*，将步骤2计算的有功功率实测值P与给定值P*做差，得到误差值 ，将误差值 带入PID调节器中，采用增量式PID算法，公式为idc* = idc* (k-1) +kp [ep (k) -ep (k_l) ] +1^ (k) +kd [ep (k) -2ep (k_l) +ep (k_2) ] (3)式中，kp表示比例系数，Iii表示积分系数，kd表示微分系数，采用实数编码遗传算法对所述PID调节器中的参数k” kp. kd进行优化；步骤4 设定无刷双馈电机无功功率给定值为Q*，将步骤2计算得到的无功功率实测值 Q与无功功率给定值Q*做差，得到误差ea，将误差ea送入遗传算法PID调节器中，得到控制绕组相电流值q轴分量给定值、Λ PID调节公式为iqc* = iqc* (k-1) +kp [eq (k) -eq (k_l) ] +^eq (k) +kd [eq (k) -2eq (k_l) +eq (k_2) ] (4) 采用实数编码遗传算法对所述PID调节器中的参数k” kp. kd进行优化； 步骤5 检测控制绕组相电流实测值，将其进行d-q坐标变换得到控制绕组电流的d轴分量id。，将其与步骤3计算得到的控制绕组相电流d轴分量给定值idc*做差，得到误差值 S d，将误差值Sd带入PID调节器中，公式如下所得的差值送入电流内遗传算法电流调节器，进行参数的优化调节，输出控制绕组电压d轴分量Ud。，其中，PID调节公式为Udc = udc(k-l)+kp[ δ d(k)_ δ d(k-l)]+ki δ d(k)+kd[ δ d(k)-2 δ d(k-l)+ δ d(k-2)](5)采用实数编码遗传算法对所述PID调节器中的参数k” kp. kd进行优化； 步骤6 检测控制绕组相电流实测值，将其进行d-q坐标变换得到控制绕组电流的d轴分量i,。，将其与步骤3计算得到的控制绕组相电流d轴分量给定值做差，得到误差值 S ,，将误差值δ q带入PID调节器中，公式如下Uqc = uqc(k-l)+kp[ δ q(k)-5 ,(k-Dl-ki δ q(k) +kd[ δ q(k)-2 δ Jk-I)+ δ q(k-2)](6)采用实数编码遗传算法对所述PID调节器中的参数k” kp. kd进行优化； 步骤7 经过d-q坐标反变换，得到控制绕组端相电压值Ua，Ub和U。，以此驱动电机，控制电机运转。
5.根据权利要求4所述的无刷双馈电机的控制方法，其特征在于步骤3、步骤4、步骤 5和步骤6中所述的实数编码遗传算法，包括以下步骤步骤3-1 设置遗传算法的，种群规模、迭代次数，并确定参数ki;kp. kd的取值范围分别为 W，20]，
,
；步骤3-2 由参数ki; kp. kd构成染色体，随机生成种群； 步骤3-3 计算适应度，公式为f =1/J 式中，J=Ple⑴μ为目标函数，用以评价染色体的优劣，适用度函数是目标函数的倒0数，其中，t表示时间，e(t)输入误差值；步骤3-4 根据步骤3-3计算的适应度值，计算累计概率，并通过累计概率对种群中的染色体进行选择，累计概率的公式为
全文摘要
一种无刷双馈电机控制装置及其控制方法，属于电机控制领域，本发明的主电路与二极管钳位的三电平逆变器相比传统两电平逆变电路点显著，其相电压输出由两电平变为三电平，线电压由三电平增加为五电平，每个电平的幅度则由原来的整个直流母线电压降低为一半直流母线电压，因输出电平也下降为原来的一半；如果增加每个单元中串联的开关器数，还可以在输出电压波形中产生更多的电平数，从而使输出波形更好地逼标准正弦波形；本发明方法对无刷双馈电机的控制绕组电压的解耦分量Udc和Uqc的分别控制，使得有功功率和无功功率可以进行分别控制，使得功率因数可调，能量得以有效地利用。
文档编号H02P27/14GK102420566SQ20111042846
公开日2012年4月18日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者刘岩, 徐彬, 杨丹, 王旭, 邢岩 申请人:东北大学