专利名称：一种变速永磁交流发电机系统及其双端口稳压控制方法
技术领域：
本发明涉及电机领域，特别涉及一种变速永磁交流发电机系统及其双端口稳压控制方法。
背景技术：
永磁交流发电机输出交流电压，经PWM整流器进行交流/直流(亦称ac/dc)变换和经直流滤波装置滤波后，可以获得可控的直流电压，为直流负载供电。永磁交流发电机系统的结构一般包括永磁交流发电机、PWM整流器、直流滤波装置以及控制系统。永磁交流发电机采用永磁体励磁,其缺点在于励磁不可调节。原动机带动永磁交 流发电机的转子旋转，在恒定励磁磁场作用下，永磁交流发电机(以下简称为发电机)产生的旋转电势(亦称发电机电势或反电势)大小正比于发电机转子的转速。发电机输出的交流电经PWM整流器进行功率变换，再经直流滤波装置进行滤波，之后的直流输出端的直流电压是可控、稳定的。发电机的输出端称为交流输出端，直流滤波装置的输出端称为直流输出端。直流滤波装置的直流输出端的直流电压(以下简称为直流输出端电压或直流电压)的控制系统的常见结构如下所述的发电机、PWM整流器及直流滤波装置通过一个控制器形成闭环控制回路。所述的控制器主要包括直流电压检测模块、调节器以及PWM发生模块；所述的直流电压检测模块接入所述的直流输出端，检测直流电压；所述的调节器包括用于计算所述发电机的交流输出端的交轴电流给定值I:的运算器(运算器根据直流输出端电压以及检测到的发电机转子的转速信号并根据预设的直流电压标准值运算出所述的给定值I:)，以及用于对所述的交轴电流给定值I:进行微调的补偿器(补偿器是对永磁交流发电机系统的参数变化、数学模型的不精确性，以及发电机转子的转速变化等各种扰动因素进行补偿)；一般情况下，在实际的实施过程中，所述的调节器利用闭环控制方法，直接根据直流输出端电压和预设的直流电压标准值之间的差值来计算交轴电流给定值I:使得直流输出端电压与预设的直流电压标准值一致，这是一种比使用独立的所述运算器和补偿器具有更好的稳压效果的更简便的实现方法；所述的调节器还根据发电机的凸极率设定发电机的交流输出端的直轴电流给定值I/，设定的标准是使发电机的功率、电磁转矩或者功率因素最大化；所述的PWM发生模块用于根据比较发电机交流输出端的交轴电流I,及其给定值I/以及比较发电机交流输出端的直轴电流Id及其给定值I/，并根据发电机转子的位置和发电机转子的转速产生控制所述PWM整流器的功率开关管导通或关断的PWM触发脉冲；此外，所述的调节器与PWM发生模块之间还设有电流限幅模块，该电流限幅模块用于限制交轴电流给定值I/和
直轴电流给定值I/的相量和的幅值+I/2，输出的限幅后的交轴电流给定值I:和限幅后的直轴电流给定值I/，使得二者的相量和的幅值0 +1；'2不超过发电机的交流电流额
I额定。
在大多数发电场合，要求所述的直流输出端电压稳定，但并不关心发电机交流输出端的交流电压(以下简称为交流输出端电压或交流电压)是否稳定。在发电机转子的转速变化明显的场合(如风力发电)，由于发电机的旋转电势也随着转速而变化明显，导致发电机交流输出端电压变化明显。当发电机工作在正常转速范围的最低速时，其旋转电势已经足够高，可以使得PWM整流器正常工作，那么当发电机工作在正常转速范围的最高速时，其旋转电势明显变大。发电机正常工作的转速范围越宽(即最高速与最低速的比值ks越大)，则发电机的旋转电势以及交流输出端电压变化越显著(最高速时的旋转电势与最低速时的旋转电势的比值也是ks)。而PWM整流器的器件的耐压等级必须按发电机最高速时的交流输出端电压来选取，因此，在发电机工作在宽转速范围的条件下必须选取很高的耐压等级，由此大大提高了器件的成本，并降低系统可靠性。同时，发电机的交流输出端电压越大，对发电机的绝缘等级要求也越高，由此大大提高了发电机的成本，甚至降低发电机的绝缘寿命。如果控制发电机的交流输出端的直轴电流Id，使得发电机工作在高速区时直轴电流Id具有弱磁功能，则可以使发电机的交流输出端电压稳定，而不再随发电机转速上升而增大，这样就可以解决前述问题。因此，直轴电流的设定标准是使发电机的交流输出端稳压，这正是本发明有别于常见永磁交流发电机系统的特征之一。在电源电压有限的前提下，通过具有弱磁性质的直轴电流Id来扩展永磁交流电动机的转速范围，增大最高转速，这是一种很常见的控制方法。而本发明是针对永磁交流发电机的，是在高速运行时对发电机的交流输出端施以具有弱磁性质的直轴电流Id，使得发电机的交流输出端电压维持稳定。名为“永磁磁阻发电机的电压控制”的文献(《电工电能新技术》，2006年第4期，PP- 63-66 ;吴义勇等著)针对基于二极管不控整流器的变速永磁交流发电机系统提出了用一个独立的直轴电流发生装置与所述的整流器并联，由此来稳定永磁交流发电机系统的交流输出端电压。 本发明使用PWM整流器对永磁交流发电机的交流输出端电压进行整流并施以合适的交轴电流iq，由此来稳定直流输出端电压，同时对永磁交流发电机的交流输出端施以合适的直轴电流Id，由此来稳定发电机的交流输出端电压，实现双端口稳压。
发明内容
本发明提供了一种变速永磁交流发电机系统及其双端口稳压控制方法，在现有发电机系统的直流输出端电压稳定的前提下，当发电机转速显著变化时能够克服交流输出端电压亦显著变化的问题，实现永磁交流发电机系统的双端口(即所述的交流输出端和直流输出端)稳压。一种变速永磁交流发电机系统(以下简称发电机系统)，包括永磁交流发电机(本文为简便起见，以下简称所述的永磁交流发电机为发电机)、接入发电机交流输出端的PWM整流器、与所述的PWM整流器相连的直流滤波装置以及控制器，所述的控制器包括转子位置与转速检测模块，用于获得所述发电机转子的位置Θ和所述发电机转子的转速；接入所述的直流滤波装置直流输出端的直流电压检测模块和直流电流检测模块，用于获得直流输出端的直流电压Udc和直流电流Id。；
接入所述的发电机交流输出端的交流电压检测模块和交流电流检测模块，用于获得交流输出端的交流电压Uac和交流电流；坐标变换模块，用于根据上述发电机转子的位置Θ将上述交流电流检测模块输出的交流电流进行坐标变换以将其转换为交轴(亦称q轴)电流Iq以及直轴(亦称d轴)电流Id ;第一调节器，用于接收所述直流滤波装置直流输出端的直流电压Ud。和直流电流Idc并根据预设的直流电压标准值Udc*产生并输出所述发电机交流输出端的交轴电流给定值I:;
第二调节器，用于接收上述第一调节器输出的交轴电流给定值I/和所述发电机转子的转速以及所述发电机交流输出端的交流电压Ua。，并根据预设的交流电压标准值Uac*产生并输出所述发电机交流输出端的直轴电流给定值I/ ；电流限幅模块，用于接收所述发电机转子的转速ω P所述发电机转子转速标准值ω；,以及所述的交轴电流给定值I:和所述的直轴电流给定值I/，输出限幅后的交轴电流
给定值I/’和限幅后的直轴电流给定值I/’，使得二者的相量和的幅值W’2 +1；'2不超过所
述发电机交流电流额定值Igffi ;PWM发生模块，用于比较所述的交轴电流I,与其限幅后的给定值I/’以及所述的直轴电流Id与其限幅后的给定值I/’，并根据所述发电机转子的位置Θ和所述的发电机转子的转速ωρ发出控制所述的PWM整流器的功率开关管导通或关断的PWM触发脉冲。现有技术的发电机系统中，PWM整流器将发电机输出的交流电变换为可控的直流电，经直流滤波装置滤波，向负载供电。在发电机的运转速度发生变化时，本发明的发电机系统不仅负载端(即直流输出端)的直流电压Udc是可控且稳定的，而且发电机输出端(即交流输出端)的交流电压Ua。也是可控、稳定的，即实现了双端口稳压。区别于传统永磁交流发电机的交流输出端电压不作控制的运行方式，本发明利用定子电流矢量控制策略来调节气隙磁场，实现永磁交流发电机随转速变化而增磁/弱磁复合控制，从而实现上述效果。本发明的发电机系统通过控制将实际的直流输出端电Sud。和交流输出端电压Ua。分别稳定在预设的直流电压标准值Udc*和预设的交流电压标准值UJ。预设的直流电压标准值Udc*可以是变化的(即发电机系统提供可调直流电源)，也可以是恒定的(即发电机系统提供固定直流电源)。预设的交流电压标准值U:是指满足PWM整流器功率器件的耐压要求和发电机绝缘材料的耐压要求而能确保PWM整流器功率器件及发电机绝缘材料长期安全工作的最高交流输出端电压，亦即所述发电机系统的最大安全交流电压，与PWM整流器功率器件的耐压值和发电机的绝缘等级相关。本发明的变速永磁交流发电机系统的实现原理如下在发电机转子转速的变化范围内，确定一个临界转速(也就是预设的发电机转子转速标准值ω/)，该临界转速的确定原则是在发电机交流输出端的直轴(亦称d轴)电流Id=O的条件下，当发电机的旋转电势(亦称发电机电势或反电势)的大小等于预设的交流电压标准值Uac*时的发电机转子的转速就是该临界转速ω/。当发电机转子的实际转速低于临界转速时，PWM整流器为发电机交流输出端提供增磁性质的合适大小的直轴电流Id (在电机学中按发电机原则规定磁链、电流以及电压的正方向时增磁性质的直轴电流为Id〈0)，使得发电机的交流输出端电压Ua。稳定在预设的标准值Uac*附近；当发电机转子的实际转速高于临界转速ω/时，PWM整流器为发电机交流输出端提供弱磁性质的合适大小的直轴电流Id (即在前述正方向规定下直轴电流为Id>0)，使得发电机的交流输出端电压Uac仍然稳定在预设的交流电压标准值U:附近；当发电机转子的实际转速等于临界转速ω/时，PWM整流器不为发电机交流输出端提供增磁或弱磁性质的直轴电流(即直轴电流Id=0)，使得发电机的交流输出端电压Ua。仍然稳定在预设的交流电压标准值Uac*附近。于是可以实现在发电机的整个转速变化范围内，PWM整流器始终为发电机交流输出端提供合适的直轴电流Id，使得发电机系统的交流输出端电压Uac稳定在预设的标准值U:;同时，PWM整流器始终为发电机交流输出端提供合适大小的交轴电流I,，使得发电机系统直流输出端的直流电压Udc稳定在预设的标准值Udc*。由此可以在整个转速变化范围内实现双端口(即所述的交流输出端和直流输出端)稳压。发电机交流输出端的直轴电流Id和交轴电流Iq的大小分别是由调节器根据交流电压Uac及其标准值Uac*之间的差值以及直流电压Udc及其标准值Udc*之间的差值经闭环控制确定的。但是，直轴电流Id和交轴电流I,必须满足限幅条
件，即二者的相量和的幅值"I: +I；2不能超过发电机的交流电流额定值I K ;若未超过， 则不需对二者实施限幅，若超过，则须对二者分别实施限幅，实施原则是在发电机转子的转速高于临界转速ω/时以确保直轴电流Id的大小为准(即仅对交轴电流Iq限幅)，这样可以确保交流电压Uac不超过其标准值Uac*,避免发生发电机与PWM整流器的过电压故障，而直流电压Ud。可以因交轴电流I,被限幅而低于直流电压标准值Ud:;反之，在发电机转子的转速氏于临界转速ω/时以确保交轴电流Iq的大小为准(即仅对直轴电流Id限幅)，也就是确保直流电压Udc稳定在其标准值Ud:，而交流电压Ua。可以因直轴电流Id被限幅而低于交流电压标准值Uac*,这对发电机与PWM整流器的耐压情况都是安全的。下面介绍本发明的优选技术方案。作为优选，所述的转子位置与转速检测模块可以采用光电编码器或旋转变压器或磁性编码器等位置传感器检测发电机转子的位置Θ，再通过对位置信号Θ进行微分或差分运算获得发电机转子的转速cor0此外也可用另一种优选方式，即所述的转子位置与转速检测模块用无传感器控制算法观测所述发电机转子的位置Θ和所述发电机转子的转速ω-作为优选，所述的接入直流滤波装置直流输出端的直流电压检测模块和直流电流检测模块可以分别使用霍尔效应电压传感器或其他原理的电压传感器和霍尔效应电流传感器或其他原理的电流传感器检测直流输出端的直流电压Udc和直流电流Id。；此外也可以用另一种优选方式，即所述的接入直流滤波装置直流输出端的直流电压检测模块和直流电流检测模块可以分别使用采样电阻检测直流输出端的直流电压Ud。和直流电流Id。；作为优选，所述的接入发电机交流输出端的交流电压检测模块和交流电流检测模块可以分别使用霍尔效应电压传感器或其他原理的电压传感器和霍尔效应电流传感器或其他原理的电流传感器检测交流输出端的交流电压Uac和交流电流；此外也可以用另一种优选方式，即所述的接入发电机交流输出端的交流电压检测模块和交流电流检测模块可以分别使用采样电阻检测交流输出端的交流电压Ua。和交流电流； 作为优选，所述的坐标变换模块根据电机学中的坐标变换理论将所述发电机交流输出端的交流电流经坐标变换得到直轴电流Id和交轴电流Iq;作为优选，所述的第一调节器的功能是计算所述发电机交流输出端的交轴电流给定值I/ ;第一调节器可以采用PI或PID等经典控制理论或者模糊逻辑或滑模控制或神经网络等现代控制理论进行闭环控制，通过比较所述发电机系统直流输出端电压Udc和其标准值Ud:的差别，当直流输出端电压Udc小于其标准值Ud:时增大输出的交轴电流标准值I；,当直流输出端电压Udc大于其标准值Ud:时减小输出的交轴电流标准值I:，直至直流输出端电压Udc和其标准值Ud: 一致，从而实现所述发电机系统的直流输出端稳压；其中，直流负载(由直流电流Id。体现)的变化、发电机系统参数的变化以及数学模型的不精确性等都是此闭环控制系统的扰动量，可通过闭环控制来消除影响；作为优选，所述的第二调节器的功能是计算所述发电机交流输出端的直轴电流给定值I/ ;第二调节器可以采用PI或PID等经典控制理论或者模糊逻辑或滑模控制或神经网络等现代控制理论进行闭环控制，通过比较所述发电机交流输出端电压Ua。和其标准值Uac*的差别，当交流输出端电压Uac小于其标准值U:时减小输出的直轴电流标准值I/ (即 降低直轴电流的弱磁性质，提高其增磁性质)，当交流输出端电压Uac大于其标准值U:时增大输出的直轴电流标准值I/ (即提高直轴电流的弱磁性质，降低其增磁性质)，直至交流输出端电压Uac和其标准值U: 一致，从而实现所述发电机系统的交流输出端稳压；其中，所述的交轴电流给定值所述发电机转子的转速ωρ发电机系统参数的变化以及数学模型的不精确性等都是此闭环控制系统的扰动量，可通过闭环控制来消除影响；作为优选，所述的电流限幅模块进一步用于执行以下步骤步骤一，判断接收到的所述交轴电流给定值I/以及所述直轴电流给定值I/的相
量和的幅值^It;2+I/2是否超过发电机的交流电流额定值I·;若未超过，则将接收的交轴
电流给定值I/以及直轴电流给定值I/直接作为限幅后的交轴电流给定值I:’以及限幅后的直轴电流给定值I/’ ；若超过，则执行步骤二 ；步骤二，判断当前的发电机转子转速是否大于预设的发电机转子转速标准值
权利要求
1.ー种变速永磁交流发电机系统,包括永磁交流发电机、接入永磁交流发电机交流输出端的PWM整流器、与所述的PWM整流器相连的直流滤波装置以及控制器，其特征在于，所述的控制器包括 转子位置与转速检测模块，用于获得所述发电机转子的位置Θ和所述发电机转子的转速; 接入所述的直流滤波装置直流输出端的直流电压检测模块和直流电流检测模块，用于获得直流输出端的直流电压Udc和直流电流Id。； 接入所述发电机交流输出端的交流电压检测模块和交流电流检测模块，用于获得交流输出端的交流电压Uac和交流电流； 坐标变换模块，用于根据所述发电机转子的位置Θ将上述交流电流检测模块输出的交流电流进行坐标变换以将其转换为交轴电流Iq以及直轴电流Id ; 第一调节器，用于接收所述直流滤波装置直流输出端的直流电压Udc和直流电流Id。并根据预设的直流电压标准值Udc*产生并输出所述发电机交流输出端的交轴电流给定值I:； 第二调节器，用于接收上述第一调节器输出的交轴电流给定值I:和所述发电机转子的转速以及所述发电机交流输出端的交流电压Ua。，井根据预设的交流电压标准值Uac*产生并输出所述发电机交流输出端的直轴电流给定值I/ ； 电流限幅模块，用于接收所述发电机转子的转速ωρ所述发电机转子转速标准值ω/，以及所述的交轴电流给定值I/和所述的直轴电流给定值I/，输出限幅后的交轴电流给定值I,*，和限幅后的直轴电流给定值I/，，使得二者的相量和的幅值+I/'2不超过所述发电机交流电流额定值 PWM发生模块，用于比较所述的交轴电流I,与其限幅后的给定值I:’以及所述的直轴电流Id与其限幅后的给定值I/’，并根据所述发电机转子的位置Θ和所述的发电机转子的转速ωパ发出控制所述的PWM整流器的功率开关管导通或关断的PWM触发脉沖。
2.如权利要求I所述的变速永磁交流发电机系统，其特征在于，所述的转子位置与转速检测模块用传感器直接检测或者用无传感器控制算法观测所述发电机转子的位置Θ和所述发电机转子的转速ωパ
3.如权利要求I所述的变速永磁交流发电机系统，其特征在于，所述的第一调节器，用于实现如下过程 当直流输出端电压Udc小于其标准值Ud:时，増大输出的交轴电流标准值It;； 当直流输出端电压Udc大于其标准值Ud:吋，减小输出的交轴电流标准值I:。
4.如权利要求I所述的变速永磁交流发电机系统，其特征在于，所述的第二调节器，用于实现如下过程 当交流输出端电压Uac小于其标准值U:吋，减小输出的直轴电流标准值I/ ； 当交流输出端电压Uac大于其标准值U:吋，增大输出的直轴电流标准值I/。
5.如权利要求I所述的变速永磁交流发电机系统，其特征在于，所述的电流限幅模块，用于执行以下步骤 步骤一，判断接收到的所述交轴电流给定值I/以及所述直轴电流给定值I/的相量和的幅值+I/2是否超过发电机交流电流额定值IiK ;若未超过，则将接收的交轴电流给定值I/以及直轴电流给定值I/直接作为输出的限幅后的交轴电流给定值I:’以及限幅后的直轴电流给定值I/’ ；若超过，则执行步骤ニ ；步骤ニ，判断当前的发电机转子转速是否大于预设的发电机转子转速标准值ω/:若是，则输出限幅后的交轴电流给定值I:’以及限幅后的直轴电流给定值I/’分别满足
6.—种应用于变速永磁交流发电机系统的双端ロ稳压控制方法，所述的发电机系统包括发电机、接入发电机交流输出端的PWM整流器、与所述的PWM整流器相连的直流滤波装置以及控制器，所述的双端ロ是指发电机的交流输出端和直流滤波装置的直流输出端，其特征在于，包括步骤 (1)检测所述发电机转子的位置Θ和所述发电机转子的转速ωパ采集所述发电机交流输出端的交流电压Uac和交流电流，并将所述的交流电流进行坐标变换得到交轴电流I,以及直轴电流Id ;采集所述直流滤波装置的直流输出端的直流电压Udc和直流电流Id。； (2)经闭环控制产生交流输出端的交轴电流给定值I:及直轴电流给定值I/ 接收所述的直流输出端的直流电压Udc和直流电流Id。，根据预设的直流电压标准值Ud:经闭环控制产生并输出交流输出端的交轴电流给定值I/ ； 接收所述的交轴电流给定值I:、所述发电机转子的转速《パ以及所述发电机交流输出端的交流电压Ua。，根据预设的交流电压标准值U:经闭环控制产生并输出交流输出端的直轴电流给定值I/ ;(3)对所述的交轴电流给定值I/及所述的直轴电流给定值I/进行电流限幅，输出限幅后的交轴电流给定值I:’和限幅后的直轴电流给定值I/’，使得二者的相量和的幅值
7.如权利要求6所述的双端ロ稳压控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)中， 所述的交轴电流给定值I:由所述的直流滤波装置直流输出端的直流电压Ud。和预设的直流电压标准值Ud:经比较后通过闭环控制得到，而所述的直流滤波装置直流输出端的直流电流Id。作为此闭环内部的一个扰动量来处理，使得直流电压Udc与预设的直流电压标准值Udc*—致； 所述的直轴电流给定值I/由所述的发电机交流输出端的交流电压Ua。和预设的交流电压标准值Uac*经比较后通过闭环控制得到，而所述的交轴电流给定值It;和所述的发电机转子的转速ω J乍为此闭环内部的扰动量来处理，使得交流电压Uac与预设的交流电压标准值Uac* 一致。
8.如权利要求6所述的双端ロ稳压控制方法，其特征在于，步骤(3)中，对所述的交轴电流给定值I:及直轴电流给定值I/进行电流限幅，包括步骤(3. I)判断接收到的所述的交轴电流给定值I:以及所述的直轴电流给定值I/的相量和的幅值
全文摘要
本发明公开了一种变速永磁交流发电机系统及其双端口稳压控制方法。本发明的系统包括永磁交流发电机、PWM整流器、直流滤波装置以及控制器，所述控制器包括转子位置与转速检测模块、直流电压检测模块和直流电流检测模块、交流电压检测模块和交流电流检测模块、坐标变换模块、第一调节器、第二调节器、电流限幅模块及PWM发生模块；本发明的方法包括步骤采集发电机转子位置和转速、直流电压和电流、交流电压和电流，经坐标变换获得交轴和直轴电流，以稳定直流和交流电压为目标经闭环控制产生交轴和直轴电流给定值并限幅，产生PWM触发脉冲控制PWM整流器。本发明在发电机转速变化时维持直流和交流输出端双端口稳压，且成本低、可靠性高。
文档编号H02P21/12GK102710206SQ20121020533
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者汪昱, 沈建新, 缪冬敏 申请人:浙江大学