一种电励磁双凸极可控整流发电系统效率最优控制方法

1.本发明涉及电气控制领域，具体为一种电励磁双凸极可控整流发电系统效率最优控制方法。


背景技术：

2.电励磁双凸极发电机是一种定子，转子均为凸极齿槽结构的电机。其结构特点是在定子上除电枢绕组以外，还设有独立的励磁绕组提供励磁磁场，转子上不装置永磁体或绕组。通过调节励磁电流，可以实现对发电机内部磁场的调节，通过外部整流控制器，可以实现对发电机输出性能的调节。电励磁双凸极发电机结构简单可靠，在可控整流器和旋转变压器发生故障时可以转化为不控整流控制方式继续工作，因此特别适用于多电飞机等对电机运行可靠性要求高的应用场合。
3.电励磁双凸极发电机是航空供电系统的能量来源和核心部件。电励磁双凸极发电机的运行效率影响着整个飞机电气系统的能源利用率。通过降低电励磁双凸极整流发电系统总体损耗，提升发电系统的运行效率，是提升多电飞机能源利用效率，减少燃油消耗和污染排放的重要方法。
4.电励磁双凸极发电机的可控整流是提升电励磁双凸极发电系统输出电压和输出功率的重要技术手段。现有的控制方法中采用较多的是角度位置控制方法，该方法中设定一个导通角度β。电机在整个运行区间，采用同一个设定的导通角度β。采用可控整流角度位置控制方法可以提升电励磁双凸极发电机的输出电压和输出功率。
5.然而目前对于可控整流导通角的选取暂时缺乏科学的依据，同样的导通角在不同工况下无法始终保持电励磁双凸极发电系统工作在效率最优的状态。采用不同的导通角会影响电励磁双凸极发电机的输出特性，从而导致转矩，负载侧电流和电压以及各个绕组电流等参数的改变，进一步会影响到发电系统的输入功率，总体损耗和输出功率。采用不同的导通角会导致电励磁双凸极发电系统效率的改变。但如何科学地选取让发电系统输出效率最优的导通角的问题仍然有待研究。
6.经检索，中国专利申请号为cn111313779a的专利，公开了基于电励磁双凸极发电机的可控整流最小铜损控制方法，为用户给出了有效抑制铜损，减少发热的控制方案。其技术方案为：控制流程包括电机参数的采集与计算、获得不同工况下关断角与铜损的对应关系、建立可控整流铜损模型以及进行铜损最小控制，其中：电机参数的采集与计算是将母线电压维持在额定电压，保持工况不变，测量该工况下的相关参数，并计算该工况下的铜损；在上述操作的基础上改变工况，测量不同工况下的参数并计算其对应的铜损，获得不同工况下关断角与铜损的对应关系；在上述关断角与铜损的对应关系的基础上，利用极限学习机建立可控整流铜损模型；利用上述铜损模型获得全工况下铜损最小时的关断角，并利用所述关断角根据实际运行工况选取相应关断角进行控制达到铜损最小控制的目的。本项目是以电励磁双凸极可控整流发电系统的总体损耗和系统效率为优化目标，采集转矩，转速，绕组电流等多方面参数，基于粒子群优化后的bp神经网络算法，构建电励磁双凸极可控整
流发电系统效率最优模型，实现发电系统效率最优控制。与本项发明对比，最小铜损优化方法，不同之处在于：1.本发明通过采集转矩，转速，绕组电流等参数来计算机械功率和励磁功率，实现对发电机输入功率的计算；2.本发明引入粒子群优化bp神经网络(pso-bp)算法构建电励磁双凸极可控整流发电系统效率最优模型，系统效率优化的结果更为准确；3.本发明以发电系统总体损耗和总体效率为优化目标，不再单一地优化发电系统的某一项参数，控制流程涵盖了铜损、铁损等多项损耗的综合性优化。
7.现有技术中，针对电励磁双凸极发电机可控整流发电系统效率优化方面的控制方法，存在着导通角选取缺乏科学依据，发电系统总体损耗未能最大程度减小，系统未能获得最大程度优化等缺点。缺少一种方法可以使电励磁双凸极发电系统在全工况范围内都处于效率最优的运行模式。


技术实现要素：

8.为解决上述技术问题，本发明提出了一种电励磁双凸极可控整流发电系统效率最优控制方法，能够快速地对电励磁双凸极发电系统的效率进行建模，获得效率最优控制参数，实现发电系统在全工况范围内效率最优。
9.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
10.一种电励磁双凸极可控整流发电系统效率最优控制方法，包括：
11.s1、保持母线电压为额定电压，保持工况不变，改变电励磁双凸极发电机可控整流角度位置控制中的导通角，测量该工况下不同导通角对应的转矩，负载侧电流和电压以及各个绕组电流等参数；
12.步骤s1中，保持工况不变，指保持电励磁双凸极发电机的转速和负载不变；
13.改变可控整流角度位置控制导通角，指通过改变电励磁双凸极可控整流发电系统中可控整流器的角度位置控制导通角，改变发电系统各项损耗，进而改变发电功率；
14.s2、利用上述各项参数，结合励磁绕组内阻，负载阻值和转速等数据计算电励磁双凸极发电机的输入功率，励磁损耗和输出功率，并计算出电励磁双凸极发电系统的整体效率，获得该工况下的可控整流导通角与系统效率的关系；
15.励磁损耗,转矩输入功率和系统输入功率的计算方法为：
16.p
if
＝i
f_rms
*i
f_rms
*rf17.p
t
＝1000*n*t/9550
18.p
in
＝p
if
+p
t
19.式中，p
if
为电励磁双凸极发电机的励磁损耗，i
f_rms
为所述s1中检测到的励磁电流if的有效值，rf为励磁绕组的内阻。p
t
为电励磁双凸极发电机的转矩输入功率，n为电励磁双凸极发电机的转速，t为所述s1中检测到的电励磁双凸极发电机的瞬时转矩，p
in
为电励磁双凸极发电系统输入功率；
20.系统输出功率和系统效率的计算方法为：
21.p
l
＝i
dc
*u
dc
22.η＝p
l
/p
in
23.式中，p
l
为电励磁双凸极发电系统的输出功率，i
dc
为所述s1中检测到的输出电流，u
dc
为所述s1中检测到的输出电压。η为电励磁双凸极发电系统的效率；
24.s3、改变工况，重复s1、s2，获得不同工况下电励磁双凸极可控整流发电系统导通角与系统效率的关系；
25.步骤s3中，所述获得不同工况下导通角与发电系统效率的对应关系，指在相应工况范围下，等间隔地改变转速或负载，在同一工况下，等间隔地改变电励磁双凸极可控整流发电系统中的可控整流器的角度位置控制导通角，采集不同导通角的参数并计算系统效率，得到导通角与发电系统效率之间的关系；
26.s4、利用所述不同工况下电励磁双凸极可控整流发电系统导通角与系统效率的关系，利用pso-bp算法建立电励磁双凸极可控整流发电系统效率模型；
27.s5、利用所述电励磁双凸极可控整流发电系统效率模型，获得运行全工况下效率最优时的导通角；
28.s6、利用所述全工况下效率最优时对应的导通角，根据电励磁双凸极发电机的实际运行工况即可选取该工况下效率最优时对应的可控整流器导通角进行控制，即可实现效率最优控制；
29.步骤s6中，所述效率最优控制，指利用上述发电系统效率模型，根据电励磁双凸极可控整流发电系统实际运行情况，获取使系统效率最优的导通角，根据工况自适应地进行系统效率最优控制。
30.作为本发明进一步改进，所述步骤s1中改变电励磁双凸极发电机可控整流角度位置控制中的导通角，指导通角在0
°
～60
°
范围内，每隔10
°
取一个采样点。
31.作为本发明进一步改进，步骤s3中，所述改变工况，包括转速不变情况下，负载在额定功率范围内等间隔取10个或以上的采样点；
32.步骤s3中，所述改变工况，包括负载不变情况下，转速在额定转速范围内取5个或以上的采样点。
33.作为本发明进一步改进，步骤s3中，工况范围为转速4000～8000r/min，负载1～10kw。
34.作为本发明进一步改进，步骤s4中,所述pso-bp算法的学习训练方法，包括：
35.s41、利用pso算法对bp神经网络算法的权值和阈值进行优化，形成pso-bp算法；
36.s42、将所述电励磁双凸极可控整流发电系统各项参数输入所述pso-bp算法进行训练，并将得到的训练结果进行验证；
37.s43、在所述pso-bp算法训练完毕之后，输入所述转速、负载和可控整流器导通角，得到所述pso-bp算法回归得到的系统效率，即得到所述电励磁双凸极可控整流发电系统效率模型。
38.作为本发明进一步改进，步骤s4中，所述转速、负载和可控整流器导通角为pso-bp算法的自变量，所述系统效率为pso-bp算法的因变量。
39.作为本发明进一步改进，所述电励磁双凸极可控整流发电系统包括电励磁双凸极发电机a1、发电机控制器a2，所述发电机控制器a2包含励磁控制器a3、用于检测直流输出电压u
dc
的输出电压传感器a4、用于检测直流输出电流i
dc
的输出电流传感器a5、负载a6、用于检测励磁电流if的励磁电流传感器a7、用于检测转子位置角θ的旋变a8、可控整流器a9、系统效率最优控制方法a10、用于检测电机转矩t和转速n的转矩转速传感器a11，所述发电机控制器a2中采用了输出电压外环，励磁电流内环的控制方式，所述输出电压外环通过pi控
制器根据反馈的直流输出电压u
dc
和输出电压的参考值u
ref
计算得到励磁电流的参考值i
fref
。励磁电流内环通过pid控制器计算得到励磁控制器a3的占空比d，从而使母线电压稳定在额定电压，通过转矩转速传感器a11，母线电流传感器和电压传感器以及绕组电流传感器，获得电励磁双凸极发电机工作的转速，转矩，励磁电流，输出电流和输出电压，根据电励磁双凸极发电机的转速，转矩，励磁电流，输出电流和输出电压，计算得到输入功率，励磁损耗和输出功率，进一步计算得到不同工况下导通角对应的系统功率，选取不同工况下使电励磁双凸极发电系统效率最优对应的导通角数据，对电励磁双凸极发电系统的进行系统最优控制。
40.本发明包括维持母线电压的前提下改变电励磁双凸极发电机可控整流器角度位置控制的导通角；记录不同工况下、不同导通角下电励磁双凸极发电机转矩，负载侧电流和电压以及各个绕组电流情况，并计算发电系统效率；结合获得的系统效率数据利用pso-bp算法建立电励磁双凸极可控整流发电系统效率模型；结合所述可控整流系统效率pso-bp算法模型，获得不同工况下效率最优时的可控整流器导通角；结合所述导通角实现在不同工况下的效率最优控制。本发明适用于像航空发电系统这样对效率有严格要求的应用场合。
41.本发明的有益效果如下：
42.(1)本发明利用电励磁双凸极可控整流发电系统原有的控制器与传感器，具有结构简单可靠，技术成熟度高，故障率低等优点。
43.(2)本发明通过采集电励磁双凸极发电机在不同工况下不同导通角时的转矩，负载侧电压和电流以及绕组电流等参数，计算系统总损耗并进一步得到系统效率，计算结果较为准确，对电励磁双凸极可控整流系统的效率计算具有较为科学的参考意义。
44.(3)本发明利用机器学习算法可以实现对发电系统效率的快速建模，实现利用较少的实验测试工作得到宽工况范围的系统效率分布情况，大大节省了实验工作量，计算量和计算时间，并为系统其他参数优化提供了参考。
45.(3)本发明以系统效率为优化目标，涉及了多项损耗的优化分析，利用pso-bp算法得到的角位置控制方法导通角与系统效率的关系，实现快速调节控制，有效抑制了系统的整体损耗，使系统在全工况范围下始终运行在效率最优的工作状态。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。
47.图1是一种电励磁双凸极可控整流发电系统效率最优控制方法控制框图；
48.图1中的参数if为励磁电流，在本例中的额定范围为0～6a；u
dc
为母线电压，在本例中的范围为250～330v；i
dc
为母线电流，在本例中的范围为0～33a；d为励磁驱动占空比，范围为0～1；β为可控整流角度位置控制中的导通角，范围为0～120
°
；
49.图2是电励磁双凸极发电机的立体图；
50.图3是电励磁双凸极发电机的剖面图；
51.图2和图3图示说明如下：
52.1、转子b1；2、定子铁芯b2；3、励磁绕组b3；4、电枢绕组b4；
53.图4是电励磁双凸极发电机8000转/分钟下不同负载不同导通角对应的系统效率；
54.图5是电励磁双凸极发电系统效率粒子群优化bp神经网络(pso-bp)算法建模的原理架构图；
55.图6是电励磁双凸极发电系统效率最优控制方法中效率最优对应的导通角；
56.图7是电励磁双凸极发电系统采用效率最优控制方法后与不控整流系统相比系统效率优化值。
具体实施方式
57.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
58.实施例一：
59.本发明实施例提供一种电励磁双凸极可控整流发电系统效率最优控制方法。其中，电励磁双凸极发电机的结构如图2和图3所示，包括转子b1和定子铁芯b2。定子上安装有励磁绕组b3和电枢绕组b4。发电机的励磁磁场由励磁绕组b3提供，改变励磁绕组b3中的励磁电流就可以调节发电机内部的励磁磁场。
60.运行本实施例的控制系统如图1所示，该系统主要由电励磁双凸极发电机a1、发电机控制器a2(包含励磁控制器a3)、用于检测直流输出电压u
dc
的输出电压传感器a4、用于检测直流输出电流i
dc
的输出电流传感器a5、负载a6、用于检测励磁电流if的励磁电流传感器a7、用于检测转子位置角θ的旋变a8、可控整流器a9、系统效率最优控制方法a10、用于检测电机转矩t和转速n的转矩转速传感器a11等部分组成。发电机控制器a2中采用了输出电压外环，励磁电流内环的控制方式。输出电压外环通过pi控制器根据反馈的直流输出电压u
dc
和输出电压的参考值u
ref
计算得到励磁电流的参考值i
fref
。励磁电流内环通过pid控制器计算得到励磁控制器a3的占空比d，从而使母线电压稳定在额定电压。通过转矩转速传感器a11，母线电流传感器和电压传感器以及绕组电流传感器，可以获得电励磁双凸极发电机工作的转速，转矩，励磁电流，输出电流和输出电压。根据电励磁双凸极发电机的转速，转矩，励磁电流，输出电流和输出电压，计算得到输入功率，励磁损耗和输出功率，进一步计算得到不同工况下导通角对应的系统功率，选取不同工况下使电励磁双凸极发电系统效率最优对应的导通角数据，对电励磁双凸极发电系统的进行系统最优控制。
61.本发明电励磁双凸极可控整流发电系统效率最优控制方法，包括：
62.电励磁双凸极发电机电枢绕组连接至三相全桥可控整流器，励磁绕组连接至励磁控制器。通过发电机控制器实现对母线电压的控制，保持母线电压为额定电压。
63.s1、保持电励磁双凸极发电机工作在某一工况下，即转速不变，保持负载不变，间隔式改变电励磁双凸极发电机可控整流角度位置控制中的导通角，测量不同导通角下对应的转矩，励磁电流，输出电流和输出电压。对导通角的选取，应当在整个运行范围内均匀间隔地选取尽可能多的点。本例中的导通角选取范围内为0
°
～60
°
，变换间隔为10
°
。记录电励磁双凸极发电机在该转速和负载下，导通角、转矩、励磁电流、输出电流以及输出电压等数据；
64.s2、利用所述转矩，励磁电流，输出电流和输出电压，结合励磁绕组内阻、转速计算电励磁双凸极发电系统效率，记录电励磁双凸极发电机在该转速和负载下，导通角和系统
效率对应数据，获得该工况下的可控整流导通角与系统效率的对应关系。
65.励磁损耗,转矩输入功率和系统输入功率的计算方法为：
66.p
if
＝i
f_rms
*i
f_rms
*rf67.p
t
＝1000*n*t/9550
68.p
in
＝p
if
+p
t
69.式中，p
if
为电励磁双凸极发电机的励磁损耗，i
f_rms
为所述s1中检测到的励磁电流if的有效值，rf为励磁绕组的内阻。p
t
为电励磁双凸极发电机的转矩输入功率，n为电励磁双凸极发电机的转速，t为所述s1中检测到的电励磁双凸极发电机的瞬时转矩，p
in
为电励磁双凸极发电系统输入功率。
70.系统输出功率和系统效率的计算方法为：
71.p
l
＝i
dc
*u
dc
72.η＝p
l
/p
in
73.式中，p
l
为电励磁双凸极发电系统的输出功率，i
dc
为所述s1中检测到的输出电流，u
dc
为所述s1中检测到的输出电压。η为电励磁双凸极发电系统的效率；
74.s3、改变所述电励磁双凸极发电机的转速或负载，重复s1、s2，获得不同工况下，即相同转速不同负载和不同转速相同负载下电励磁双凸极可控整流发电系统导通角与系统效率的对应数据。对于转速和负载的选取，应当在整个运行范围内均匀间隔地选取尽可能多的点。本例中，负载变换范围采用0kw～10kw，变换间隔1kw；转速范围采用4000～8000r/min，变换间隔1000r/min。记录电励磁双凸极发电机的转速、负载、导通角和系统效率数据；
75.s4、利用所述不同工况下电励磁双凸极可控整流发电系统导通角与系统效率的对应数据，利用pso-bp算法建立电励磁双凸极可控整流发电系统效率模型。将不同工况范围下的电励磁双凸极发电系统的转速、负载、导通角和系统效率数据进行归一化，以转速、负载和导通角为自变量，以系统效率为因变量，训练pso-bp算法。通过对pso-bp算法的训练和测试，获得电励磁双凸极可控整流发电系统效率模型。利用该模型，电励磁双凸极可控整流发电系统效率模型的自变量为转速、负载和导通角，因变量为电励磁双凸极发电系统的效率；
76.s5、利用所述电励磁双凸极可控整流发电系统效率模型，在任一工况下输入不同的导通角，即可以获得相应条件下的系统效率数据。通过不同导通角对应系统效率数据的对比，可以找出该工况下系统效率最优情况下对应的导通角。进而获得全工况下使电励磁双凸极发电系统效率最优的导通角数据；该全工况指在运行边界条件下的各种工次，即额定功率范围+额定转速范围内的各种工况。
77.s6、利用所述全工况下系统效率最优时的导通角，根据电励磁双凸极发电系统的实际运行工况选取可控整流器对应的导通角，实现系统效率最优控制。
78.进一步的，所述不同工况包括了影响电励磁双凸极发电机工作状态的主要外在变量，即转速和负载。在不同的转速和/或负载下，电励磁双凸极发电机的工作状态不同，因此需要根据不同的工况确定相应的控制参数。
79.进一步的，本发明中pso-bp算法的学习训练方法，包括：
80.s41、将所述转速、负载和可控整流器导通角作为所述pso-bp算法的输入参数，将所述系统效率作为所述pso-bp算法的输出参数进行训练；
81.s12、在所述pso-bp算法训练完毕之后，输入所述转速、负载和可控整流器导通角，得到所述pso-bp算法回归得到的系统效率，即得到所述电励磁双凸极可控整流发电系统效率模型。
82.进一步的，通过改变所述电励磁双凸极发电机可控整流器的导通角，实现对电励磁双凸极发电系统效率的最优控制。
83.进一步的，在所述s5中，利用pso-bp算法获得的系统效率模型获得不同工况下效率最优时对应的可控整流器导通角。
84.进一步的，在所述s4中，所述转速、负载和可控整流器导通角为pso-bp算法的自变量，所述系统效率为pso-bp算法的因变量。
85.测试实例：
86.基于实施例一的进一步测试情况如下：
87.图4是利用所述s1和s2中的电励磁双凸极发电机转矩，电流，电压测量和系统效率计算方法所得到的部分系统效率数据。图中为额定功率为9kw，额定电压为270v的电励磁双凸极发电机在8000转/分钟下的系统效率情况。图中，导通角在0～60
°
之间，以10
°
间隔取样；功率在1～10kw之间，以1kw间隔取样。获得系统效率分布在80％～95％之间。
88.图5是电励磁双凸极发电系统效率pso-bp算法建模的原理架构图。将所述转速、负载和可控整流器导通角作为所述pso-bp算法的输入参数，将所述系统效率作为所述pso-bp算法的输出参数进行训练。在所述pso-bp算法训练完毕之后，输入所述转速、负载功率和可控整流器导通角，得到所述pso-bp算法回归得到的系统效率，即得到所述电励磁双凸极可控整流发电系统效率模型。
89.图6是电励磁双凸极发电系统效率最优控制方法中效率最优对应的导通角。利用所述电励磁双凸极可控整流发电系统效率模型，可以找到全工况下任一工况系统效率为最大值的工作点所对应的导通角。通过寻找全工况下任一工况系统效率最大对应的导通角，可以获得相应的控制角度，用于可控整流系统效率最优控制。对于本例中270v 9kw电励磁双凸极发电机而言，在0～10kw负载范围内，4000～8000r/min转速范围内，系统效率取最大值的导通角在0
°
～40
°
之间。
90.图7是电励磁双凸极发电机采用系统效率最优控制方法后相比不控整流系统提高的系统效率值。可以看出，所述电励磁双凸极可控整流发电系统效率最优控制方法可以实现对系统效率的大幅度优化，实现系统效率最优控制。采用本方法，最多可以提高5％以上的系统效率(1kw负载，7000r/min工况下)。
91.综上，本发明的有益效果在于：
92.(1)本发明的系统效率优化模型利用了已有的可控整流系统以及电压，电流，转矩等检测装置，实现对转速、负载、绕组电流、转矩等参数进行检测，无需购置额外检测和控制装置，有效降低了实验成本和时间，提高了系统运行的可靠性；
93.(2)本发明所述的建模方法通过较少的实验数据采集，可以得到全工况下控制导通角与系统效率的对应关系。有效减少了测量计算的工作量，计算量和时间成本。建立的系统效率模型预测精度高，泛化性好，适用于电励磁双凸极发电系统效率最优控制寻优；
94.(3)本发明提出的控制方法为电励磁双凸极可控整流发电系统的导通角选取提供了科学的参考依据，改变了以往可控整流导通角选取缺乏依据的情况。利用全工况下的导
通角，实现系统效率的最大化控制。本发明的控制方法降低了电励磁双凸极发电系统的整体损耗，提升了发电系统的工作效率。
95.(4)本发明所述的建模方法对发电机系统的参数优化适配良好，可以广泛应用于发电系统参数的在线测量和寻优，同时能够实现全生命周期的测量、学习和建模，充分适应发电机系统参数的变化，实现多样化参数的优化控制。
96.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。