线与功率 变换器3的直流侧连接。功率变换器3的交流侧为三相三线制，依次接有三个滤波电感2， 三个励磁电容4,定子双绕组异步发电机1的控制绕组，这样滤波电感2、励磁电容4与电机 控制绕组定子漏感组成LCL型滤波器。定子双绕组异步发电机1的三相四线制功率绕组对 负载提供变频交流电源。
[0033] 电压和电流传感器均为霍尔传感器，直流电压传感器8和交流电压传感器9分别 用来测量功率变换器直流母线电压和功率绕组变频交流电压，交流电流传感器10,11用来 测量绕组电流。这些电压和电流传感器采集主功率电路上的系统状态信号，供控制电路使 用。功率变换器3可采用IGBT或智能功率模块（IPM)变换器。控制器12采用数字信号处 理器来实现。控制器12根据传感器采集的信号，数据处理后得到功率变换器3的驱动信号， 再经过驱动电路13控制功率变换器的开关管。
[0034] 图2显示了主功率电路的单相等效电路模型，描述了该变频交流发电系统中LCL 型滤波器原理。LCL型滤波器16,由图1的滤波电感2、励磁电容4和定子双绕组异步电机 1中的控制绕组定子漏感组成，在拓扑上形成一个LCL型滤波器，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。
[0035] 按照交流电机理论，双绕组异步发电机的转子等效电路可以用一个等效模拟电阻 代表异步电机机械功率与电功率的转化，如图2的定子双绕组电机转子等效电路19所示。 这个等效模拟电阻可以充当LCL型滤波器的无源阻尼，起到抑制LCL型滤波器自身谐振特 性的作用。
[0036] 所述变频交流发电系统矢量控制方法，其工作原理描述如下：
[0037] 通过坐标变换，在同步旋转坐标系（dq坐标系）中，可以得到等效的直流电动机模 型，在该模型中，电机的磁链控制和转矩控制可以实现解耦，从而可以分别建立控制模型进 行磁链和转矩控制，达到控制电机稳定可靠运行的目的。
[0038] 图3为该变频交流发电系统控制方法的矢量控制原理图，方法包括如下步骤：
[0039] 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IV利用式（1)计算出电机定子磁链给定值
[0041] 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
[0042] 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 C，如式⑵所示：
[0044] 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
[0045] 步骤3,根据直流电压传感器测量值和直流电压给定值t4e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4?，如式（3)所示：
[0047] 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
[0048] 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轴电流给定值匕和4^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：
[0051] 其中=K7为电流闭环比例积分调节器的比例系数，K8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；
[0052] 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<，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。
[0053] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种变频交流发电系统，其特征在于：包括由定子双绕组异步发电机（1)、功率变换 器（3)、滤波电感（2)、励磁电容（4)、直流滤波电容（7)构成的主功率电路，由蓄电池（5)和 二极管（6)构成的辅助电源，由直流电压传感器（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)组成的检测电路，由控制器（12)和驱动电路（13)组 成的控制电路；其中： 所述主功率电路中，所述功率变换器（3)的交流侧串联滤波电感（2)后连接定子双绕 组异步发电机（1)的控制绕组，所述励磁电容（4)与滤波电感（2)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（1)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。2. -种基于权利要求1所述的变频交流发电系统的矢量控制方法，其特征在于，包括 如下步骤： 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⑴计算出电机定子磁链给定值1(1) 其中表示功率绕组输出交流电压的给定有效值，七表示系统处于静态工作点时 的电机定子磁链估计值*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； 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轴电流给定值匕，如 式⑵所示：(2) 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； 步骤3,根据直流电压传感器测量值和直流电压给定值〃进行闭环反馈调节，得 到控制绕组在同步坐标系下的q轴电流给定值匕，如式（3)所示：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； 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：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； 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，〃S(/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。
【专利摘要】本发明公开一种定子双绕组异步电机发电系统及控制方法，属于变频交流发电系统的技术领域。该新型拓扑使用滤波电感，励磁电容，电机定子绕组漏感组成LCL型滤波器，减少发电系统的体积重量。在控制上使用基于动态模型的矢量控制方法，提高系统动静态性能。该变频交流发电系统包括定子双绕组异步发电机、功率变换器、LCL型滤波器、直流滤波电容、蓄电池、二极管、直流电压传感器、交流电压传感器、交流电流传感器、控制器、驱动电路；该系统可用于飞机、舰船等独立电源应用场合。
【IPC分类】H02P9/36
【公开号】CN105024602
【申请号】CN201510366222
【发明人】苏宁, 黄文新, 庄圣伦, 卜飞飞
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年6月29日