獨立無刷雙饋感應發電機無速度傳感器直接電壓控制方法與流程
2023-12-04 15:46:11
本發明屬於無刷雙饋感應發電機控制技術領域，更具體地，涉及一種獨立無刷雙饋感應發電機的無速度傳感器直接電壓控制方法。
背景技術：
無刷雙饋感應發電機是一種新型交流感應電機含有兩套不同極對數的定子繞組，其轉子經過特殊設計，能使兩套定子繞組所產生的不同極對數的旋轉磁場間接相互作用，從而實現能量傳遞。無刷雙饋電機的兩套定子繞組分別稱為功率繞組(power winding，以下簡稱PW)和控制繞組(control winding，以下簡稱CW)，與有刷雙饋感應發電機相比，它取消了電刷和滑環，具有結構簡單且可靠性高的優點。
無刷雙饋感應發電機可實現變速恆頻發電，再加上其結構簡單可靠，使得其在風力發電、獨立船舶軸帶發電等領域具有顯著的應用優勢。通常風力發電機在運行時與電網相連，風力發電系統的控制目標是調節有功功率與無功功率。然而，獨立發電機不與電網相連，需要對其輸出電壓進行直接控制，使得發電機的轉速或用電負載變化時其輸出電壓的幅值和頻率保持恆定。
傳統的獨立無刷雙饋感應發電機控制方法中大多使用了速度傳感器，其缺點在於：(1)增加了系統的硬體成本；(2)當運行環境比較惡劣時速度傳感器容易損壞，從而降低了系統的可靠性；(3)速度傳感器的安裝會增大電機軸向體積，降低了發電機安裝的靈活性。因此，為了降低硬體成本，提高運行可靠性，並增強發電機安裝的靈活性，有必要設計無速度傳感器控制方法。
技術實現要素：
本發明提供了一種獨立無刷雙饋感應發電機無速度傳感器直接電壓控制方法，其目的在於，通過對PW電壓矢量在旋轉dq坐標系中的d軸和q軸分量進行直接控制，使得系統穩定時PW電壓矢量與旋轉dq坐標系的d軸重合，PW電壓幅值收斂至參考幅值，同時實現對PW電壓的幅值和頻率的控制，避免了使用速度傳感器導致的成本增加和運行可靠性降低的技術問題。
獨立無刷雙饋感應發電機無速度傳感器直接電壓控制方法，包括如下步驟：
(1)採樣功率繞組PW三相電壓u1a、u1b和u1c，將u1a、u1b和u1c從靜止abc坐標系變換到旋轉dq坐標系，得到PW電壓在旋轉dq坐標系中的d軸分量u1d和q軸分量u1q；
(2)將PW電壓在旋轉dq坐標系中的d軸分量u1d作為反饋值，利用PW電壓幅值控制環計算得到CW電流幅值參考值
(3)將PW電壓在旋轉dq坐標系中的q軸分量u1q作為反饋值，利用PW電壓頻率控制環計算得到CW電流頻率參考值
(4)對CW電流頻率參考值積分得到CW電流的相位參考值採樣CW三相電流i2a、i2b和i2c，採用CW電流相位參考值將CW三相電流i2a、i2b和i2c從靜止abc坐標系變換到旋轉dq坐標系，得到CW電流在旋轉dq坐標系中的d軸分量i2d和q軸分量i2q；將CW電流在旋轉dq坐標系中的d軸分量i2d和q軸分量i2q作為反饋值，利用CW電流控制環計算得到CW三相電壓的參考值和
(5)根據CW三相電壓的參考值和利用SVPWM算法生成調製信號，使逆變器輸出相應的電壓至控制繞組CW；
(6)重複上述步驟(1)～(5)，使PW電壓的幅值和頻率分別收斂至給定值。
進一步地，所述步驟(1)的具體實現方式為：
採用PW電壓相位參考值將u1a、u1b和u1c從靜止abc坐標系變換到旋轉dq坐標系，得到PW電壓在旋轉dq坐標系中的d軸分量u1d和q軸分量u1q，變換表達式如下：
進一步地，所述PW電壓相位參考值的獲取方式為：
(1-1)判斷發電機工作模式，如果為獨立運行模式則執行(1-2)，如果為併網準備模式則執行(1-3)；
(1-2)對PW電壓給定頻率進行積分得到PW電壓相位參考值
(1-3)採樣三相電網電壓uga、ugb和ugc，利用鎖相環計算出電網電壓的相位θg，令PW電壓相位參考值等於θg。
進一步地，所述步驟(2)的具體實施方式為：
將PW電壓在旋轉dq坐標系中的d軸分量u1d送入第一低通濾波器，計算第一低通濾波器的輸出與PW電壓在旋轉dq坐標系中的d軸分量參考值的差值，其中等於功率繞組電壓幅值參考值將該差值作為第一PI調節器的輸入，第一PI調節器的輸出為CW電流幅值參考值
進一步地，所述步驟(3)的具體實施方式為：
將PW電壓在旋轉dq坐標系中的q軸分量u1q送入第二低通濾波器，計算第二低通濾波器的輸出與PW電壓在旋轉dq坐標系中的q軸分量參考值的差值，其中等於0，將該差值作為第二PI調節器的輸入，第二PI調節器的輸出為CW電流頻率參考值
進一步地，所述步驟(4)的具體實施方式為：
對CW電流頻率參考值積分得到CW電流的相位參考值採樣CW三相電流i2a、i2b和i2c，採用CW電流相位參考值將CW三相電流i2a、i2b和i2c從靜止abc坐標系變換到旋轉dq坐標系，得到CW電流在旋轉dq坐標系中的d軸分量i2d和q軸分量i2q；
令CW電流在旋轉dq坐標系中的d軸分量參考值等於計算與CW電流在旋轉dq坐標系中的d軸分量i2d的差值，將該差值作為第三PI調節器的輸入，第三PI調節器的輸出為CW電壓在旋轉dq坐標系中的d軸分量參考值
令CW電流在旋轉dq坐標系中的q軸分量參考值等於0，計算與CW電流在旋轉dq坐標系中的q軸分量i2q的差值，將該差值作為第四PI調節器的輸入，第四PI調節器的輸出為CW電壓在旋轉dq坐標系中的q軸分量參考值
最後採用CW電流相位參考值將和從旋轉dq坐標系變換到靜止abc坐標系，得到靜止abc坐標系中的CW三相電壓參考值和
進一步地，所述採用CW電流相位參考值將CW三相電流i2a、i2b和i2c從靜止abc坐標系變換到旋轉dq坐標系，得到CW電流在旋轉dq坐標系中的d軸分量i2d和q軸分量i2q的變換表達式為：
進一步地，所述採用CW電流相位參考值將和從旋轉dq坐標系變換到靜止abc坐標系，得到靜止abc坐標系中的CW三相電壓參考值和變換表達式如下：
本發明的有益技術效果體現在：
本發明將無刷雙饋感應發電機的功率繞組(power winding，以下簡稱PW)電壓矢量分解為同步旋轉坐標系中的d軸和q軸分量，調節控制繞組(control winding，以下簡稱CW)電流幅值使PW電壓的d軸分量收斂至PW電壓的參考幅值，調節CW電流頻率使PW電壓的q軸分量收斂至0，當系統穩定時PW電壓矢量與同步旋轉坐標系的d軸重合，於是同時實現了對PW電壓幅值和頻率的控制。該控制方法省去了速度傳感器，降低了發電系統的硬體成本，提高了運行可靠性，並增強發電機安裝的靈活性。該控制方法既適用於無刷雙饋感應發電機的獨立運行，也適用於無刷雙饋感應發電機併網運行前對外電網的相位跟蹤控制。
附圖說明
圖1是本發明控制方法流程圖；
圖2是本發明PW電壓幅值控制原理框圖；
圖3是本發明PW電壓頻率控制原理框圖；
圖4是本發明CW電流控制環原理框圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
圖1是本發明控制方法流程圖，本發明獨立無刷雙饋感應發電機無速度傳感器直接電壓控制方法包括如下步驟：
(1)採樣PW三相電壓u1a、u1b和u1c，將u1a、u1b和u1c從靜止abc坐標系變換到旋轉dq坐標系，得到PW電壓在旋轉dq坐標系中的d軸分量u1d和q軸分量u1q；
(2)將PW電壓在旋轉dq坐標系中的d軸分量u1d作為反饋值，利用PW電壓幅值控制環計算得到CW電流幅值參考值
(3)將PW電壓在旋轉dq坐標系中的q軸分量u1q作為反饋值，利用PW電壓頻率控制環計算得到CW電流頻率參考值
(4)對CW電流頻率參考值積分得到CW電流的相位參考值採樣CW三相電流i2a、i2b和i2c，採用CW電流相位參考值將CW三相電流i2a、i2b和i2c從靜止abc坐標系變換到旋轉dq坐標系，得到CW電流在旋轉dq坐標系中的d軸分量i2d和q軸分量i2q；將CW電流在旋轉dq坐標系中的d軸分量i2d和q軸分量i2q作為反饋值，利用CW電流控制環計算得到CW三相電壓的參考值和
(5)根據CW三相電壓的參考值和利用SVPWM算法生成調製信號，使逆變器輸出相應的電壓至CW。
重複上述步驟(1)～(5)，使PW電壓的幅值和頻率分別收斂至給定值。
在本發明實施例中，步驟(1)的具體實施方式為：
首先採樣PW三相電壓u1a、u1b和u1c，然後將u1a、u1b和u1c從靜止abc坐標系變換到旋轉dq坐標系，得到PW電壓在旋轉dq坐標系中的d軸分量u1d和q軸分量u1q，坐標變換的參考角度為PW電壓相位參考值u1a、u1b和u1c中通常含有採樣噪聲和諧波，這使得通過坐標變換得到的u1d和u1q也會含有噪聲和諧波，因此在步驟(2)和步驟(3)中使用u1d和u1q之前需要先對它們分別進行濾波。
變換表達式如下：
PW電壓相位參考值的計算方式為：
(1-1)判斷發電機工作模式，如果為獨立運行模式則執行(1-2)，如果為併網準備模式則執行(1-3)；
(1-2)對PW電壓給定頻率進行積分得到PW電壓相位參考值
(1-3)採樣三相電網電壓uga、ugb和ugc，利用鎖相環計算出電網電壓的相位θg，令PW電壓相位參考值等於θg。
在本發明實施例中，如圖2所示，步驟(2)的具體實施方式為：
將步驟(1)得到的PW電壓在旋轉dq坐標系中的d軸分量u1d送入低第一通濾波器1，計算低通濾波器1的輸出與PW電壓在旋轉dq坐標系中的d軸分量參考值的差值，其中等於功率繞組電壓幅值參考值將該差值作為第一PI調節器1的輸入，第一PI調節器1的輸出為CW電流幅值參考值
在本發明實施例中，如圖3所示，步驟(3)的具體實施方式為：
將步驟(1)得到PW電壓在旋轉dq坐標系中的q軸分量u1q送入第二低通濾波器2，計算第二低通濾波器2的輸出與PW電壓在旋轉dq坐標系中的q軸分量參考值的差值，其中等於0，將該差值作為第二PI調節器2的輸入，第二PI調節器2的輸出為CW電流頻率參考值
在本發明實施例中，如圖4所示，步驟(4)的具體實施方式為：
對步驟(4)得到的CW電流頻率參考值積分得到CW電流的相位參考值採用CW電流相位參考值將CW三相電流i2a、i2b和i2c從靜止abc坐標系變換到旋轉dq坐標系，得到CW電流在旋轉dq坐標系中的d軸分量i2d和q軸分量i2q。變換表達式如下：
令CW電流在旋轉dq坐標系中的d軸分量參考值等於計算與i2d的差值，將該差值作為第三PI調節器3的輸入，第三PI調節器3的輸出為CW電壓在旋轉dq坐標系中的d軸分量參考值
令CW電流在旋轉dq坐標系中的q軸分量參考值等於0，計算i2q與的差值，將該差值作為第四PI調節器4的輸入，第四PI調節器4的輸出為CW電壓在旋轉dq坐標系中的q軸分量參考值
最後採用參考角度將和從旋轉dq坐標系變換到靜止abc坐標系，得到靜止abc坐標系中的CW三相電壓參考值和變換表達式如下：
在本發明實施例中，根據步驟(3)計算得到的靜止abc坐標系中CW三相電壓參考值和利用SVPWM算法生成調製信號使逆變器輸出相應的電壓至CW。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。