[发明专利]定子双绕组异步电机发电系统的瞬时功率直接控制方法

说明书

技术领域

本发明所涉及的是一种基于控制绕组瞬时功率直接控制的定子双绕组异步电机发电系统的电压控制方法。

背景技术

电力电子和现代控制技术为基础的鼠笼型异步电机发电系统，其励磁无功连续可调，发电系统电能品质大幅提升，加之发电机自身结构简单、维护方便、可靠性高等诸多优势，使该系统逐渐成为小型水力、风力等新能源发电系统和飞机、电动汽车等独立电源系统的研究和应用的热点。不过该类发电机也存在不足：将变换器串联于三相异步电机与负载之间时，所需的变换器容量较大，并且变换器的开关谐波容易注入负载；将变换器通过隔离电感与负载共同并联于发电机端时，所需的隔离电感体积较大，且发电机输出电压品质受到负载的大小和性质影响很大。

2000年前后提出的定子双绕组异步发电机系统，对上述系统的不足进行了改进。该电机定子上放置两套绕组，一套为功率绕组，可以为三相，也可为多相，经整流后输出直流电；另一套为控制绕组，接电力电子变换器以调节发电机内部磁场，稳定功率绕组输出电压。两套绕组极对数相同，没有电气连接，仅通过电机内部磁场关联；发电机的转子为鼠笼结构或实心结构。

发电系统的运行性能很大程度上取决于所采用的控制策略。目前该系统主要采用“电压外环、电流内环”的方法，即根据外环两套绕组的电压状态得到内环控制绕组指令电流值，电流内环调节器通过适当的调制方法控制功率变换器，使控制绕组电流跟踪指令电流。显然，这种以电流环为基础的控制策略要求控制绕组具有快速的电流响应和低的谐波电流，以保证系统的动静态品质。从现今公开发表的文献资料来看，电流内环主要有三角波载波PWM(SPWM)和滞环PWM控制两种。对于前者，该方法虽然开关频率固定，但有功电流和无功电流没有得到解耦。对于后者，由于控制绕组每相绕组存在耦合，尽管由电压外环得到了解耦的指令电流值，但经过电流内环的滞环控制器后，最终施加在变换器上的开关信号中也融入了相与相间的耦合信息，影响了控制性能。

发明内容

本发明的目的是：克服现有定子双绕组异步电机发电系统控制方法的不足，对定子双绕组异步发电机系统提供一种结构简单、计算量小、具有良好地动静态性能的输出电压控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是，包括主回路、低压小功率辅助电源、检测回路和控制回路。主回路由定子双绕组异步发电机1、滤波电感2、功率变换器3、整流桥4和励磁电容5组成；低压小功率辅助电源由蓄电池6和二极管7组成；检测回路由电流传感器8和电压传感器9、10、11组成；控制回路由数字信号处理器12和功率变换器的驱动电路13组成。在控制回路中删除了常用的转速传感器，同时删除了定子双绕组异步发电机控制系统中常用的电流闭环线路。

本发明针对定子双绕组异步电机发电系统所提出的电压控制方法是，以控制绕组的瞬时功率作为直接控制对象，保持发电机内部瞬时无功功率与电机工况(包括转速、负载)变化时的无功需求相平衡；同时也保持控制绕组从电机吸收的有功功率与功率变换器的有功损耗相平衡；这样便可以使系统在转速或负载大范围变化时向外提供稳定的直流电。具体的方法是，在每个控制周期中，直接选取最优的变换器电压矢量作用于控制绕组上，来调节控制绕组中的瞬时功率有功和无功功率。

本发明提出的电压控制方法，与现有控制方法相比的优点在于：受电机参数影响小，计算简单，无需复杂的坐标变换和三角函数计算，易于单片机或数字信号处理器实现。在通过优化开关表揭示基本电压矢量对控制绕组瞬时功率的影响的基础上，根据系统状态直接挑选出最优的电压矢量来控制功率变换器，具有清楚的物理概念。由于去掉了转速传感器和电流闭环线路，不仅使系统结构简单，而且提高了系统可靠性。

附图说明

图1为定子双绕组异步发电机系统原理图。

图1中标号名称：1.定子双绕组异步发电机，2.滤波电感，3.功率变换器，4.整流桥，5.励磁电容器组，6.蓄电池，7.功率二极管，8.为电流传感器，9、10与11为电压传感器，12.数字信号处理器，13.为驱动电路，14.直流负载，15.原动机，16.连轴器，。

图2为基本电压矢量(U₁、U₂、U₃、U₄、U₅、U₆)与扇区划分。

图3为基本电压矢量对控制绕组磁链ψ_s的作用。

图4为控制绕组瞬时有功与无功功率的运动轨迹。

图5是定子双绕组异步发电机系统的功率直接控制方法原理图。