[发明专利]基于磁链观测的混合励磁式无轴承发电机直接预测控制器

摘要

本发明一种电力传动控制设备领域中基于磁链观测的混合励磁式无轴承发电机直接预测控制器，由绕组磁链观测器及预测器、矩阵变换器、转矩估算模块、悬浮力估算模块、ω‑ψ₁^*磁链生成器、转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器、SVPWM、模糊PID控制器、电压调节器以及PI控制器组成，利用初始观测的转矩、磁链、悬浮力的值，算出下一周期需要补偿的电压矢量，再利用SVPWM合成该电压矢量，解决传统的直接转矩和悬浮力控制策略中由于采样和计算的延时，使目标电压矢量只能在下一个采样周期才能作用于系统，造成磁链、转矩和悬浮力的波动变大的问题，减弱控制延时造成转矩、磁链和悬浮力的波动，提高发电机的系统悬浮性能与发电品质。

主权项

1.一种基于磁链观测的混合励磁式无轴承发电机直接预测控制器，其特征是：由绕组磁链观测器及预测器(12)、矩阵变换器(13)、转矩估算模块(14)、悬浮力估算模块(15)、ω‑ψ1*磁链生成器(16)、转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器(17)、SVPWM(18)、模糊PID控制器、电压调节器以及PI控制器组成，ω是无轴承发电机的转速信号ω，ψ1*是转子磁链给定值；SVPWM(18)输出开关信号S1a、S1b、S1c控制发电绕组、输出开关信号S2a、S2b、S2c控制悬浮力绕组、输出开关信号S3a、S3b、S3c控制励磁绕组，发电绕组经整流器连接SVPWM(18)，整流器连接负载，悬浮力绕组和励磁绕组分别各经一个电压源逆变器连接SVPWM(18)；发电绕组、悬浮力绕组和励磁绕组的三相电流i1a、i1b、i1c、i2a、i2b、i2c、i3a、i3b、i3c、SVPWM(18)输出的开关信号S1a、S1b、S1c、S2a、S2b、S2c、S3a、S3b、S3c、负载两端的直流电压Udc1、电压源逆变器两端的直流电压Udc2、Udc3均输入给矩阵变换器(13)，矩阵变换器(13)输出实时控制转矩电流i1α、i1β、实时改变气隙平衡磁场电流i2α、i2β、实时调节发电绕组合成主磁场电流i3α、i3β、实时控制转矩电压U1α、U1β、实时改变气隙平衡磁场电压U2α、U2β以及实时调节发电绕组合成主磁场电压U3α、U3β至绕组磁链观测器及预测器(12)；绕组磁链观测器及预测器(12)输出发电绕组合成气隙磁链幅值ψm1(k+1)及相位μ、悬浮力绕组磁链幅值ψs2(k+1)及相位λ至悬浮力估算模块(15)，输出发电绕组电流i1(k+1)及发电绕组磁链幅值ψs1(k+1)、励磁绕组电流i3(k+1)及励磁绕组磁链幅值ψs3(k+1)至转矩估算模块(14)；绕组磁链观测器及预测器(12)由发电绕组磁链及转矩初始观测器(4)、悬浮力绕组磁链初始观测器(5)、励磁绕组磁链初始观测器(6)、发电绕组磁链预测器(7)、悬浮力绕组磁链预测器(8)、励磁绕组磁链预测(9)、发电和励磁绕组合成磁链预测器(10)和发电绕组合成气隙磁链预测器(11)组成；实时控制转矩电流i1α、i1β和实时控制转矩电压U1α、U1β输入发电绕组磁链及转矩初始观测器(4)，得到初始时刻k的初始观测下的转矩Te(k)、发电绕组的磁链ψs1(k)和相位θ；实时改变气隙平衡磁场电流i2α、i2β和实时改变气隙平衡磁场电压U2α、U2β输入悬浮力绕组磁链初始观测器(5)，得到初始时刻k观测下的悬浮力绕组磁链幅值ψs2(k)及相位λ；实时调节发电绕组合成主磁场电流i3α、i3β和实时调节发电绕组合成主磁场电压U3α、U3β输入励磁绕组磁链初始观测器(6)，得到初始时刻k观测下的励磁绕组磁链幅值ψs3(k)及相位γ；初始转矩Te(k)、发电绕组的磁链ψs1(k)和相位θ输入发电绕组磁链预测器(7)，得到下一时刻发电绕组磁链幅值ψs1(k+1)和发电绕组电流i1(k+1)；悬浮力绕组磁链幅值ψs2(k)及相位λ输入悬浮力绕组磁链预测器(8)，得到k+1时刻悬浮力绕组磁链幅值ψs2(k+1)和悬浮力绕组电流i2(k+1)；励磁绕组磁链幅值ψs3(k)及相位γ输入励磁绕组磁链预测器(9)，得到励磁绕组磁链幅值ψs3(k+1)和励磁绕组电流i3(k+1)；励磁绕组磁链幅值ψs3(k+1)和发电绕组磁链幅值ψs1(k+1)输入发电和励磁绕组合成磁链预测器(10)得到相位ζ；发电绕组磁链幅值ψs1(k+1)、发电绕组电流i1(k+1)、励磁绕组磁链幅值ψs3(k+1)以及绕组电流i3(k+1)输入发电绕组合成气隙磁链预测器(11)，得到发电绕组合成气隙磁链幅值ψm1(k+1)及相位μ；绕组磁链观测器及预测器(12)输出发电绕组电流i1(k+1)、悬浮力绕组电流i2(k+1)、励磁绕组电流i3(k+1)、相位μ、相位θ、相位ξ至转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器(17)；绕组磁链观测器及预测器(12)还输出合成磁链幅值ψs13(k+1)，将给定参考磁链ψs1*与合成磁链幅值ψs13(k+1)相比较得到的励磁绕组磁链相位角增量Δτ以及给定参考磁链ψs1*均输入至转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器(17)；悬浮力估算模块(15)输出下一时刻的悬浮力预测值Fα(k+1)和Fβ(k+1)，将实测径向位移和给定值x*、y*进行比较后分别经对应的模糊PID控制器调节后生成悬浮力的给定值Fα*、Fβ*，将悬浮力预测值Fα(k+1)、Fβ(k+1)分别和对应的悬浮力给定值Fα*、Fβ*比较得到的差值ΔFα、ΔFβ也输入至转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器(17)；转矩估算模块(14)输出下一时刻的的转矩预测值Te(k+1)，将直流电压Udc1与发电电压的给定值Udc1*比较后经电压调节器生成转矩给定值Te*，将转矩预测值Te(k+1)与转矩给定值Te*比较后经过PI控制器后生成的发电绕组磁链相位角增量Δδ也输入转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器(17)；转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器(17)输出电压参考值U1α*、U1β*、U2α*、U2β*、U3α*、U3β*至SVPWM(18)，k是初始时刻，k+1是初始时刻的下一时刻。