一种降低直流侧电压波动的永磁发电系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种降低直流侧电压波动的永磁发电系统及其控制方法，系统部分包括高阻抗永磁发电机、桥式功率变换器、发电机断路器、实时采集电机转子位置信号的旋转变压器、解码电路、实时采集电机三相电枢绕组电流的电流传感器、实时采集直流侧输出电压的电压传感器、电气负载；方法部分将二自由度控制器代替PI控制器并将其应用在外环电压环，通过两组可调参数来调节系统的设定值跟随性能以及抗干扰性能。为了进一步减小突加、突卸负载时直流侧电压的波动，通过控制交轴电流的变化量用于调节直流侧电压的指令值，当负载突加时，直流侧电压指令值增大，当负载突卸时，直流侧电压指令值减小。本发明专利技术无需额外硬件，实现简单，在突加、突卸负载的情况下能够降低直流侧输出电压的波动，提高系统的动态性能。

【技术实现步骤摘要】
一种降低直流侧电压波动的永磁发电系统及其控制方法
本专利技术涉及一种发电系统，尤其涉及一种降低直流侧电压波动的永磁发电系统控制方法，属于发电

技术介绍
机载系统预计将具有更低的油耗、更低的重量、更安全、更容易维护。因此，多电飞机的概念被提出。多电飞机采用电气系统取代气动和液压系统，如发动机的起动、环境控制系统、机翼防冰系统、驱动系统等等。同时，多电飞机也导致了对电能的需求不断增加，该电能由发动机驱动的发电机提供。因此，发电机的类型将对飞机电源系统产生很大的影响。永磁电机具有高功率密度、高效率和高速的优点，结合PWM可控整流器，永磁电机在飞机高压直流电源系统中具有很强的竞争力。在实际应用中，快的动态响应速度、稳定的设定值跟随性能以及强的抗干扰性能是飞机电源系统的要求。当永磁电机作为电动机运行时，将负载转矩视为外部干扰，而对于永磁发电机，将直流侧电气负载视为外部干扰。外部干扰会导致电机速度或者直流侧输出电压的波动，从而影响系统的动态性能。针对负载转矩的扰动，滑模控制、鲁棒控制、自适应控制以及二自由度控制能够抑制负载转矩的扰动。滑模控制的特点是根据当前状态变量来调整反馈控制系统的结构，然后系统向着预先设计的状态运行，系统的动态性能与系统参数和外界干扰无关，它具有响应速度快、鲁棒性强等优点。鲁棒控制的目的是最小化控制器对模型不确定性(包括外部扰动和参数摄动)的灵敏度。通过自适应控制建立参考模型，通过调整参考模型输出与实际模型输出之间的误差来调整控制参数，使实际系统的输出尽可能接近参考模型的输出。二自由度控制有两套可调参数，可以用来分别调整系统的设定值跟随性能和抗干扰能力。在这些方法中，自适应控制由于易于实现和精度高，成为常用的方法。然而，针对电气负载突加、突卸引起的扰动，相应的扰动抑制方法却很少。现有的方法主要是有源阻尼法，通过在直流侧并联虚拟的电阻来减小等效的电阻和时间常数，从而提高突加、突卸负载时的动态响应速度。但是，该方法的缺点是影响系统的稳定性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的永磁可控发电系统在负载突变情形下的直流侧输出电压波动大的问题，提供一种实现简单、有效可靠的降低直流侧电压波动的永磁发电系统控制方法。本专利技术的降低直流侧电压波动的永磁发电系统，其特征在于，包括：永磁发电机、桥式功率变换器、发电机断路器、实时采集电机转子位置信号的旋转变压器、解码电路、实时采集电机三相电枢绕组电流的电流传感器、实时采集直流侧输出电压的电压传感器、电气负载；所述永磁发电机为高阻抗永磁电机，绕组星型连接，且为集中绕组，隔齿绕制。如上所述降低直流侧电压波动的永磁发电系统控制方法，其特征在于，所述控制方法包括外环和内环两部分，所述外环为电压环，内环为电流环；首先，将实际检测的直流侧电压与直流电压指令值相比较，经过二自由度控制器，产生交轴电流指令值；然后，通过霍尔电流传感器检测得到三相绕组电流，通过坐标变换得到两相旋转坐标系下的电流，用于电流闭环控制，内环电流环采用传统PI控制；同时采用交轴电流反馈补偿法用于补偿直流侧电压指令值，从而降低由于突加、突卸负载引起的直流侧输出电压波动。进一步地，所述二自由度控制器具有两组可调参数，其中一组可调参数能够改善系统的抗干扰性能，降低由于突加、突卸负载引起的直流侧输出电压波动，另一组可调参数能够改善系统的设定值跟随性能，使直流侧输出电压能够稳定、准确、快速的跟随直流电压指令值，两组可调参数通过内模控制原理来进行解析设计。进一步地，所述交轴电流反馈补偿法为采样当前时刻的交轴电流，经过延时模块得到前m时刻的交轴电流，然后得到前m时刻的交轴电流与当前时刻交轴电流的差值，该差值经过比例因子从而得到直流电压指令值的调节量。若负载突加，交轴电流的差值为一正值，则电压调节量也为正值，导致直流电压指令值增大，从而降低由于突加负载引起的直流侧输出电压的下降，若负载突卸，交轴电流的差值为一负值，则电压调节量也为负值，导致直流电压指令值减小，从而降低由于突卸负载引起的直流侧输出电压的上升。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术的降低直流侧电压波动的永磁发电系统控制方法，将二自由度控制应用于永磁可控发电系统的电压环，该控制方法具有两组可调参数，能够分别调节系统的设定值跟随性能和抗干扰性能，能够降低负载突变带来的直流侧电压波动。2、本专利技术的降低直流侧电压波动的永磁发电系统控制方法，在负载突然变化时，根据交轴电流的变化实时调整直流电压指令值，即负载突加时，直流电压指令值增大，负载突卸时，直流电压指令值减小。该方法能够进一步降低负载突变带来的直流侧输出电压波动，具有实现简单，无需额外硬件的优点。附图说明图1为本专利技术的降低直流侧电压波动的永磁发电系统框图；图2为电流控制器的结构图；图3为内模控制器二自由度控制结构图。图中标号说明：T1、T2、T3、T4、T5、T6为带有反并联二极管的开关管，C为直流侧滤波电容，K1为发电机断路器，Ha、Hb、Hc为霍尔电流传感器；ia、ib、ic为三相电枢电流，θ为转子位置角，ωe为转子电角速度，Udc为实际直流侧电压，Udc*为直流电压指令值。iq、id为三相绕组中的交、直轴电流，iqref、idref为交、直轴电流指令值；Eq、Ed为交、直轴电流的误差，uq'、ud'为交、直轴电压指令值，uq、ud为经过前馈解耦的三相绕组的交、直轴电压；iq(k)为k时刻的交轴电流，iq(k-m)为k-m时刻的交轴电流，Δiq为k时刻与k-m时刻的交轴电流变化量，kp为比例因子，z-m为一延迟环节，延迟m个采样周期，Δu为直流电压指令值的调节量；C1(s)为设定值滤波器，C2(s)为扰动控制器。图3中，Q1(s)、Q2(s)为二自由度内模控制器，Q1(s)用于调节设定值跟随性能，Q2(s)用于调节抗干扰性能，Gp(s)为实际被控对象，G(s)为被控对象的数学模型，且C1(s)＝Q1(s)/Q2(s),C2(s)＝Q2(s)/[1-G(s)Q2(s)],R(s)为输入量，Y(s)为输出量，D(s)为扰动量。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细说明：图1显示了本专利技术的降低直流侧电压波动的永磁发电系统的一个优选实例的结构图，如图所示，该高阻抗永磁发电机电枢绕组采用星形连接方式，电枢绕组输出端连接至桥式变换电路(如图所示，包括开关管T1～T6，及滤波电容C)的桥臂中点，发电机断路器K1连接着直流母线侧的正端与电气负载。发电运行时，桥式变换器的直流侧直接向电气负载供电。霍尔电流传感器Ha～Hc检测永磁电机电枢绕组相电流ia～ic，旋转变压器检测永磁电机转子位置信号，电压传感器检测直流母线侧电压udc，检测到的信号传输至永磁发电系统控制器用于电压闭环控制。永磁电机PWM可控整流发电系统采用双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环，实际检测的直流侧输出电压与直流电压指令值相比较，经过电压调节器，产生交轴电流指令值。通过霍尔电流传感器检测得到三相绕组电流ia～ic，然后通过坐标变换将三相静止坐标系下的电流变换到两相旋转坐标系下的电流id、iq，并与交、直轴电流指令值相比较，差值经过电流调节器得到交、直轴电压指令值，然后采用空间电压矢量调制方法产本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种降低直流侧电压波动的永磁发电系统，其特征在于，包括：高阻抗永磁发电机、桥式功率变换器、发电机断路器、实时采集电机转子位置信号的旋转变压器、解码电路、实时采集电机三相电枢绕组电流的电流传感器、实时采集直流侧输出电压的电压传感器、电气负载；其中，所述高阻抗永磁发电机与桥式功率变换器、发电机断路器依次连接，所述发电机断路器连接所述电气负载；所述电流传感器检测到的三相电流经坐标变换后得到交、直轴电流反馈值，与其指令值相比较经过电流控制器从而得到交、直轴电压指令值；所述电压传感器检测到的直流侧电压与其指令值相比较后分别经过二自由度控制器、电流内环以及前馈解耦后得到补偿后的交、直轴电压指令值，然后通过空间电压矢量调制方法产生开关管的驱动信号输入到IGBT驱动电路中，控制开关管。

【技术特征摘要】
1.一种降低直流侧电压波动的永磁发电系统，其特征在于，包括：高阻抗永磁发电机、桥式功率变换器、发电机断路器、实时采集电机转子位置信号的旋转变压器、解码电路、实时采集电机三相电枢绕组电流的电流传感器、实时采集直流侧输出电压的电压传感器、电气负载；其中，所述高阻抗永磁发电机与桥式功率变换器、发电机断路器依次连接，所述发电机断路器连接所述电气负载；所述电流传感器检测到的三相电流经坐标变换后得到交、直轴电流反馈值，与其指令值相比较经过电流控制器从而得到交、直轴电压指令值；所述电压传感器检测到的直流侧电压与其指令值相比较后分别经过二自由度控制器、电流内环以及前馈解耦后得到补偿后的交、直轴电压指令值，然后通过空间电压矢量调制方法产生开关管的驱动信号输入到IGBT驱动电路中，控制开关管。2.根据权利要求1所述的一种降低直流侧电压波动的永磁发电系统，其特征在于，所述永磁发电机为高阻抗永磁电机，绕组星型连接，且为集中绕组，隔齿绕制。3.根据权利要求1所述的一种降低直流侧电压波动的永磁发电系统，其特征在于，所述电流控制器为PI调节器，其输入为电流误差，输出为交、直轴电压指令值，采用并联结构形式。4.如权利要求1所述降低直流侧电压波动的永磁发电系统控制方法，其特征在于，所述控制方法包括外环和内环部分，所述外环为电压环，内环为电流环；首先，将实际检测的直流侧电压与直...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卓然，黄健，蒋云逸，韩建斌，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32