一种基于开绕组电机的三相-单相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基于开绕组电机的三相-单相发电系统及其控制方法，该系统由开绕组永磁发电机、三相桥式变换器、直流侧电容、控制器和负载构成，发电机两端分别连接三相桥式变换器，变换器直流侧连接电容，直流侧电容负端直接相连，两正端作为单相交流输出端连接负载。对应的控制方法将采集到的电压电流信号以及转子位置信息送到控制器，通过三相桥式变换器控制发电机相电流中的正序和零序分量，控制两端直流侧电容电压分别为带直流偏置的相位差180°的正弦量，在单相交流输出端产生单相正弦交流量为负载供电。该系统无需传统三相-单相的两级能量变换，交流输出侧无需滤波电路即可获得高品质的单相交流电，输出电压幅值、频率可以灵活控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于开绕组电机的三相-单相发电系统及其控制方法，属于电机控制领域。
技术介绍
随着新能源技术的发展，三相-单相变换器在户用独立发电系统等某些特定工业领域中发挥重要作用，将三相交流电变换为用户所需的单相交流电，如在风力发电系统、燃气发动机热电联合系统中可以将发电机发出来的三相交流电变换为户用的单相交流电，直接为户用小功率单相设备供电；在感应加热领域，负载为单相负载，感应加热时输出为高频交流电，需要三相-单相变换器将三相工频交流电变换为单相高频交流电；在航空领域需要三相-单相变换器将发电机发出的低品质变频交流电变换为高品质的恒压恒频交流电，供飞机上的一些对电源品质要求较高的单相用电设备使用。在传统的目前用于发电机系统的三相-单相变换器主要有交-直-交变换器和交-交变换器。在传统的交-直-交变换器中，为了改善输出单相交流电能的质量，通常会在三相-单相变换器系统中加入滤波电感或者有源滤波器，增加了系统的体积和成本。交-交变换器比如矩阵变换器，由于没有中间直流环节的大容量储能电容，具有体积小、成本相对较低以及使用寿命长等优点。但是矩阵变换器输入输出互相影响，输入电压的不稳定将会影响输出电压的波形质量；并且额外的功率器件开关的加入降低了系统的可靠性。因此新能源发电系统中如何实现三相-单相交流变换这一问题具有重要的研究价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种无需传统三相-单相的两级能量变换，并且交流输出侧无需滤波电路即可获得高品质的单相交流电的三相-单相交流发电系统及其控制方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于开绕组电机的三相-单相发电系统控制方法，该方法包括如下步骤：步骤1，设置两个三相桥式变换器INV1和INV2，分别采集直流侧的电容电压u1d和u2d，得到直流侧电容电压的直流偏置量ud0和单相负载侧的输出电压uL，采集开绕组永磁发电机的三相电流ia、ib、ic和转子位置信息；步骤2，计算实际的直流侧电容电压直流偏置量ud0与给定值ud0*的差值，将其输入到PI调节器，得到正序电流的给定值i*；计算实际的单相负载侧的输出电压有效值uL与给定有效值uL*的差值，将其输入到PI调节器后得到零序电流的给定值i0*；结合给定的正序电流i*和零序电流i0*，得到开绕组永磁发电机三相电流的给定值ia*、ib*和ic*；步骤3，根据实际采集到的开绕组永磁发电机三相电流ia、ib、ic，得到三相电流实际值与步骤2中所述的开绕组永磁发电机三相电流的给定值ia*、ib*、ic*之间的差值，经过调节器后得到开绕组永磁发电机三相电压的给定值ua*、ub*和uc*；步骤4，由所述的开绕组永磁发电机三相电压给定值ua*、ub*和uc*经电压分配得到每个变换器需要调制的三相电压给定值ua1*、ub1*、uc1*和ua2*、ub2*、uc2*，并分别通过SPWM得到两组PWM信号以控制两个三相桥式变换器INV1和INV2。其中，步骤1中所述的直流侧电容电压的直流偏置量ud0和单相负载侧的输出电压uL根据以下方法计算得到：ud0*=u1d+u2d2uL=u1d-u2d,]]>其中，u1d和u2d为直流侧的电容电压。为了保证开绕组永磁发电机的三相电流可控，所述步骤2中给定的直流侧电容电压直流偏置量ud0*需要满足以下条件：ud0*≥2E+22UL,]]>其中：E为发电机的反电势有效值；UL为单相交流侧输出电压的有效值。进一步的，所述步骤3中根据以下公式计算电机三相电流的给定值：ia*=i*sinωGt+i0*sinωLtib*sin(ωGt-23π)+i0*sinωLtic*=sin(ωGt-43π)+i0*sinωLt,]]>其中：ωG为发开绕组永磁发电机的角频率；ωL为单相交流侧输出电压的角频率。进一步的，所述步骤4中根据以下公式计算全桥变换器INV1和INV2各自需要调制的三相电压给定值：ua1*=ua*2+u0ub1*=ub*2+u0uc1*=uc*2+u0]]>ua2*=ua*2+u0ub2*=ub*2+u0uc2*=uc*2+u0,]]>其中：u0为全桥变换器三相交流侧调制电压的直流偏置量。作为一种优选，所述步骤2中计算零序电流给定值时，仅使用了单相负载输出电压的有效值作为反馈量，在得到零序电流给定值i0*后叠加上给定的负载电压输出频率，实现单相交流电输出的幅值和频率的独立控制。更进一步的，所述两个直流侧电容通过其电压的差值，产生单相交流电，两端直流侧电容电压控制为带直流偏置的相位差180°的正弦量，另一端为带直流偏置的交流量，两者电压差在交流输出端产生单相正弦交流量为负载供电。本专利技术所采用的一种基于开绕组电机的三相-单相发电系统，该发电系统包括开绕组永磁同步发电机、三相桥式变换器、直流侧电容、控制器、电压电流检测电路、驱动控制电路及单相负载组成；其中开绕组永磁同步发电机的绕组两端分别与一个三相桥式变换器相连，所述开绕组永磁同步发电机的三相绕组分别连接到三相桥式变换器的中间点；所述三相桥式变换器的直流侧分别连接一个直流侧电容，直流侧电容的负端与三相桥式变换器的母线负端相连，并且两个三相桥式变换器的母线负端相连；所述直流侧电容的正端分别引出作为单相交流输出端给负载供电，并且连接到对应的三相桥式变换器母线正端；控制器通过采集电机转子位置信息、电机三相电流以及两个三相桥式变换器直流侧的电容电压，通过两组三相桥式变换器的PWM调制算法实现直流侧电容电压的控制，在输出端产生单相交流电。采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术采用开绕组永磁发电机、两个三相桥式变换器和直流侧电容构成三相-单相交流发电系统；基于该三相-单相交流发电系统，采用对应的控制方法，该方法将采集到的各种电压电流信号以及转子位置信息送到控制器中，通过三相桥式变换器控制发电机相电流中的正序和零序分量，控制两端直流侧电容电压分别为带直流偏置的相位差180°的正弦量，在交流输出端产生单相正弦交流量为负载供电。本专利技术提供的三相-单相交流发电系统及其控制方法无需传统三相-单相的两级能量变换，并且交流输出侧无需滤波电路即可获得高品质的单相交流电，输出电压幅值、频率可以灵活控制，具有很好的应用前景。附图说明图1本专利技术提供的三相-单相交流发电系统结构图；图2本专利技术提供的三相-单相交流发电系统控制框图；图3本专利技术提供的三相-单相交流发电系统的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于开绕组电机的三相‑单相发电系统控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1，设置两个三相桥式变换器INV1和INV2，分别采集直流侧的电容电压u1d和u2d，得到直流侧电容电压的直流偏置量ud0和单相负载侧的输出电压uL，采集开绕组永磁发电机的三相电流ia、ib、ic和转子位置信息；步骤2，计算实际的直流侧电容电压直流偏置量ud0与给定值ud0*的差值，将其输入到PI调节器，得到正序电流的给定值i*；计算实际的单相负载侧的输出电压有效值UL与给定有效值UL*的差值，将其输入到PI调节器后得到零序电流的给定值i0*；结合给定的正序电流i*和零序电流i0*，得到开绕组永磁发电机三相电流的给定值ia*、ib*和ic*；步骤3，根据实际采集到的开绕组永磁发电机三相电流ia、ib、ic，得到三相电流实际值与步骤2中所述的开绕组永磁发电机三相电流的给定值ia*、ib*、ic*之间的差值，经过调节器后得到开绕组永磁发电机三相电压的给定值ua*、ub*和uc*；步骤4，由所述的开绕组永磁发电机三相电压给定值ua*、ub*和uc*经电压分配得到每个变换器需要调制的三相电压给定值ua1*、ub1*、uc1*和ua2*、ub2*、uc2*，并分别通过SPWM得到两组PWM信号以控制两个三相桥式变换器INV1和INV2。...

【技术特征摘要】
1.一种基于开绕组电机的三相-单相发电系统控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1，设置两个三相桥式变换器INV1和INV2，分别采集直流侧的电容电压u1d和u2d，得
到直流侧电容电压的直流偏置量ud0和单相负载侧的输出电压uL，采集开绕组永磁发电机的
三相电流ia、ib、ic和转子位置信息；
步骤2，计算实际的直流侧电容电压直流偏置量ud0与给定值ud0*的差值，将其输入到PI调节
器，得到正序电流的给定值i*；计算实际的单相负载侧的输出电压有效值UL与给定有效值UL*的差值，将其输入到PI调节器后得到零序电流的给定值i0*；结合给定的正序电流i*和零序电
流i0*，得到开绕组永磁发电机三相电流的给定值ia*、ib*和ic*；
步骤3，根据实际采集到的开绕组永磁发电机三相电流ia、ib、ic，得到三相电流实际值与步
骤2中所述的开绕组永磁发电机三相电流的给定值ia*、ib*、ic*之间的差值，经过调节器后得
到开绕组永磁发电机三相电压的给定值ua*、ub*和uc*；
步骤4，由所述的开绕组永磁发电机三相电压给定值ua*、ub*和uc*经电压分配得到每个变换
器需要调制的三相电压给定值ua1*、ub1*、uc1*和ua2*、ub2*、uc2*，并分别通过SPWM得到两
组PWM信号以控制两个三相桥式变换器INV1和INV2。
2.根据权利要求1所述的一种基于开绕组电机的三相-单相发电系统控制方法，其特征在于，
步骤1中所述的直流侧电容电压的直流偏置量ud0和单相负载侧的输出电压uL根据以下方法
计算得到：
ud0*=u1d+u2d2uL=u1d-u2d,]]>其中，u1d和u2d为直流侧的电容电压。
3.根据权利要求1所述的一种基于开绕组电机的三相-单相发电系统控制方法，其特征在于，
为了保证开绕组永磁发电机的三相电流可控，所述步骤2中给定的直流侧电容电压直流偏置
量ud0*需要满足以下条件：
ud0*≥2E+22UL,]]>其中：E为发电机的反电势有效值；UL为单相交流侧输出电压的有效值。
4.根据权利要求1所述的一种基于开绕组电机的三相-单相发电系统控制方法，其特征在于，
所述步骤3中根据以下公式计算电机三相电流的给定值：
ia*=i*sinωGt+i0*sin&omeg...

【专利技术属性】
技术研发人员：何建，魏佳丹，周波，郑青青，姜凯，戴胜男，
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