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制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力传动控制设备
，涉及混合励磁式无轴承永磁发电机，尤其是该无轴承永磁发电机的控制器结构，适用于风力发电机、燃气轮发电机、航空电源、混合动力汽车、飞轮储能系统等诸多场合。
技术介绍
混合励磁式无轴承永磁发电机继承了传统的永磁同步发电机结构简单、效率高、功率密度大、拓扑结构灵活多样、运行可靠等诸多优点，同时无轴承化的设计使得发电机无摩擦、无磨损，削弱轴承故障，延长发电机的轴承使用寿命，减少维护成本。例如中国专利申请号为CN201610140641.6，名称为“一种无轴承永磁同步发电机”的文献中公开的发电机结构，具有发电绕组、悬浮力绕组和励磁绕组这三套绕组，利用磁轴承支撑无轴承发电机的转子，这种发电机结构存在的问题是：对转子偏心位移难以进行精确控制，在实现发电机稳定悬浮的同时难以得到稳定的发电电压。目前，发电机稳定悬浮的控制方法主要有两种：矢量控制法和直接转矩和悬浮力控制法，但二者均存在明显不足：矢量控制法的系统过多依赖于电机参数并需要复杂的坐标变换，这使得控制系统软件和硬件的复杂程度增加，还占用过多的系统时钟周期。直接转矩和悬浮力控制法采用bang-bang调节及开关表查询方法，存在转矩波动较大、低速性能差、开关频率不固定等问题，同时控制系统的采样和计算存在延时问题。除此之外，发电机运行过程中会遇到用电负载发生变化和原动机给定的转速变化等问题，这会使得发电绕组中合成磁场产生畸变。因为发电机气隙磁场无法自主调节，导致发电机无法稳定悬浮和高效发电。现有的解决上述问题的方法主要是在转子上同轴安装混合励磁结构或者爪极结构实现电励磁，通过调节其电励磁电流来改变气隙磁通大小，从而达到稳压目的。但这样安装会带来装配工艺复杂，维修成本增加，转子负担加重，降低功率密度等缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有混合励磁式无轴承永磁发电机实现稳定悬浮存在的问题，提出一种基于磁链观测的无轴承发电机直接预测控制器，能减小控制误差，减弱控制延时造成转矩、磁链和悬浮力的波动，同时提高发电品质。本专利技术基于磁链观测的无轴承发电机直接预测控制器采用的技术方案是：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；SVPWM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，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；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，矩阵变换器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；绕组磁链观测器及预测器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，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，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至输入转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器；绕组磁链观测器及预测器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；悬浮力估算模块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；转矩估算模块输出下一时刻的的转矩预测值Te(k+1)，将直流电压是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；转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器输出电压参考值U1α*、U1β*、U2α*、U2β*、U3α*、U3β*至SVPWM。本专利技术的优点在于：1、本专利技术充分利用了发电机在原动机转速和用电负载变化时，发电绕组的合成磁场发生相应的变化，基于磁链观测器并辅之以励磁绕组的反馈作用来实时地调整主磁场，利用初始观测的转矩、磁链、悬浮力的值，经过预测算法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，从而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，尽早减小了控制误差，减弱控制延时造成转矩、磁链和悬浮力的波动，同时能提高发电机的系统悬浮性能与发电品质。2、本专利技术具有直接转矩和悬浮力控制结构简单、转速响应快、优良的动静态性能和对发电机参数表现出强的鲁棒性等优点，同时也具备了预测算法避免延时带来的转矩、悬浮力脉动和磁链纹波等问题，能有效弥补时间延时对系统性能的影响。3、本专利技术将光电编码器实时监测到的转速生成给定磁链参考值的磁链生成器，转子磁链给定与实际转速有关，在额定转速下保持恒定，额定转速以上转子磁链给定相应减小。该磁链生成器简单可行，将实际转速与给定磁链直接联系，降低了控制系统的复杂度，减少了控制系统占用的系统时钟周期。4、本专利技术在径向位移闭环控制中将模糊控制和PID控制器两者结合起来，既具有模糊控制灵活、鲁棒性好、自适应强的优点，又具有PID控制精度高、结构简单等优点。附图说明图1是本专利技术基于磁链观测的无轴承发电机直接预测控制器的结构框图；图2是图1中绕组磁链观测器及预测器12的构成图；图3是图1中悬浮力估算模块15的构成图；图4是图1中转矩估算模块14的构成图；图5是图1中转矩、悬浮力和励磁电压参考值发生器17的构成图。图中：1.整流器；2、3.电压源逆变器；4.发电绕组磁链及转矩初始观测器；5.悬浮力绕组磁链初始观测器；6.励磁绕组磁链初始观测器；7.发电绕组磁链预测器；8.悬浮力绕组磁链预测器；9.励磁绕组磁链预测；10.发电和励磁绕组合成磁链预测器；12.绕组磁链观测器及预测器；13.矩阵变换器；14.转矩估算模块；15.悬浮力估算模块；16.ω-ψ1*磁链生成器；17.转矩、悬浮力和励磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；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)，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至输入转矩、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)，将直流电压是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)。...

【技术特征摘要】
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；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)，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至输入转矩、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)，将直流电压是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...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱熀秋，胡亚民，吴熙，孙玉坤，陆宝富，许波，朱春霞，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32