发电机全控整流系统和控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种发电机全控整流系统和控制方法，其中，发电机全控整流系统包括：发电机、整流单元和控制单元，发电机包括定子绕组和励磁系统，励磁系统与定子绕组配合设置，整流单元用于对发电机输出的交流电进行整流，其三相交流端直接与所述定子绕组相连，其直流侧连接负载；控制单元用于产生控制整流单元的PWM开关信号。通过本发明专利技术的技术方案，提高了发电机系统全控整流装置的轻量化与集成化，实现了发电机全控整流系统的稳定输出，既保证了发电机工作在单位功率因数状态，实现了机端输出电流正弦化，减小了电流谐波污染，提高了电能利用率，又保证了整流单元直流侧输出电压稳定且可调，增强了负载适应能力，提高了动态响应速度。

Generator full control rectification system and control method

The invention discloses a generator rectifier system and control method, which comprises a generator system: full controlled rectifier generator, rectifier unit and a control unit, including generator stator winding and excitation system, the excitation system and the stator windings are matched and rectifier unit for AC generator output rectifier, the three-phase AC terminal directly and the stator winding connected to the DC side connection load; the control unit is used for generating the PWM switch signal control of the rectifier unit. Through the technical scheme of the invention improves the lightweight full controlled rectifier generator system and integration, to achieve a stable output of generator full controlled rectifier system, ensures that the generator operates in unit power factor, realizes the output sinusoidal current, reduce the current harmonic pollution and improve power the utilization rate, but also ensure the rectifier DC side output voltage is stable and adjustable, enhance the ability to adapt to load, improve the dynamic response speed.

【技术实现步骤摘要】
发电机全控整流系统和控制方法
本专利技术涉及发电机整流
，尤其涉及一种发电机全控整流系统和一种发电机全控整流系统的控制方法。
技术介绍
在许多电网电力难以到达的场合，如野外工作环境、船舶及航空场合、保障能源等，发电机供电由于其工作稳定、供电时间长、环境适应性强、便于移动等特点广泛应用于独立式供电系统。发电机多数工作于离网情况，相比于并网发电，发电机组供电容量较小，等效输出阻抗较大，当用电中有大量无功负载和电力电子器件时，会导致发电机效率降低，输出波形恶化，发电机组的电能质量一般都会低于大电网的电能质量。整流单元作为一种交直变换器，广泛的应用在各个领域中。现有技术中，发电机整流装置一般采用二极管不控整流或晶闸管相控整流，工作稳定可靠性高，控制相对简单，但这类型的整流装置会造成谐波污染，网侧功率因数低，增加线路损耗，降低电能利用率，同时也可能造成局部谐振，产生设备故障。随着电力电子技术的发展和功率开关器件性能的提升，PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)控制技术被引入到整流装置的控制中。PWM整流方式具有卓越的电能变换性能，实现网侧电流正弦化运行且保持与电压同相位，运行于单位功率因数，从源头上解决谐波和无功功率问题，广泛应用于有源滤波、高压直流输电、超导储能、电力传动、可再生能源并网发电等各个领域，但是，目前绝大多数PWM整流单元控制方式按照交流侧为三相电网设计或为特定发电机组设计，并不能完全适用于普通发电机系统。
技术实现思路
针对上述问题中的至少之一，本专利技术提供了一种发电机全控整流系统及其控制方法，通过利用发电机定子侧绕组电感替代传统全控整流单元中的滤波电感，提高了发电机系统全控整流装置的轻量化与集成化，匹配了发电机的转子等效反电动势和机端输出电压与整流单元交流侧对应关系，通过实时获取发电机端电压、电流信号值和整流单元输出直流侧电压信号值，计算发电机转子实时位置，进一步生成调节交流侧电流的第一路控制指令和调节直流侧电压的第二路控制指令，调制PWM开关信号送入整流单元的IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)驱动模块，实现了发电机系统全控整流系统的稳定输出，同时使发电机处于单位功率因数工作，机端输出电流正弦化，减小了电流谐波污染，提高了电能利用率，保证了整流单元直流侧输出电压稳定且可调，提高了动态响应速度。为实现上述目的，本专利技术的第一方面提供了一种发电机全控整流系统，包括：发电机、整流单元和控制单元，其中，发电机包括定子绕组和励磁系统，励磁系统与定子绕组配合设置，在参考控制信号的激励下励磁系统与定子绕组实现发电；整流单元用于对发电机输出的交流电进行整流，其三相交流端直接与发电机定子绕组相连，其直流侧经滤波电容后连接负载；控制单元用于根据发电机输出端和整流单元输出端的电压电流信号，以及预设的参考值进行运算，得出控制整流单元的PWM开关信号。在该技术方案中，通过将整流单元的三相交流端直接与定子绕组相连，利用发电机定子侧绕组电感替代传统全控整流单元中的滤波电感，提高了发电机系统全控整流装置的轻量化与集成化，通过实时获取发电机端电压、电流信号值和整流单元输出直流侧电压信号值，计算发电机转子实时位置，进一步生成调节交流侧电流的第一路控制指令和调节直流侧电压的第二路控制指令，调制PWM开关信号送入整流单元的IGBT驱动模块，实现了发电机系统全控整流系统的稳定输出，同时使发电机处于单位功率因数工作，减小了电流谐波污染，提高了动态响应速度，保证了整流单元直流侧输出电压可调，提高了电能利用率。其中，通过使用六个带反并联二极管的IGBT组成三项桥臂构成全控整流单元，三项桥臂的中点直接与定子绕组相连，直流侧通过滤波电容后与负载相连。其中，通过励磁机控制器控制发电机励磁机，从而控制发电机转子反电动势的等效值，使转子反电动势保持在要求范围之内，与整流单元达到匹配，参考控制信号预设为发电机空载时的励磁电流，预设的参考值包括预设的整流单元的直流侧电压、发电机磁链确定的反电动势。发电机空载时的励磁电流和发电机磁链确定的反电动势根据发电机的参数确定，发电机一旦确定，上述两参数也是恒定值，在发电机全控整流系统稳定工作中保持恒定不变。对预设的整流单元的直流侧电压进行调整，可调节输出的直流电压，从而对整流单元的开关器件进行控制。在上述技术方案中，优选地，定子绕组作为整流单元的滤波电感，定子绕组的电感值根据发电机和整流单元的参数相匹配设置。在该技术方案中，通过定子绕组将发电机与整流单元连接整合为一个系统，为了解决两者兼容工作的问题，定子绕组的电感值应该与发电机和整流单元的参数相匹配设置。发电机定子绕组不仅充当定子电枢感应转子的电动势，输出机端电压，同时在连接整流单元后充当整流单元交流侧滤波电感，定子绕组与整流单元直接相关的参数为其等效电感值，发电机的定子绕组设计和考量与传统电机一致，采用经验公式或根据技术要求确定。对于整流单元而言，电感要满足有功功率级别的要求，交流侧滤波电感的存在使整流单元具有Boost型PWMAC/DC变换性能及直流侧受控电流源特性。电感的取值影响到第一路控制信号所控制电流环的动、静态响应，制约着整流单元的输出功率、功率因数及直流电压。同时，电感要满足瞬态电流跟踪的能力，保证既要快速跟踪电流，又要抑制电流谐波。整流单元要调制出正弦波电流，在电流过零处电流变化率最大，电感要足够小以满足快速跟踪电流的要求，电流峰值处，电流谐波脉动最严重，电感要足够大以抑制谐波。在上述技术方案中，优选地，整流单元的交流侧电气参数与发电机电气模型进行匹配设置，发电机与整流单元交流侧整合为一个整体。在该技术方案中，要确定整流单元利用发电机定子绕组作为滤波电感后整流单元交流侧电气参数在发电机内部的对应情况，匹配发电机的转子等效反电动势和机端输出电压与整流单元交流侧对应关系，改变发电机的带负载工作特性。一般情况下，发电机工作在额定功率的情况下，由于自身定子电感电枢反应的存在，机端电压会滞后于转子侧反电动势，发电机在运行时保持感性带负载工作状态，一般三相发电机的额定功率因数为0.8。其中，整流单元与发电机匹配，设计发电机单位功率因数运行，要求定子电流的相位与转子等效反电动势相位保持一致，发电机机端输出电流相位要超前于机端电压相位，发电机在输出端呈容性带负载工作状态，对于发电机转子侧，要保证感应生成的定子电流与转子反电动势同相位。在上述技术方案中，优选地，励磁系统包括励磁机控制器、励磁机和转子绕组，励磁机控制器接收控制单元的参考控制信号，产生对励磁机的励磁电流，励磁机感应励磁机控制器输出的励磁电流产生三相感应电流，励磁机与转子绕组相连接，对三相感应电流整流后传输到转子绕组。在该技术方案中，以设计励磁机控制方式为电流控制为例，通过励磁机控制器输出恒定大小电流形成励磁磁场，发电机的励磁机对励磁磁场感应到的三相电进行整流，然后供给转子绕组，转子绕组产生磁场。励磁机控制器以发电机空载时的初始励磁电流有效值作为参考控制信号值，将参考控制信号值转化为恒定励磁电流输出，保证励磁的设定值不变，从而保证转子反电动势不变。同时，在匹配不同电压等级的整流单元工作时，通过控制单元可改变参考控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发电机全控整流系统，其特征在于，包括：发电机、整流单元和控制单元；所述发电机包括定子绕组和励磁系统，所述励磁系统与所述定子绕组配合设置，在参考控制信号的激励下所述励磁系统与所述定子绕组实现发电；所述整流单元用于对发电机的输出电流进行整流，所述整流单元的三相交流端直接与所述定子绕组相连，所述整流单元的直流侧连接负载；所述控制单元用于根据发电机输出端和整流单元输出端的电压电流信号，以及预设的参考值进行运算，得出控制所述整流单元的PWM开关信号。

【技术特征摘要】
1.一种发电机全控整流系统，其特征在于，包括：发电机、整流单元和控制单元；所述发电机包括定子绕组和励磁系统，所述励磁系统与所述定子绕组配合设置，在参考控制信号的激励下所述励磁系统与所述定子绕组实现发电；所述整流单元用于对发电机的输出电流进行整流，所述整流单元的三相交流端直接与所述定子绕组相连，所述整流单元的直流侧连接负载；所述控制单元用于根据发电机输出端和整流单元输出端的电压电流信号，以及预设的参考值进行运算，得出控制所述整流单元的PWM开关信号。2.根据权利要求1所述的发电机全控整流系统，其特征在于，所述定子绕组作为所述整流单元的滤波电感，所述定子绕组的电感值根据所述发电机和所述整流单元的参数相匹配设置。3.根据权利要求2所述的发电机全控整流系统，其特征在于，所述整流单元的交流侧电气参数与所述发电机电气模型进行匹配设置，所述发电机与所述整流单元交流侧整合为一个整体。4.根据权利要求1所述的发电机全控整流系统，其特征在于，所述励磁系统包括励磁机控制器、励磁机和转子绕组，所述励磁机控制器根据所述控制单元的参考控制信号产生励磁电流，所述励磁机感应所述励磁电流产生三相感应电流，所述励磁机与所述转子绕组相连接，对所述三相感应电流整流后传输到所述转子绕组，成为转子绕组的励磁电流，其中，所述参考控制信号值为发电机空载时所述励磁机的电流值，所述参考控制信号在系统工作稳定时保持不变。5.根据权利要求1所述的发电机全控整流系统，其特征在于：上述控制单元包括转换子单元、处理子单元、运算子单元、控制子单元；所述转换子单元用于检测所述发电机机端和所述整流单元的输出端的电压电流信号，并将检测到的电压电流信号转换为数字式的电压电流信号值；所述处理子单元将所述电压电流信号值进行不同坐标的变换或反变换，并根据发电机输出端的电压电流信号值计算所述转子绕组的矢量位置；所述运算子单元将电压电流信号和给定的参考控制信号进行相应的运算；所述控制子单元根据所述运算子单元的运算结果，生成控制所述整流单元的PWM开关信号。6.根据权利要求5所述的发电机全控整流系统，其特征在于，所述控制子单元包括电压控制器、电流控制器和脉宽调制器，所述电压控制器用于根据所述运算子单元生成的第一路控制指令生成参考电流值，所述电流控制器根据所述运算子单元生成的第二路控制指令进行解耦生成电压调制指令，所述脉宽调制器根据所述处理子单元转换后的电压调制指令生成矢量脉宽调制开关信号。7.根据权利要求6所述的发电机全控整流系统，其特征在于：所述处理子单元根据所述转换子单元检测到的发电机输出端的电压电流信号值，利用滑膜观测器和锁相环实时检测所述转子绕组矢量位置，并将所述发电机输出端...

【专利技术属性】
技术研发人员：张一鸣，原大康，张加林，高俊侠，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11