一种级联无刷双馈电机不平衡负载下的预测电流控制方法技术

一种级联无刷双馈电机不平衡负载下的预测电流控制方法。本方法在正负序分离的基础上获得输出电压正负序分量，正序控制电压输出幅值，负序控制消除负序电压影响，据此得到控制绕组电流参考值，在此基础上采用预测电流控制实现对系统正序负序的控制，从而在减小控制算法复杂度的同时能有效抑制由于不平衡负载产生的负序电压，提高了系统安全性及稳定性。

A Predictive Current Control Method for Cascaded Brushless Doubly-fed Machines under Unbalanced Load

【技术实现步骤摘要】
一种级联无刷双馈电机不平衡负载下的预测电流控制方法
本专利技术属于电机控制
，特别涉及一种无刷双馈电机的不平衡负载控制方法。
技术介绍
级联无刷双馈电机(cascadedbrushlessdoubly-fedgenerator，CBDFG)由于采用特殊转子绕组结构取消了传统有刷电机的电刷与滑环，同时又兼顾有刷双馈电机所需变频器仅需转差倍功率容量的优点，在降低了维护和运营成本的同时提升了电机运行可靠性，因此在发电系统中具有广阔的应用前景。在独立发电应用，不平衡负载或非线性负载的情况时有发生，三相系统中各相负载分配不均或者负载故障都可能导致负载不平衡状况。此时，零序(四线制)和负序分量在系统内流动，对输出阻抗为零的理想电源无影响，但实际的系统都具有输出阻抗，从而导致输出电压波形不对称。与并网型风力发电系统中电源不平衡的危害相似,这些不平衡将影响系统的发电率及电能质量,甚至危害发电机本身,如负序电流引起感应电机转矩、功率以二倍系统频率振荡,定、转子绕组局部过热将增加电机的机械损耗,降低了系统的使用寿命。因此,需通过合适的系统控制策略以消除不平衡负载对CBDFG发电系统的影响，在局部负载发生不平衡现象时，其余负载能得到正常的供电电源，保证整个系统能稳定运行。目前，双馈发电系统不平衡负载控制有基于传统双PI控制、PR控制、PIR控制和预测电流控制等几类方法。如名为《ControlSystemforUnbalancedOperationofStand-aloneDoublyFedInductionGenerators》，作者R.Pena，出处IEEETransactionsonEnergyConversion22(2)，2007:544-545的文献针对双馈电机独立运行系统提出了补偿控制策略通过双环控制实现了对负序电压的有效补偿。名为《Improvedpredictivecurrentcontrolforunbalancedstand-alonedoubly-fedinductiongenerator-basedwindpowersystems》，作者VT.Phan，出处IETElectricPowerApplication5(3)，2011:275-287的文献针对有刷双馈电机不平衡负载提出了预测电流控制方案抑制负序电压，控制性能比较优异。但级联无刷双馈电机在结构、特性、模型上均有刷双馈电机存在较大差异，并由于特殊的结构其物理特性与数学模型也更为复杂，传统有刷双馈电机不平衡负载控制策略不能直接沿用。针对级联无刷双馈电机不平衡系统亦有文献进行了分析，例如名为《不平衡负载下双定子无刷双馈发电机独立运行控制策略》，作者姜云磊，出处电工技术学报，2017(5)：998-1006的文献采用了比例积分谐振控制器(PIR)替代传统的比例积分(PI)环节,克服了增益不足的问题，有效抑制了负序电压，达到较好的控制效果。名为“一种不平衡负载下独立无刷双馈发电机负序电压抑制系统”，公开号CN108448966A，公开日2018年8月24日的中国专利申请，针对无刷双馈电机独立运行负序电压采用控制绕组电流补偿给定值以消除负序电压分量。相比传统PI及PIR控制器，预测电流具有动态响应快，系统带宽不受限制易于数字实现等优点，针对无刷双馈电机及其发电系统，目前尚未有研究提出级联无刷双馈电机针对不平衡负载下预测电流控制策略；为保证整个发电系统可靠性在系统发生不平衡故障时需采用补偿策略完成对系统的负序电压补偿。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提出一种级联无刷双馈电机不平衡负载下预测电流控制技术，旨在解决系统负载发生不平衡故障时系统输出电压不平衡的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种级联无刷双馈电机在不平衡故障时在其各自正负序坐标系下获得直流分量，在消除负序电压的控制下对电流内环采用预测电流控制，完成内环电流的无差拍跟踪控制。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种级联无刷双馈电机不平衡负载下的预测电流控制方法，包括以下步骤：(1)检测控制绕组三相相电流并对其进行ABC/αβ坐标变换后得到控制绕组电流α轴分量icα和β轴分量icβ；检测功率绕组三相相电流并对其进行ABC/αβ坐标变换后得到功率绕组电流α轴分量ipα和β轴分量ipβ；检测功率绕组三相线电压并将其转化为相电压，对相电压进行ABC/αβ坐标变换后得到功率绕组电压α轴分量upα和β轴分量upβ；(2)将功率绕组电流α轴分量ipα和β轴分量ipβ以及功率绕组电压α轴分量upα和β轴分量upβ分别经各自的正负序坐标系进行αβ/dq变换得功率绕组正序电流、电压d轴分量i+pd+、u+pd+，q轴分量i+pq+、u+pq+及功率绕组负序电流、电压d轴分量i-pd-、u-pd-，q轴分量i-pq-、u-pq-；同理，将控制绕组电流α轴分量icα和β轴分量icβ分别经各自的正负序坐标系进行αβ/dq变换得控制绕组正序电流d轴分量i+cd+，q轴分量i+cq+及负序电流d轴分量i-cd-，q轴分量i-cq-；(3)由功率绕组正序电压dq轴分量u+pd+、u+pq+设计正序电压外环PI控制器使外环电压输出幅值始终跟踪输出给定u*p，控制器输出为由功率绕组电压负序d轴分量u-pd-设计d轴分量PI控制器，使d轴分量u-pd-与常数0作为系统输入经控制器作用，以消除负序电压的d轴分量，控制器输出为由功率绕组电压负序q轴分量u-pq-设计q轴分量PI控制器，使q轴分量u-pq-与常数0作为系统输入经控制器作用，以消除负序电压的q轴分量，输出为(4)将所述正序电压外环PI控制器的d轴输出与负序电压外环的所述d轴分量PI控制器输出相加作为电流内环d轴控制器给定值将所述正序电压外环PI控制器的q轴输出与负序电压外环的所述q轴分量PI控制器输出相加作为电流内环q轴控制器给定值(5)根据电机数学模型对控制绕组电流进行微分，而后对其进行离散化得小信号控制关系式；采样信号数字离散化之后，得控制绕组电流为i+cd(k)，i+cq(k)，其中k为控制绕组第k次采样值；为确保控制绕组电流能始终跟踪其参考值，实现无差跟踪，将k次采样指令作为k+1次采样值，即后由电机所得小信号控制控制关系式得控制绕组电压参考指令u*cd及u*cq；(6)由预测电流所得步骤(5)中的控制绕组dq轴电压参考值u*cd、u*cq经dq/ABC变换获得控制绕组电压的三相参考值(7)经获得控制绕组电压的三相参考值由SVPWM产生三相驱动信号至变换器实现对不平衡负载时预测电流控制。步骤(1)具体包括：(11)检测控制绕组三相电流ica、icb、icc，通过Clark坐标变换将控制绕组电流从静止ABC坐标变换到两相静止αβ参考坐标系下得控制绕组电流α轴分量icα和β轴分量icβ；(12)检测功率绕组三相电流ipa、ipb、ipc，通过Clark坐标变换将功率绕组电流从静止ABC坐标变换到两相静止αβ参考坐标系下得功率绕组电流α轴分量ipα和β轴分量ipβ；(13)检测功率绕组三相线电压upab、upbc、upca，经过线电压变换到相电压upa、upb、upc，通过Clark坐标变换将功率绕组电压从静止ABC坐标变换到两相静止α本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种级联无刷双馈电机不平衡负载下的预测电流控制方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)检测控制绕组三相相电流并对其进行ABC/αβ坐标变换后得到控制绕组电流α轴分量icα和β轴分量icβ；检测功率绕组三相相电流并对其进行ABC/αβ坐标变换后得到功率绕组电流α轴分量ipα和β轴分量ipβ；检测功率绕组三相线电压并将其转化为相电压，对相电压进行ABC/αβ坐标变换后得到功率绕组电压α轴分量upα和β轴分量upβ；(2)将功率绕组电流α轴分量ipα和β轴分量ipβ以及功率绕组电压α轴分量upα和β轴分量upβ分别经各自的正负序坐标系进行αβ/dq变换得功率绕组正序电流、电压d轴分量i

【技术特征摘要】
1.一种级联无刷双馈电机不平衡负载下的预测电流控制方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)检测控制绕组三相相电流并对其进行ABC/αβ坐标变换后得到控制绕组电流α轴分量icα和β轴分量icβ；检测功率绕组三相相电流并对其进行ABC/αβ坐标变换后得到功率绕组电流α轴分量ipα和β轴分量ipβ；检测功率绕组三相线电压并将其转化为相电压，对相电压进行ABC/αβ坐标变换后得到功率绕组电压α轴分量upα和β轴分量upβ；(2)将功率绕组电流α轴分量ipα和β轴分量ipβ以及功率绕组电压α轴分量upα和β轴分量upβ分别经各自的正负序坐标系进行αβ/dq变换得功率绕组正序电流、电压d轴分量i+pd+、u+pd+，q轴分量i+pq+、u+pq+及功率绕组负序电流、电压d轴分量i-pd-、u-pd-，q轴分量i-pq-、u-pq-；同理，将控制绕组电流α轴分量icα和β轴分量icβ分别经各自的正负序坐标系进行αβ/dq变换得控制绕组正序电流d轴分量i+cd+，q轴分量i+cq+及负序电流d轴分量i-cd-，q轴分量i-cq-；(3)由功率绕组正序电压dq轴分量u+pd+、u+pq+设计正序电压外环PI控制器使外环电压输出幅值始终跟踪输出给定u*p，控制器输出为i+*cd+、i+*cq+；由功率绕组电压负序d轴分量u-pd-设计d轴分量PI控制器，使d轴分量u-pd-与常数0作为系统输入经控制器作用，以消除负序电压的d轴分量，控制器输出为i-*cd-；由功率绕组电压负序q轴分量u-pq-设计q轴分量PI控制器，使q轴分量u-pq-与常数0作为系统输入经控制器作用，以消除负序电压的q轴分量，输出为i-*cq-；(4)将所述正序电压外环PI控制器的d轴输出i+*cd+与负序电压外环的所述d轴分量PI控制器输出i-*cd-相加作为电流内环d轴控制器给定值i+*cd；将所述正序电压外环PI控制器的q轴输出i+*cq+与负序电压外环的所述q轴分量PI控制器输出i-*cq-相加作为电流内环q轴控制器给定值i+*cq；(5)根据电机数学模型对控制绕组电流进行微分，而后对其进行离散化得小信号控制关系式；采样信号数字离散化之后，得控制绕组电流为i+cd(k)，i+cq(k)，其中k为控制绕组第k次采样值；为确保控制绕组电流能始终跟踪其参考值，实现无差跟踪，将k次采样指令作为k+1次采样值，即后由电机所得小信号控制控制关系式得控制绕组电压参考指令u*cd及u*cq；(6)由预测电流所得步骤(5)中的控制绕组dq轴电压参考值u*cd、u*cq经dq/ABC变换获得控制绕组电压的三相参考值(7)经获得控制绕组电压的三相参考值由SVPWM产生三相驱动信号至变换器实现对不平衡负载时预测电流控制。2.根据权利要求1所述的级联无刷双馈电机不平衡负载下的预测电流控制方法，其特征在于：步骤(1)具体包括：(11)检测控制绕组三相电流ica、icb、icc，通过Clark坐标变换将控制绕组电流从静止ABC坐标变换到两相静止αβ参考坐标系下得控制绕组电流α轴分量icα和β轴分量icβ；(12)检测功率绕组三相电流ipa、ipb、ipc，通过Clark坐标变换将功率绕组电流从静止ABC坐标变换到两相静止αβ参考坐标系下得功率绕组电流α轴分量ipα和β轴分量ipβ；(13)检测功率绕组三相线电压upab、upbc、upca，经过线电压变换到相电压upa、upb、upc，通过Clark坐标变换将功率绕组电压从静止ABC坐标变换到两相静止αβ参考坐标系下得功率绕组电压α轴分量upα和β轴分量upβ。3.根据权利要求1所述的级联无刷双馈电机不平衡负载下的预测电流控制方法，其特征在于：步骤(2)具体包括：(21)通过在转子上安装码盘，获得电机转子的机械角速度Nr，依此获得转子角速度θr；(22)根据功率绕组极对数pp、控制绕组极对数pc、功率绕组的电量角频率100πrad/s和转子机械角速度Nr获得控制绕组电流角频率ωc：(23)将功率绕组角频率100πrad/s输入积分环节得功率绕组电量角度θp，同时将控制绕组电流角频率ωc输入积分环节获得控制绕组电流角度θc＝θp-(pp+pc)θr(24)将控制绕组两相电流icα、icβ以θc作为坐标变换角，通过Park坐标变换从静止αβ坐标转换到参考dq坐标系后得控制绕组正序电流d轴分量i+cd+和q轴分量i+cq+；(25)将控制绕组两相电流icα、icβ以-θc作为坐标变换角，通过Park坐标变换从静止αβ坐标转换到参考dq坐标系后得控制绕组负序电流d轴分量i-cd-和q轴分...

【专利技术属性】
技术研发人员：张德斌，于宁，洪玮，戎兵，
申请(专利权)人：浙江永宏电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33