一种调磁调压直流发电机系统的最优动态PI参数整定方法技术方案

本发明专利技术公开了一种调磁调压直流发电机系统的最优动态PI参数整定方法，首先在混合励磁发电机不同转速情况下，记录不同负载电流应的励磁电流的值，通过最小二乘法拟合出励磁电流、负载电流和转速的函数关系，然后基于负载端输出电容电压的状态方程，获取负载电流由I

【技术实现步骤摘要】
一种调磁调压直流发电机系统的最优动态PI参数整定方法


[0001]本专利技术涉及电机控制
，主要涉及一种调磁调压直流发电机系统的最优动态PI参数整定方法。

技术介绍

[0002]调磁调压直流发电机包括电励磁、混合励磁发电机，该类电机的励磁磁场可调、容易实现故障灭磁，能够在较宽转速范围内输出稳定电压，适合用于机载或车载直流发电系统中。
[0003]基于调磁调压直流发电系统的主要控制思想如下：输出电压给定值与电压传感器测量值作差，差值经过PI调节器得到励磁电流的给定值，然后用单相全桥变换器对励磁电压源斩波得到跟踪该励磁电流给定值的实际值。基于该控制思想，对于一般的采用不控整流输出的调磁调压直流发电系统而言，通常采用直流侧电压PI外环，励磁电流PI内环的控制方法。电压控制的动态性能主要取决于外环PI调节器参数。
[0004]上述系统采用双PI环的电压控制动态性能具有以下缺点：
[0005](1)经过二极管整流后的电流谐波较大，为了抑制输出电压纹波，直流环节需要一个较大容值的电容器，动态响应速度因此被降低。
[0006](2)为了减小励磁电流的值，励磁绕组匝数往往较大，由此带来励磁电感较大，使得励磁电流调节时间常数较大。
[0007](3)电压外环固定的PI参数难以满足不同转速、不同负载突变情况下的动态响应性能如图7所示。
[0008]为了提高调磁调压发电机系统的动态性能，文献《Capacitor
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Energy
‑
based Control of Doubly Salient Brushless DC Generator for Dynamic Performance Optimization,Yanwu Xu；Zhuoran Zhang；Zhangming Bian；Li Yu,IEEE Transactions on Energy Conversion,2020,vol:35,no:4,1886
‑
1896》提出了基于充放电能量控制的发电机控制方法，它的主要控制思想如下：滤波电容充电功率的期望值与实际值作差，差值经过PID调节器得到充电电流的期望值，充电电流的期望值与负载电流相加得到整流电路的输出电流，再根据整流电路的输出电流与励磁电流的函数关系，得到励磁电流的给定值，通过半桥变换器斩波令励磁电流的实际值跟踪上给定值。与传统电压电流双环控制策略相比，基于充放电能量控制的发电机电压控制方法以充电电流为控制目标，提高了系统的性能，减小了输出电压的动态纹波。
[0009]该方法在系统控制中使用功率外环取代一般控制方法中的电压外环，一定程度上提升了系统的动态性能。虽然合适的PI参数可以实现控制量的最终收敛，但在调磁调压直流发电系统中，负载电流的变化、转速的变化都是多样的，固定的外环PI参数必然无法满足不同转速下负载突变后系统的动态性能。因此，基于充放电能量控制的发电机电压控制方法虽然优于传统电压电流双环控制策略的动态性能，但是其输出电压的动态波形仍然存在多次调节过程。同时，考虑到发电机的输出电压受转速和负载的影响，当转速较低或者负载
较重的时候都需要较大的励磁电流来维持稳定的电压，磁场易饱和。在不同工况下遭遇负载突增突卸时，系统电压的动态性能易受到固定的PI参数的影响，影响系统发电质量。
[0010]文献《一种混合励磁发电机的控制方法(202110256068.6)》提出了公开了一种混合励磁发电机的控制方法，在混合励磁发电机的负载发生突增或突减时，通过合理设计各时刻及励磁电流变化速率，在控制过程中满足整流电路输出电流的平均值的积分值与负载电流的积分值相等，且过程结束时整流电路输出电流平均值的瞬时值与突变时刻的负载电流瞬时值相等，从而输出电压只经过一次调节过程即可收敛，负载突变过程无超调或下调且收敛时间最短，解决了现有基于充放电能量控制的发电机电压控制充电电流与输出电压的动态曲线受PID参数影响、不能实现最优、存在多次调节过程的问题。但是该方法只适用于动态过程，当动态过程结束以后，系统需要将算法切换至传统PI控制，算法的切换导致系统存在切换纹波。

技术实现思路

[0011]专利技术目的：针对上述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供了一种调磁调压直流发电机系统的最优动态PI参数整定方法，指导动态过程中的电压环PI参数的设计。解决了现有基于电容能量控制的发电机输出电压动态特性受到外环固定参数影响，存在多次调节过程的问题；不需要算法切换，即可实现动态性能的最优，解决了不同算法之间切换导致的纹波问题。
[0012]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0013]一种调磁调压直流发电机系统的最优动态PI参数整定方法，所述采用包括混合励磁发电机、励磁电流控制模块、三相二极管不控整流电路、和负载端的混合励磁发电系统实现；所述三相二极管不控整流电路包括3个并联桥臂，每个桥臂包括2个串联二极管；所述3个桥臂中点分别与混合励磁发电机的三相电枢绕组一段相连，所述三相电枢绕组另一端短接；三相二极管不控整流电路的输出端与负载端并联，所述负载端包括并联的滤波电容和负载；所述负载两侧并联有电压传感器，负载与负载电流传感器串联接入所述输出端；所述励磁电流控制模块包括单相全桥变换器和励磁绕组电压源；所述单相全桥变换器由励磁绕组电源供电，全桥变换器由两组共四个开关管组成，所述两组开关管的中点之间连接有励磁绕组和励磁电流传感器；所述最优动态PI参数整定方法具体包括：
[0014]步骤S1、在混合励磁发电机不同转速情况下，记录不同负载电流I
O
应的励磁电流I
f
的值，通过最小二乘法拟合出励磁电流I
f
、负载电流I
O
和转速n的函数关系，具体如下：
[0015]I
f
＝f(I
O
，n)
[0016]步骤S2、基于负载端输出电容电压的状态方程，获取负载电流由I
O1
到I
O3
突变情况下理想最优输出电压曲线的时间函数关系；
[0017]步骤S3、基于步骤S1所述拟合函数关系，对任一转速n下的特定负载电流从I
O1
到I
O3
的突变，求解对应的最优动态PI参数。
[0018]进一步地，，所述步骤S2中求取理想最优输出电压曲线的时间函数关系具体包括：
[0019]步骤S2.1、将负载端输出电容电压的状态方程转化为一阶微分方程：
[0020][0021]其中C为滤波电容值，Z为负载端等效阻抗，i
L
为滤波电容前级的整流电流，i
O
为经过滤波电容后的负载电流，稳态下i
O
等于i
L
；
[0022]步骤S2.2、当负载电流由I
O1
突变到I
O3
时，突变后的等效阻抗Z表示为其中U
O*
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种调磁调压直流发电机系统的最优动态PI参数整定方法，所述采用包括混合励磁发电机、励磁电流控制模块、三相二极管不控整流电路、和负载端的混合励磁发电系统实现；所述三相二极管不控整流电路包括3个并联桥臂，每个桥臂包括2个串联二极管；所述3个桥臂中点分别与混合励磁发电机的三相电枢绕组一段相连，所述三相电枢绕组另一端短接；三相二极管不控整流电路的输出端与负载端并联，所述负载端包括并联的滤波电容和负载；所述负载两侧并联有电压传感器，负载与负载电流传感器串联接入所述输出端；所述励磁电流控制模块包括单相全桥变换器和励磁绕组电压源；所述单相全桥变换器由励磁绕组电压源供电，全桥变换器由两组共四个开关管组成，所述两组开关管的中点之间连接有励磁绕组和励磁电流传感器；其特征在于，所述最优动态PI参数整定方法具体包括：步骤S1、在混合励磁发电机不同转速情况下，记录不同负载电流I
O
应的励磁电流I
f
的值，通过最小二乘法拟合出励磁电流I
f
、负载电流I
O
和转速n的函数关系，具体如下：I
f
＝f(I
O
，n)步骤S2、基于负载端输出电容电压的状态方程，获取负载电流由I
O1
到I
O3
突变情况下理想最优输出电压曲线的时间函数关系；步骤S3、基于步骤S1所述拟合函数关系，对任一转速n下的特定负载电流从I
O1
到I
O3
的突变，求解对应的最优动态PI参数。2.根据权利要求1所述的一种调磁调压直流发电机系统的最优动态PI参数整定方法，其特征在于，所述步骤S2中求取理想最优输出电压曲线的时间函数关系具体包括：步骤S2.1、将负载端输出电容电压的状态方程转化为一阶微分方程：其中C为滤波电容值，Z为负载端等效阻抗，i
L
为滤波电容前级的整流电流，i
O
为经过滤波电容后的负载电流，稳态下i
O
等于i
L
；步骤S2.2、当负载电流由I
O1
突变到I
O3
时，突变后的等效阻抗Z表示为其中U
O*
为输出电压给定值；求解一阶微分方程如下：将负载突变时刻t0视为0，则上式简化为：滤波电容前级的整流电流i
L
由励磁电流i
f
直接控制；当单相全桥变换器的开关管输出满占空比时，励磁电流i
f
沿线性上升或下降，且斜率与励磁绕组的自感值有关；当不考虑磁场饱和时，i
L
随i
f
线性上升或下降，上升斜率设置为k1，下降时则设置为
‑
k1；步骤S2.3、当负载突增时，整流电流i
L
随励磁电流i
f
线性上升，用时间函数表示为：i
L
＝k1t+I
O1
在励磁电流下降阶段的时间函数与t2时刻有关，t2为整流电流i
L
达到最高值的时刻，设
置t2＝x，下降阶段的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，夏宇航，周浩宇，张成糕，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：