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1、(10)申请公布号 CN 104320027 A (43)申请公布日 2015.01.28 CN 104320027 A (21)申请号 201410496163.3 (22)申请日 2014.09.25 H02P 9/00(2006.01) H02P 21/00(2006.01) (71)申请人 南京航空航天大学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29 号 (72)发明人 郑青青 魏佳丹 周波 何健 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 葛潇敏 (54) 发明名称 并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方 法 (57) 摘要 本发明公开了并联式绕。
2、组开放式永磁发电机 系统的控制方法， 负载电压给定值VL*和实际负载 电压VL比较后得到误差信号， 将误差信号经过 PI 调节后得到 q 轴的给定电流iq*， 而 d 轴的给定电 流id*和零轴的给定电流i0*均为0 ； 采集永磁发电 机的三相电流信号， 并经过Clarke变换和Park变 换后分别得到d、 q、 零轴的实际电流id、iq和i0， d、 q、 零轴的给定电流和实际电流比较后经过 PI 调 节后得到 d、 q、 零轴电压Uid、Uiq 和Ui0， 综合整流桥 补偿电压值实施补偿。本发明抑制系统中直流侧 并联产生的零序电流以及整流桥的非线性产生的 其他奇次谐波， 实现并联式绕组开放。
3、式永磁发电 机系统的高效率运行。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104320027 A CN 104320027 A 1/1 页 2 1. 并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法， 其特征在于 ： 包含外环控制和内环 控制， 所述外环控制采用电压闭环控制， 负载电压给定值VL*和实际负载电压VL比较后得到 误差信号， 将误差信号经过 PI 调节后得到 q 轴的给定电流iq*， 而 d 轴的给定电流id*和零 轴的给定电流i0*。
4、均为0 ； 所述内环控制采用电流环控制， 采集永磁发电机的三相电流信号， 并经过 Clarke 变换和 Park 变换后分别得到 d、 q、 零轴的实际电流id、iq和i0， d、 q、 零轴的 给定电流和实际电流比较后经过 PI 调节器得到 d、 q、 零轴电压Uid、Uiq 和Ui0， 再综合整流桥 补偿电压值实施 SPWM 补偿策略。 2. 根据权利要求 1 所述并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法， 其特征在 于 ： 所述整流桥补偿电压值的获得方法为， 将整流桥直流侧的滤波电容的中点定义为地， 当永磁发电机的某相电流流入整流桥的时候， 整流桥的上桥臂导通， 整流桥的相电压为 VL/。
5、2， 当永磁发电机的某相电流流出整流桥的时候， 整流桥的下桥臂导通， 整流桥的相电压 为 -VL/2， 通过检测三相电流值并判定电流方向， 从而获得整流桥三相电压值Ura、Urb和Urc， 将获得的整流桥三相电压值经过坐标变换后得到整流桥补偿电压值。 3. 根据权利要求 2 所述并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法， 其特征在于 ： 所述 SPWM 补偿策略的实现过程为， 将整流桥三相电压Ura、 Urb和Urc经过 Clarke 变换得到 Ur、Ur和Ur0， 再经过 Park 变换得到Urd、Urq和Ur0， 将得到的Urd、Urq和Ur0分别补偿到 d、 q、 零轴的 PI 调节器的。
6、输出端， 得到 d、 q、 零轴的给定电压Ud*、Uq * 和U0*，Ud*、Uq * 和U0*经过逆 Park 和逆 Clarke 变换得三相电压作为 SPWM 调制波， 并与载波交截后产生逆变器的开关信 号。 4. 根据权利要求 3 所述并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法， 其特征在于 ： 所述载波为双极性三角载波。 5. 根据权利要求 4 所述并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法， 其特征在于 ： 所述双极性三角载波的频率为 20KHz。 权 利 要 求 书 CN 104320027 A 2 1/4 页 3 并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法 技术领域 0001 本发明属。
7、于发电机控制领域， 特别涉及了并联式绕组开放式永磁发电机系统的控 制方法。 背景技术 0002 永磁同步发电机由于其效率高、 功率密度大、 结构简单等优点， 在风力发电系统和 车载电源系统中具有广泛的应用。但是永磁同步发电机由于永磁体的气隙磁场调节困难， 使得绕组的端电压难以控制。 传统的永磁同步发电机系统采用三相PWM整流器控制， 而PWM 整流器为升压型变换器， 为了使得输出电压可控， 发电机的线电压必须小于输出电压， 从而 限制了发电机的最大转速运行范围。 0003 为了扩展发电机的运行转速范围， 常采用的方法有 ：（1） 弱磁控制技术， 在 d 轴注 入反向电流使得发电机绕组上产生与永。
8、磁体磁场方向相反的磁场， 以削弱主磁场的强度。 该方法虽然在一定程度上能够扩展发电机转速， 但是当定子电流一定时， 由于 d 轴电流分 量的增加， 会使得有功功率下降， 从而降低了电机的运行效率， 在相同输出功率等级时， 会 增加系统的容量， 并且该方法需要产生的定子磁场在削弱主磁通的同时会使得永磁体造成 永久退磁。 （2） 混合励磁结构， 在原来永磁体结构的基础上增加了励磁绕组构成混合励磁电 机， 在高速的时候通过改变励磁绕组中的电流从而达到弱磁升速的目的。该方法既保持了 永磁电机原有的优点， 并且在一定范围内能够提高发电机的运行范围， 但是增加的励磁绕 组会降低发电机的功率密度， 并且使得。
9、发电机的结构设计复杂， 目前这项技术仍在研究中， 仍有许多问题亟待解决。 （3） 双转子永磁发电机结构， 该结构在常规的永磁同步电机基础上 使得原静止不动的定子也可相对于电机机座自由旋转 （视为外转子） ， 原转子称为内转子， 相当于有两个转子， 并且这两个转子受到的电磁转矩的大小相等， 方向相反， 但两个转子的 摩擦系数和拖动转矩不同时， 内外转子的输出功率和转速也不同， 同步转速相当于两个转 子的相对转速， 通过改变内外转子的相对转速以拓宽电机的运行范围， 但外转子绕组通过 滑环引出， 降低了系统的可靠性， 并且双转子电机结构复杂， 电机设计难度较大， 目前仍处 于研究阶段。 因此， 研究。
10、如何保留永磁同步发电机原有的优点， 并能够有效地克服其存在的 调压困难和适用转速范围窄的问题十分紧迫。 0004 传统三相 PWM 整流器永磁发电机系统， 绕组多采用星形连接方式， 这种结构能够 避免绕组中流过零序电流， 是应用最广泛的一种拓扑。在 1989 年， 随着 Isao Takahashi 提 出一种开放式绕组结构， 绕组开放式拓扑逐渐得到了人们广泛的关注， 许多学者、 专家们主 要针对异步电机的绕组开放式拓扑研究其变换器结构、 SVPWM 调制策略以及系统控制策略 等。2011 年南京航空航天大学提出一种新型的车载起动 / 发电系统， 该系统由绕组开放式 永磁同步电机、 逆变器、 。
11、整流桥和蓄电池构成， 并提出了起动 / 发电一体化控制策略。在此 基础上， 将逆变级的蓄电池省去， 并将整流桥和逆变器的直流侧并联构成一种并联式绕组 开放式永磁同步发电机系统， 这样可以进一步简化发电系统结构， 降低系统成本。 但是由于 并联式结构中整流桥和逆变器的直流侧并联导致电路中产生了零序电流的流通路径， 而零 说 明 书 CN 104320027 A 3 2/4 页 4 序电流不仅会增加系统的损耗和变换器的容量， 还会引起电机轴承损坏。 因此， 在研究并联 式拓扑的调压控制策略时必须考虑零序电流的抑制问题。 0005 为了抑制电路中的零序电流， 目前绕组开放式系统中零序电流的抑制方法主。
12、要有 以下三种 ：（1） 硬电路抑制法， 增加四个辅助开关， 并控制其互补导通， 从而不产生零序电 流的流通路径。该方法不仅成本高， 而且实现复杂。 （2） 矢量重新分配法， 采用电压空间矢 量调制时， 通过改变零矢量的作用时间， 使得在一个开关周期内两个变换器零序电压的伏 秒积之和相等， 这种方法不仅算法复杂， 并且不能保证完全消除零序电流。 （3） 零序补偿器 法， 通过锁相环对零序电流的相位和幅值进行跟踪并补偿， 但是零序补偿器设计复杂， 参数 选取较难， 而且补偿效果易受调节器参数的影响。该并联式拓扑与常规的双逆变器拓扑相 比， 将双逆变器拓扑中的一个逆变器换成了整流桥， 由于整流桥的。
13、存在， 导致相电流中存在 6n1 次谐波， 并且由于直流侧母线的并联， 提供了零序电流流通路径， 使得电路中流过与 零序电流相关的 3 （2n-1） 次谐波， 系统控制方法实现过程中必须抑制这两类谐波。 发明内容 0006 为了解决上述背景技术存在的技术问题， 本发明旨在提供并联式绕组开放式永磁 发电机系统的控制方法， 以抑制系统中直流侧并联产生的零序电流以及整流桥的非线性产 生的其他奇次谐波， 实现并联式绕组开放式永磁发电机系统的高效率运行。 0007 为了实现上述技术目的， 本发明的技术方案为 ： 并联式绕组开放式永磁发电机系统的控制方法， 包含外环控制和内环控制， 所述外环 控制采用电压。
14、闭环控制， 负载电压给定值VL*和实际负载电压VL比较后得到误差信号， 将误 差信号经过PI调节后得到q轴的给定电流iq*， 而d轴的给定电流id*和零轴的给定电流i0* 均为 0 ； 所述内环控制采用电流环控制， 采集永磁发电机的三相电流信号， 并经过 Clarke 变 换和 Park 变换后分别得到 d、 q、 零轴的实际电流id、iq和i0， d、 q、 零轴的给定电流和实际 电流比较后经过 PI 调节器得到 d、 q、 零轴电压Uid、Uiq 和Ui0， 再综合整流桥补偿电压值实施 SPWM 补偿策略。 0008 其中， 整流桥补偿电压值的获得方法为 ： 将整流桥直流侧的滤波电容的中点。
15、定义 为地， 当永磁发电机的某相电流流入整流桥的时候， 整流桥的上桥臂导通， 整流桥的相电压 为VL/2， 当永磁发电机的某相电流流出整流桥的时候， 整流桥的下桥臂导通， 整流桥的相电 压为 -VL/2， 通过检测三相电流值并判定电流方向， 从而获得整流桥三相电压值Ura、Urb和 Urc， 将获得的整流桥三相电压值经过坐标变换后即得到整流桥补偿电压值。 0009 其中， SPWM 补偿策略的实现过程为 ： 将整流桥三相电压Ura、 Urb和Urc经过 Clarke 变换得到Ur、Ur和Ur0， 再经过 Park 变换得到Urd、Urq和Ur0， 将得到的Urd、Urq和Ur0分别补 偿到 d。
16、、 q、 零轴的 PI 调节器的输出端， 得到 d、 q、 零轴的给定电压Ud*、Uq * 和U0*，Ud*、Uq * 和U0* 经过逆 Park 和逆 Clarke 变换得三相电压作为 SPWM 调制波， 并与载波交截后产生逆变器的 开关信号。 0010 其中， 上述载波为双极性三角载波。 0011 其中， 上述双极性三角载波的频率为 20KHz。 0012 采用上述技术方案带来的有益效果 ： 本发明针对并联式绕组开放式拓扑采用 SPWM 策略对零序电流进行抑制， 并在此基础 说 明 书 CN 104320027 A 4 3/4 页 5 上对整流桥侧进行补偿， 从而进一步抑制系统中的零序电流。
17、， 并对相电流中存在的其他奇 数次谐波进行抑制。 附图说明 0013 图 1 是本发明针对的并联式绕组开放式永磁发电机系统的结构图。 0014 图 2 是很本发明的控制方法示意图。 具体实施方式 0015 以下将结合附图， 对本发明的技术方案进行详细说明。 0016 本发明针对并联式绕组开放式永磁发电机系统， 如图 1 所示。它由绕组开放式永 磁发电机、 整流桥、 逆变器、 控制器和驱动电路等组成。其中绕组开放式永磁发电机绕组两 端部分别连接整流桥和逆变器， 并将整流桥和逆变器的直流侧并联， 直流侧输出经过电容 滤波后给负载供电。控制器通过检测直流侧负载电压和转子的位置， 从而实现负载的稳压 。
18、控制。为解决系统中存在的零序电流问题， 需要结合系统的工作原理得到整流桥侧补偿的 电压值， 以实现补偿控制。 0017 在系统中由于直流侧的并联， 根据基尔霍夫电流定律， 三相电流之和不等于零， 因 此三相绕组互相解耦， 将并联式发电系统等效成三个独立的半控式 H 桥结构， 因此， 需要安 装三个电流传感器分别对永磁发电机的三相电流进行检测。将负载的中点定义为参考点， 当永磁发电机的三相电流流入整流桥时， 整流桥的上桥臂导通， 下桥臂关断， 此时整流桥电 压为正， 且为负载电压的二分之一 ； 当相永磁发电机的三相电流流出整流桥时， 整流桥的上 桥臂关断， 下桥臂导通， 整流桥电压为负， 且为负。
19、载电压的二分之一。 0018 常规的 SVPWM 由于其马鞍形的调制波中含有零序分量， 当并联式拓扑采用 SVPWM 策略的时候， 会促进绕组中零序电流的流动， 因此本系统中采用 SPWM 调制策略。外环采用 电压环， 将采样得到的负载电压与给定的电压进行比较， 并对误差进行 PI 调节得到 q 轴电 流的给定值。 由于并联式的结构特点， 充分考虑零序电流的问题， 电流内环中加入零序电流 调节环路， 内环电流环为 d、 q、 零轴电流三环 PI 调节， d 轴和零轴的电流给定值为 0， 将 d、 q、 零轴给定电流与实际电流经过比较后得到的误差经过调节后得到 d、 q、 零轴电压。 0019 。
20、由于并联式拓扑中整流桥的存在， 逆变器端电压可等效为相发电机的相电压与整 流桥侧电压之和， 与常规的三相 PWM 整流器发电系统相比， 逆变器的输出电压多了整流桥 侧的电压影响， 相当于采用 SPWM 调制时， 调制波受到了整流桥侧电压的影响。当相电流流 入整流桥时， 并联式绕组开放式拓扑的调制波相当于在正弦波的基础上沿着坐标轴纵轴的 正方向偏移了负载电压的二分之一 ； 当相电流流出整流桥时， 并联式绕组开放式拓扑的调 制波相当于在正弦波的基础上沿着坐标轴纵轴的负方向偏移了负载电压的二分之一， 造成 了调制波呈非正弦。由于调制波的非正弦， 经过 Clarke 和 Park 变换得到的 d、 q。
21、、 零轴的电 压值必然为波动量， 使得电流环调节器的输出产生波动量， 影响系统调节的性能， 为此必须 对调节器的输出进行补偿， 使得调节器能够稳定工作。补偿时需要将上面得到的三相整流 桥端电压经过 Clarke 变换和 Park 变换得到整流桥侧电压在 d、 q、 零轴坐标系中电压值， 将 得到的整流桥在 d/q/0 坐标系中的电压补偿至 d、 q、 零轴电流调节器的输出端， 得到补偿后 d、 q、 零轴电压的给定值， 经过逆Park变换和逆Clarke变换得到三相调制波， 并与载波交截 说 明 书 CN 104320027 A 5 4/4 页 6 后得到开关信号。 0020 本发明控制方法如。
22、图 2 所示， 其具体实施步骤为 ： （1） 设定dA、dB和dC为上一次电流方向判定的存储标志位， 设定电流比较的上下门限分 别为iup和idown； （2） 采样负载电压VL和三相电流ia、ib和ic； （3） 以 A 相为例， 当 A 相电流ia大于上限幅值iup， 并且 A 相的标志位dA大于 0 时， 整 流桥侧的电压Ura记为VL/2 ； 当 A 相电流ia小于下限幅值idown， 并且 A 相的标志位dA小于 0 时， 整流桥侧的电压Ura记为 -VL/2 ； 否则不予以补偿。同理可以计算出 B 相和 C 相的整流桥 侧补偿电压Urb和Urc； （4） 将得到的整流桥侧的电压Ur。
23、a，Urb和Urc经过 Clarke 变换得到 /0 坐标系下的 电压Ur、Ur和Ur0， 再经过 Park 变化得到 d/q/0 坐标系下的电压Urd、Urq和Ur0； （5） 将给定的电压VL*和采样得到的实际负载电压VL比较并经过 PI 调节后得到 q 轴电 流的给定值iq*， 内环为 d、 q、 零轴电流环， 将 d 轴和零轴电流的给定值设为 0， 将三个电流环 经过 PI 调节后得到 d、 q、 零轴的电压Uid、Uiq和Ui0； （6） 将整流桥侧的d、 q、 零轴电压补偿到三个PI调节器的输出端Uid、Uiq和Ui0， 得到SPWM 调制时给定的 d、 q、 零轴电压Ud*、Uq。
24、*和U0*， 将Ud*、Uq*和U0*经过逆 Park 变换和逆 Clarke 变换得到三相调制波Ua*、Ub*和Uc*， 与20KHz的双极性三角载波交截后产生逆变器的开关信 号 ； （7） 当ia大于上门限电流iup时， 标志位dA记为 0.5 ； 当ia小于下门限电流idown时， 标 志位dA记为 -0.5 ； 否则标志位dA记为 0。同理可以得到 B 相和 C 相标志位的值dB和dC， 并 对这三个标志位的值进行存储 ； （8） 重复步骤 （2） 至 （7） 进行补偿和控制。 0021 以上实施例仅为说明本发明的技术思想， 不能以此限定本发明的保护范围， 凡是 按照本发明提出的技术思想， 在技术方案基础上所做的任何改动， 均落入本发明保护范围 之内。 说 明 书 CN 104320027 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104320027 A 7 。