无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法

摘要

本发明公开了一种无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法。该方法不依赖于位置传感器，也无需知道无刷双馈发电机的各种参数，利用采集到的无刷双馈发电机的功率绕组的电压实现对转速的辨识，避免了位置传感器带来的一系列问题，能对无刷双馈发电机的输出频率进行有效控制；在需要无刷双馈发电机和外电网并网使用时，也能在无位置传感器的情况下顺利完成并车过程；由于无刷双馈发电系统本身就需要采集无刷双馈发电机的功率绕组的电压构成电压闭环以实现对无刷双馈发电机输出电压幅值的有效控制，本发明不仅能有效削减位置传感器及其配套的采样电路带来的成本，而且在此基础上不会产生任何附加成本。

权利要求

1.一种无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法，用于无刷双馈发电机独立发电时的频率控制，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取功率绕组的频率fp；

其中，步骤(1)进一步包括如下步骤：

(1-1)采样功率绕组的三相电压瞬时值uA、uB和uC；

(1-2)对uA、uB和uC进行三相/两相静止坐标变换，得到两相静止αβ坐标下的电压值uα和uβ；其中，(1-3)根据两相静止αβ坐标下的电压值uα和uβ，得到功率绕组电压矢量的矢量角θ＝tg-1(uβ/uα)；

(1-4)根据功率绕组电压矢量的矢量角θ计算得到功率绕组的频率fp＝dθ/dt；

(2)计算功率绕组的频率fp与功率绕组的目标频率 的差值，将该差值作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为控制绕组的频率指令值(3)根据控制绕组的频率指令值 利用SVPWM算法生成调制信号，通过逆变器控制控制绕组，使控制绕组的频率fc跟踪控制绕组的频率指令值 进而调整功率绕组的频率；

(4)重复执行上述步骤(1)～(3)，使功率绕组的频率收敛于功率绕组的目标频率 实现对无刷双馈发电机输出频率的控制。

2.如权利要求1所述的无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在计算功率绕组的频率fp与功率绕组的目标频率 的差值之前，先对功率绕组的频率fp进行滤波。

3.一种无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法，用于无刷双馈发电机与外电网并网合闸前的频率控制，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取功率绕组电压矢量的矢量角θ和电网电压矢量的矢量角θ'；

(2)计算功率绕组电压矢量的矢量角θ与电网电压矢量的矢量角θ'的差值，将该差值作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为控制绕组的频率指令值(3)根据控制绕组的频率指令值 利用SVPWM算法生成调制信号，通过逆变器控制控制绕组，使控制绕组的频率fc跟踪控制绕组的频率指令值 进而调整功率绕组的频率和功率绕组电压矢量的矢量角；

(4)重复执行上述步骤(1)～(3)，使功率绕组电压矢量的矢量角收敛于电网电压矢量的矢量角，进而实现对无刷双馈发电机输出频率的控制，为无刷双馈发电机与外电网并网发电提供条件。

4.如权利要求3所述的无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法，其特征在于，所述步骤(1)进一步包括如下步骤：(1-1)采样功率绕组的三相电压瞬时值uA、uB和uC以及外电网的三相电压瞬时值u'A、u'B和u'C；

(1-2)对uA、uB和uC进行三相/两相静止坐标变换，得到两相静止αβ坐标下的电压值uα和uβ，其中， 对u'A、u'B和u'C进行三相/两 相静止坐标变换，得到两相静止αβ坐标下的电压值u'α和u 'β，其中，(1-3)根据两相静止αβ坐标下的电压值uα和uβ，得到功率绕组电压矢量的矢量角θ＝tg-1(uβ/uα)；根据两相静止αβ坐标下的电压值u'α和u'β，得到电网电压矢量的矢量角θ'＝tg-1(u'β/u'α)。

5.如权利要求3或4所述的无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在计算功率绕组电压矢量的矢量角θ与电网电压矢量的矢量角θ'的差值之后，先对该差值进行滤波，再将滤波后的差值作为PI调节器的输入。

说明书

无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于交流电机及其控制技术领域，更具体地，涉及一种无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法。

背景技术

[0002] 无刷双馈电机最早起源于19世纪末，由串极感应电机发展而来。由于无刷双馈电机具有结构简单、运行可靠、变频器装置容量小等优点，自上世纪八十年代起逐渐成为研究的热点。无刷双馈电机定子上有两套不同极对数的绕组，分别称为功率绕组和控制绕组。其中，功率绕组的频率一般为恒频，电压也一般是恒压。而控制绕组的电压和频率需要根据转速和功率的不同而变化。

[0003] 无刷双馈电机可以作为发电机或电动机使用。其中，无刷双馈发电机(Brushless Doubly-Fed Generator,BDFG)可广泛应用于风力发电、水力发电以及船舶轴带发电等变速恒频发电系统中，不仅电力电子变换装置的容量小，系统成本低，效率高，而且由于实现了无刷化，转子结构简单、坚固耐用，系统的可靠性显著提高，维护难度大幅降低。

[0004] 然而，传统的无刷双馈发电机控制算法中，均需依赖于安装在电机端部的位置传感器或速度传感器(以下统称位置传感器)实现对电机的控制，采用位置传感器的主要缺点在于：(1)系统的可靠性差。首先，位置传感器在高温环境下容易损坏。例如，在船舶轴带发电系统中，无刷双馈发电机一般放在船舱底部，在夏季，船舱局部的温度有时甚至要达50度以上，同时，无刷双馈发电机自身的温度也经常高达90度以上，热量沿着转子的连接轴传递到位置传感器，使得位置传感器的温度升高，过高的温度将严重影响位置传感器的使用寿命。其次，位置传感器始终运行在振动状态下，在安装不正确等情况下容易由于机械的原因而损坏。(2)使系统成本上升，且容易造成电磁兼容方面的问题。(3)由于位置传感器会增加电机的轴向长度，在某些特殊场合例如空间特别狭小的地方，会导致系统无法安装。

[0005] 因此，人们倾向于在系统中省去位置传感器。省去位置传感器后，需要采用无位置传感器控制算法对电机进行控制，而无位置传感器控制算法的实现难度很大。已有的无位置传感器控制算法普遍利用复杂电机的数学模型来辨识转速，因而存在辨识不准确的问题。

发明内容

[0006] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法，有效避免了位置传感器带来的一系列问题，使无刷双馈发电系统的可靠性更高，成本更低，电磁兼容性更好，安装空间更省，为无刷双馈发电机走向实用化提供了坚实的基础。

[0007] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法，用于无刷双馈发电机独立发电时的频率控制，其特征在于，包括如下步骤：

[0008] (1)获取功率绕组的频率fp；

[0009] (2)计算功率绕组的频率fp与功率绕组的目标频率 的差值，将该差值作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为控制绕组的频率指令值

[0010] (3)根据控制绕组的频率指令值 利用SVPWM算法生成调制信号，通过逆变器控制控制绕组，使控制绕组的频率fc跟踪控制绕组的频率指令值 进而调整功率绕组的频率；

[0011] (4)重复执行上述步骤(1)～(3)，使功率绕组的频率收敛于功率绕组的目标频率实现对无刷双馈发电机输出频率的控制。

[0012] 优选地，所述步骤(1)进一步包括如下步骤：

[0013] (1-1)采样功率绕组的三相电压瞬时值uA、uB和uC；

[0014] (1-2)对uA、uB和uC进行三相/两相静止坐标变换，得到两相静止αβ坐标下的电压值uα和uβ；其中，

[0015] (1-3)根据两相静止αβ坐标下的电压值uα和uβ，得到功率绕组电压矢量的矢量角θ-1＝tg (uβ/uα)；

[0016] (1-4)根据功率绕组电压矢量的矢量角θ计算得到功率绕组的频率fp＝dθ/dt。

[0017] 优选地，所述步骤(2)中，在计算功率绕组的频率fp与功率绕组的目标频率 的差值之前，先对功率绕组的频率fp进行滤波。

[0018] 按照本发明的另一方面，提供了一种无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法，用于无刷双馈发电机与外电网并网合闸前的频率控制，其特征在于，包括如下步骤：

[0019] (1)获取功率绕组电压矢量的矢量角θ和电网电压矢量的矢量角θ'；

[0020] (2)计算功率绕组电压矢量的矢量角θ与电网电压矢量的矢量角θ'的差值，将该差值作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为控制绕组的频率指令值

[0021] (3)根据控制绕组的频率指令值 利用SVPWM算法生成调制信号，通过逆变器控制控制绕组，使控制绕组的频率fc跟踪控制绕组的频率指令值 进而调整功率绕组的频率和功率绕组电压矢量的矢量角；

[0022] (4)重复执行上述步骤(1)～(3)，使功率绕组电压矢量的矢量角收敛于电网电压矢量的矢量角，进而实现对无刷双馈发电机输出频率的控制，为无刷双馈发电机与外电网并网发电提供条件。

[0023] 优选地，所述步骤(1)进一步包括如下步骤：

[0024] (1-1)采样功率绕组的三相电压瞬时值uA、uB和uC以及外电网的三相电压瞬时值u'A、u'B和u'C；

[0025] (1-2)对uA、uB和uC进行三相/两相静止坐标变换，得到两相静止αβ坐标下的电压值uα和uβ，其中， 对u'A、u'B和u'C进行三相/两相静止坐标变换，得到两相静止αβ坐标下的电压值u'α和u'β，其中，[0026] (1-3)根据两相静止αβ坐标下的电压值uα和uβ，得到功率绕组电压矢量的矢量角θ＝tg-1(uβ/uα)；根据两相静止αβ坐标下的电压值u'α和u'β，得到电网电压矢量的矢量角θ'＝tg-1(u'β/u'α)。

[0027] 优选地，所述步骤(2)中，在计算功率绕组电压矢量的矢量角θ与电网电压矢量的矢量角θ'的差值之后，先对该差值进行滤波，再将滤波后的差值作为PI调节器的输入。

[0028] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

[0029] (1)不依赖于位置传感器，也无需知道无刷双馈发电机的各种参数，利用采集到的无刷双馈发电机的功率绕组的电压实现对转速的辨识，避免了位置传感器带来的一系列问题，能对无刷双馈发电机的输出频率进行有效控制，适用于次同步转速、同步转速和超同步转速等所有转速范围。

[0030] (2)在需要无刷双馈发电机和外电网并网使用时，也能在无位置传感器的情况下顺利完成并车过程。

[0031] (3)由于无刷双馈发电系统本身就需要采集无刷双馈发电机的功率绕组的电压构成电压闭环以实现对无刷双馈发电机输出电压幅值的有效控制，本发明不仅能有效削减位置传感器及其配套的采样电路带来的成本，而且在此基础上不会产生任何附加成本。

附图说明

[0032] 图1是本发明一个实施例的无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法流程图；

[0033] 图2是本发明一个实施例的无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法原理示意图；

[0034] 图3是本发明另一个实施例的无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法流程图；

[0035] 图4是本发明另一个实施例的无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法原理示意图；

[0036] 图5是无位置传感器的无刷双馈发电机用于船舶轴带发电机领域时的控制原理示意图；

[0037] 图6是在无刷双馈发电机转速突变的情况下，其功率绕组的频率和控制绕组的频率响应波形。

具体实施方式

[0038] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0039] 无刷双馈发电系统由无刷双馈发电机独立发电时，其主要控制目标是使无刷双馈发电机的功率绕组的频率恒定。

[0040] 如图1和图2所示，本发明一个实施例的无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法，用于无刷双馈发电机独立发电时的频率控制，包括如下步骤：

[0041] (1)获取功率绕组的频率fp。进一步包括如下步骤：

[0042] (1-1)采样功率绕组的三相电压瞬时值uA、uB和uC；

[0043] (1-2)对uA、uB和uC进行三相/两相静止坐标变换，得到两相静止αβ坐标下的电压值uα和uβ；其中，

[0044] (1-3)根据两相静止αβ坐标下的电压值uα和uβ，得到功率绕组电压矢量的矢量角θ＝tg-1(uβ/uα)；

[0045] (1-4)根据功率绕组电压矢量的矢量角θ计算得到功率绕组的频率fp＝dθ/dt。

[0046] (2)计算功率绕组的频率fp与功率绕组的目标频率 (通常为50Hz)的差值，将该差值作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为控制绕组的频率指令值

[0047] 由于采样得到的功率绕组的频率fp通常含有很大的噪声，优选地，在计算功率绕组的频率fp与功率绕组的目标频率 的差值之前，先对功率绕组的频率fp进行滤波。例如，如图2所示，采用一阶低通滤波器对功率绕组的频率fp进行滤波，其滤波时间常数为τp。

[0048] (3)根据控制绕组的频率指令值 利用空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)算法生成调制信号，通过逆变器控制控制绕组，使控制绕组的频率fc跟踪控制绕组的频率指令值 进而调整功率绕组的频率。

[0049] 具体地，由控制绕组的频率指令值 计算得到控制绕组电流矢量的位置角指令值SVPWM算法利用控制绕组电流矢量的位置角指令值 生成调制信号，经逆变器作用后，使控制绕组电流矢量的位置角θc跟踪控制绕组电流矢量的位置角指令值 在经过电流闭环控制后，由于电流环带宽一般可以做到足够高，实际电流能准确响应电流指令值，即控制绕组电流矢量的位置角θc能准确跟踪控制绕组电流矢量的位置角指令值由于fc＝dθc/dt和 控制绕组的频率fc能准确跟踪控制绕组的频率
指令值 因此，不必再对控制绕组的频率进行采样。

[0050] (4)重复执行上述步骤(1)～(3)，使功率绕组的频率收敛于功率绕组的目标频率实现对无刷双馈发电机输出频率的控制。

[0051] 按照上述方法，当功率绕组的频率fp较功率绕组的目标频率 偏小时，频率的偏差值为负值，PI调节器输出的控制绕组的频率指令值 就会变小，控制绕组的频率fc也变小，根据公式fp＝(np+nc)Nr/60-fc(其中，np和nc分别为功率绕组和控制绕组的极对数，Nr为转子转速)，fc变小会使功率绕组的频率fp变大，如果功率绕组的频率fp一直比功率绕组的目标频率 小，则上述过程不断进行，会使fc不断变小，fp不断变大，最终功率绕组的频率将收敛于功率绕组的目标频率 反之，当功率绕组的频率fp较功率绕组的目标频率 偏大时，控制绕组的频率指令值 会不断变大，控制绕组的频率fc不断变大，根据公式fp＝(np+nc)Nr/60-fc，fp会不断变小，最终功率绕组的频率将收敛于功率绕组的目标频率[0052] 上述方法的稳定性非常好。如图2所示，若将PI调节器改成P调节器，则环路的开环传递函数就是一个一阶函数，此时系统是绝对稳定的。但采用P调节器的缺点是存在静态误差。使用PI调节器，只要增益不是太大，系统的稳定性是容易满足的。此外，上述方法无需知道发电机的各种参数，因此辨识出的转速非常准确(除了在转速剧烈波动或者频率剧变的动态情况)，能够很好地满足各种应用场合的使用要求。

[0053] 无刷双馈发电机有时需要并网使用。例如在船舶轴带发电系统中，无刷双馈发电机启动后先要和已运行的柴油发电机短暂并联使用几秒钟，再将柴油发电机脱开，实现无刷双馈发电机的单独供电。这样在电力切换过程中就可以实现对负载的无间断供电。两个交流电压源并联运行前需要满足以下四个条件才能使并网开关合闸：(1)相序一致；(2)电压大小一致；(3)频率一致；(4)相位一致。其中，频率和相位一致是并网合闸前的主要控制目标。

[0054] 如图3和图4所示，本发明另一个实施例的无位置传感器的无刷双馈发电机输出频率控制方法，用于无刷双馈发电机与外电网并网合闸前的频率控制，包括如下步骤：

[0055] (1)获取功率绕组电压矢量的矢量角θ和电网电压矢量的矢量角θ'。进一步包括如下步骤：

[0056] (1-1)采样功率绕组的三相电压瞬时值uA、uB和uC以及外电网的三相电压瞬时值u'A、u'B和u'C；

[0057] (1-2)对uA、uB和uC进行三相/两相静止坐标变换，得到两相静止αβ坐标下的电压值uα和uβ，其中， 对u'A、u'B和u'C进行三相/两相静止坐标变换，得到两相静止αβ坐标下的电压值u'α和u'β，其中，[0058] (1-3)根据两相静止αβ坐标下的电压值uα和uβ，得到功率绕组电压矢量的矢量角θ＝tg-1(uβ/uα)；根据两相静止αβ坐标下的电压值u'α和u'β，得到电网电压矢量的矢量角θ'＝tg-1(u'β/u'α)。

[0059] (2)计算功率绕组电压矢量的矢量角θ与电网电压矢量的矢量角θ'的差值，将该差值作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为控制绕组的频率指令值

[0060] 由于采样得到的功率绕组电压矢量的矢量角θ和电网电压矢量的矢量角θ'通常含有很大的噪声，优选地，在计算功率绕组电压矢量的矢量角θ与电网电压矢量的矢量角θ'的差值之后，先对该差值进行滤波，再将滤波后的差值作为PI调节器的输入。例如，如图4所示，采用一阶低通滤波器对θ和θ'的差值进行滤波，其滤波时间常数为τp。

[0061] (3)根据控制绕组的频率指令值 利用SVPWM算法生成调制信号，通过逆变器控制控制绕组，使控制绕组的频率fc跟踪控制绕组的频率指令值 进而调整功率绕组的频率和功率绕组电压矢量的矢量角。

[0062] (4)重复执行上述步骤(1)～(3)，使功率绕组电压矢量的矢量角收敛于电网电压矢量的矢量角，进而实现对无刷双馈发电机输出频率的控制，为无刷双馈发电机与外电网并网发电提供条件。

[0063] 为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例，对本发明的无位置传感器的无刷双馈发电机在独立发电时的输出频率控制方法进行详细说明。

[0064] 图5是无位置传感器的无刷双馈发电机用于船舶轴带发电机领域时的控制原理示意图。发电机的目标电压为三相380V/50Hz，即功率绕组的目标电压幅值为380V，功率绕组的目标频率为50Hz。对功率绕组电压进行采样后，通过前述方法可以得到功率绕组的频率fp，并根据 得到功率绕组电压的幅值Up。图5中，对功率绕组的目标频率50Hz和反馈值之间求偏差，并根据无位置传感器的无刷双馈发电机独立发电时的控制方法(如图1和图2所示)，求出控制绕组的频率指令值 对 积分后得控制绕组电流矢量的位置角指令值 对功率绕组的目标电压幅值380V与反馈值Up求偏差后经电压闭环控制环节(PI调节器)放大得控制绕组电流幅值的指令值，该指令值与控制绕组电流的反馈值之间求偏差，经电流闭环控制环节(PI调节器)放大后的控制绕组的电压幅值指令值。该指令值经SVPWM算法输出到逆变器，并通过逆变器施加到控制绕组上。将无位置传感器的无刷双馈发电机应用于并网过程时，将图5中的无位置传感器算法按无刷双馈发电机与外电网并网合闸前的控制方法实现即可(如图3和图4所示)。

[0065] 按照图5所示的控制原理，得到无位置传感器的无刷双馈发电机独立发电时，在转速突变情况下，功率绕组的频率和控制绕组的频率响应波形如图6所示。图6中功率绕组和控制绕组的极对数分别为2和4。在转速由600转/分钟升到700转/分钟时，功率绕组的频率由50Hz开始上升，但当控制绕组的频率由10Hz升到20Hz后，功率绕组的频率会回到50Hz的稳态值。反之当转速由700转/分钟降到600转/分钟后，功率绕组的频率由50Hz开始下降，但当控制绕组的频率由20Hz降到10Hz后，功率绕组的频率也会回到50Hz的稳态值。由此可见，采用本发明的控制方法，在无位置传感器的情况下，能对无刷双馈发电机的输出频率进行有效控制。

[0066] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。