本發(fā)明屬于電氣工程領(lǐng)域。具體是一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的裝置及控制方法。

背景技術(shù)：

seig具有結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固、價(jià)格便宜、便于維護(hù)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用，在獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)seig轉(zhuǎn)速與勵(lì)磁電容相匹配時(shí)可自激建壓作為獨(dú)立電源來使用。但由于seig的帶載能力較差，不具有連續(xù)調(diào)節(jié)電壓的能力，僅依靠固定的勵(lì)磁電容不能夠維持機(jī)端電壓穩(wěn)定運(yùn)行，電壓會隨負(fù)載不同而產(chǎn)生變化，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生崩潰。為保證電壓穩(wěn)定，應(yīng)隨負(fù)載變化動態(tài)補(bǔ)償無功功率。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及多種無功補(bǔ)償技術(shù)的出現(xiàn)，多種電壓調(diào)節(jié)方法和無功補(bǔ)償技術(shù)被應(yīng)用在seig的穩(wěn)壓控制中。其中通過statcom并聯(lián)補(bǔ)償seig系統(tǒng)(seig-statcom)具有十分顯著的優(yōu)點(diǎn)。目前，seig-statcom系統(tǒng)大都采用電壓定向控制和雙閉環(huán)pid結(jié)構(gòu)，雖然該控制結(jié)構(gòu)簡單，但是傳統(tǒng)的pid控制存在一些不足，其pi參數(shù)在實(shí)際操作中不易設(shè)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為提高自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，提供一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的裝置及控制方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

1.一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的裝置由信號采集和調(diào)理模塊、statcom模塊、控制器模塊和自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)構(gòu)成。

所述信號采集和調(diào)理模塊由自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)電壓和電流信號的實(shí)時(shí)采和鎖相環(huán)輸出角度和機(jī)端電壓幅值的計(jì)算構(gòu)成，其中自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)電壓和電流信號的實(shí)時(shí)采集包括對自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓信號usa、usb、usc以及所述statcom模塊交流側(cè)輸入電流信號ica、icb、icc和直流側(cè)電壓信號udc的采集，鎖相環(huán)輸出角度和機(jī)端電壓幅值的計(jì)算包括對鎖相環(huán)輸出角度θ的正余弦值和機(jī)端電壓幅值ut的計(jì)算。所述信號采集和調(diào)理模塊將采集到的電壓信號usa、usb、usc，通過計(jì)算獲得機(jī)端電壓幅值ut作為電壓外環(huán)控制的機(jī)端電壓幅值控制的無功輸入量，所述statcom模塊的直流側(cè)電壓udc作為電壓外環(huán)控制的直流側(cè)電壓控制的有功輸入量；所述statcom模塊交流側(cè)輸入電流信號ica、icb、icc通過abc-αβ坐標(biāo)變換獲得的電流icα、icβ分別作為所述控制器模塊的電流內(nèi)環(huán)控制的有功輸入量和無功輸入量。

機(jī)端電壓幅值ut的計(jì)算公式為

abc-αβ坐標(biāo)變換表達(dá)式為

鎖相環(huán)輸出角度θ的計(jì)算公式為

式中，usα、usβ為αβ坐標(biāo)系下的自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)機(jī)端相電壓值。

所述statcom模塊包括濾波電感3-1、三相全橋開關(guān)管以及直流側(cè)電容；濾波電感濾去進(jìn)入statcom模塊交流電中的脈動成分；直流側(cè)電容的儲能作用，支持直流電壓的穩(wěn)定；statcom模塊通過并聯(lián)自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)用于補(bǔ)償seig系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓連續(xù)可調(diào)，閉合km2開關(guān)通過statcom模塊發(fā)出連續(xù)的無功功率，使系統(tǒng)在通過斷開km1開關(guān)投切負(fù)載的情況下，能夠維持自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓穩(wěn)定。

所述控制器模塊用于對所述statcom模塊進(jìn)行控制，包括對電壓外環(huán)控制中機(jī)端電壓幅值控制和直流側(cè)電壓控制、電流內(nèi)環(huán)控制的預(yù)測電流模型和價(jià)值函數(shù)g以及電壓空間矢量的選擇；直流側(cè)電壓控制將所述statcom模塊的直流側(cè)電壓udc和直流側(cè)電壓的參考量的偏差量通過pi控制器后，其輸出作為電流內(nèi)環(huán)控制的有功給定；機(jī)端電壓幅值控制將機(jī)端電壓幅值ut和電壓幅值的參考量的偏差量通過pi控制器后，其輸出作為電流內(nèi)環(huán)控制的無功給定；在電流內(nèi)環(huán)控制中通過預(yù)測電流模型對從電壓外環(huán)控制輸出的和所述statcom模塊獲得的電流ica、icβ以及所述statcom模塊的直流側(cè)電壓udc在預(yù)測電流模型下進(jìn)行相應(yīng)的算法計(jì)算獲得下一時(shí)刻的預(yù)測電流值i(k+1)在αβ坐標(biāo)系下的電流iα(k+1)和iβ(k+1)；價(jià)值函數(shù)g采用絕對誤差計(jì)算方式計(jì)算，即通過將電壓外環(huán)控制輸出的通過dq-αβ坐標(biāo)變換后獲得αβ坐標(biāo)系下的給定電流和預(yù)測電流模型在αβ坐標(biāo)系下輸出的預(yù)測電流iα(k+1)和iβ(k+1)，這兩個(gè)分量的絕對值之和進(jìn)行計(jì)算；電壓空間矢量的選擇通過選擇價(jià)值函數(shù)g的最小值，即電流誤差最小時(shí)所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)組合sa、sb和sc。

dq-αβ坐標(biāo)變換的表達(dá)式為

所述自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)由異步發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁電容并聯(lián)組成，自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)通過原動機(jī)驅(qū)動其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，其中勵(lì)磁電容向自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)提供建壓過程中的勵(lì)磁電流，用于異步發(fā)電機(jī)的空載建壓。負(fù)載通過km1開關(guān)直接以并聯(lián)形式接在自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的機(jī)端。

2.一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的控制方法，操作如下：

1)所述信號采集和調(diào)理模塊在裝置中分三個(gè)步驟操作：

步驟一：使用電壓傳感器采集的自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓信號usa、usb、usc以及statcom模塊的直流側(cè)電容兩端的電壓udc，使用電流傳感器采集statcom模塊交流側(cè)輸入電流信號ica、icb、icc。

步驟二：將采集的自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓信號usa、usb、usc，通過公式計(jì)算出機(jī)端電壓幅值ut，通過鎖相環(huán)輸出角度θ的正余弦計(jì)算公式計(jì)算出鎖相環(huán)輸出角度θ的正余弦值。

步驟三：將采集的statcom模塊交流側(cè)輸入電流信號ica、icb、icc通過abc-αβ坐標(biāo)變換，得到dq坐標(biāo)系下的電流icα、icβ。

2)所述statcom模塊在裝置中的補(bǔ)償過程分三個(gè)階段：

第一階段：自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)自激建壓成功后，閉合km2開關(guān)并通過濾波電感，投入statcom模塊，statcom模塊不發(fā)出無功電流。

第二階段：閉合km1開關(guān)，此時(shí)負(fù)載投入后，自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓幅值產(chǎn)生跌落，statcom模塊檢測到系統(tǒng)電壓的跌落，從而快速發(fā)出感性或容性無功電流，連續(xù)的補(bǔ)償自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)所需的無功功率，直到自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓達(dá)到給定值，系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。

第三階段：當(dāng)切除負(fù)載時(shí)，因?yàn)閟tatcom模塊不能瞬間檢測到，還按前一狀態(tài)發(fā)送容性無功電流，從而使自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)獲得過多無功功率，因而發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓升高；當(dāng)statcom模塊檢測到電壓升高后，立刻快速發(fā)出感性無功電流，從而使自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓快速恢復(fù)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定控制。

3)所述控制器模塊的控制過程分五個(gè)階段：

第一階段：對statcom模塊給定的直流側(cè)電壓指令和反饋的statcom模塊直流側(cè)電壓指令udc的差值進(jìn)行pi控制，得到給定的有功電流指令對自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓幅值ut和電壓幅值的參考量的偏差量通過pi控制器后，其輸出作為電流內(nèi)環(huán)控制的無功給定。

第二階段：在電流內(nèi)環(huán)控制中通過預(yù)測電流模型對從電壓外環(huán)控制輸出的和statcom模塊獲得的電流ica、icβ以及statcom模塊的直流側(cè)電壓udc在預(yù)測電流模型下進(jìn)行相應(yīng)的算法計(jì)算獲得下一時(shí)刻的預(yù)測電流值i(k+1)在αβ坐標(biāo)系下的電流iα(k+1)和iβ(k+1)。

第三階段：價(jià)值函數(shù)g采用絕對誤差計(jì)算方式計(jì)算，即通過將電壓外環(huán)控制輸出的通過dq-αβ坐標(biāo)變換后獲得αβ坐標(biāo)系下的給定電流和預(yù)測電流模型在αβ坐標(biāo)系下輸出的預(yù)測電流iα(k+1)和iβ(k+1)，這兩個(gè)分量的絕對值之和進(jìn)行計(jì)算。

第四階段：電壓空間矢量的選擇通過選擇價(jià)值函數(shù)g的最小值，即電流誤差最小時(shí)所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)組合sa、sb和sc。

第五階段：對電流內(nèi)環(huán)控制輸出的pwm信號產(chǎn)生開關(guān)狀態(tài)組合sa、sb和sc，控制三相全橋開關(guān)管的通斷，使statcom模塊實(shí)時(shí)動態(tài)的發(fā)出系統(tǒng)所需無功量，從而維持自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的穩(wěn)定。

4)所述自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的空載建壓過程如下：

在原動機(jī)的拖動下，異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以一定轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子中殘留的磁通將切割定子繞組，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過并聯(lián)上勵(lì)磁電容，感應(yīng)電動勢作用在電容上所產(chǎn)生的感應(yīng)電流，對剩磁起了加強(qiáng)作用，氣隙磁通的增加使定子繞組感應(yīng)出更大的電勢，再作用在勵(lì)磁電容中，再次增大了電容電流，從而進(jìn)一步增加了氣隙磁通，通過如此反復(fù)的自激過程，磁通量不斷遞增，使氣隙磁通得到增強(qiáng)，從而感應(yīng)出更高的電動勢，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，異步發(fā)電機(jī)能夠發(fā)出足夠的電壓，直到勵(lì)磁電容阻抗曲線與發(fā)電機(jī)空載特性曲線的交點(diǎn)時(shí)建壓完成，此時(shí)自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓逼近某一穩(wěn)態(tài)值，從而進(jìn)入到穩(wěn)定的工作點(diǎn)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)statcom進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓系統(tǒng)；

2.本發(fā)明采用statcom與自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，利用statcom進(jìn)行實(shí)時(shí)的無功補(bǔ)償，使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓連續(xù)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)提高發(fā)電機(jī)帶載能力和維持電壓穩(wěn)定控制的目的；

3.本發(fā)明電壓外環(huán)采用傳統(tǒng)的pi控制器保持系統(tǒng)的簡單性，電流內(nèi)環(huán)控制采用預(yù)測電流控制方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，克服了以往采用傳統(tǒng)的pi控制時(shí)其pi參數(shù)在實(shí)際操作中整定較為困難的問題，提高了電流的跟蹤能力且具有良好的自適應(yīng)能力和魯棒性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)裝置1、信號采集和調(diào)理模塊2、statcom模塊3、控制器模塊4、自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5、原動機(jī)6、km1開關(guān)7、km2開關(guān)8、負(fù)載9、異步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)電壓和電流信號的實(shí)時(shí)采集2-1、鎖相環(huán)輸出角度和機(jī)端電壓幅值的計(jì)算2-2、濾波電感3-1、三相全橋開關(guān)管3-2、直流側(cè)電容3-3、電壓外環(huán)控制4-1、電流內(nèi)環(huán)控制4-2、電壓空間矢量的選擇4-3、異步發(fā)電機(jī)5-1、勵(lì)磁電容5-2、機(jī)端電壓幅值控制4-1-1、直流側(cè)電壓控制4-1-2、預(yù)測電流模型4-2-1、價(jià)值函數(shù)g4-2-2。

圖2是本發(fā)明一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的裝置及控制方法的控制原理圖。

圖中，控制器模塊4、電壓外環(huán)控制4-1、機(jī)端電壓幅值控制4-1-1、直流側(cè)電壓控制4-1-2、電流內(nèi)環(huán)控制4-2、預(yù)測電流模型4-2-1、價(jià)值函數(shù)g4-2-2、電壓空間矢量的選擇4-3、信號采集和調(diào)理模塊2、自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)電壓和電流信號的實(shí)時(shí)采集2-1、鎖相環(huán)輸出角度和機(jī)端電壓幅值的計(jì)算2-2、udc為statcom直流側(cè)電壓，為給定的直流側(cè)電壓指令，ut為自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5機(jī)端電壓幅值，為電壓幅值的參考量，和分別dq坐標(biāo)系下給定的有功電流指令和無功電流指令，和分別αβ坐標(biāo)系下給定的有功電流指令和無功電流，sa、sb、sc為開關(guān)狀態(tài)組合，iα(k+1)和iβ(k+1)為下一時(shí)刻的預(yù)測電流值i(k+1)在αβ坐標(biāo)系下的電流，icα和icβ分別為αβ坐標(biāo)系下有功電流和無功電流的實(shí)際值，usabc為自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5的機(jī)端電壓實(shí)際值，icabc為statcom模塊3的交流側(cè)電流信號，θ為鎖相環(huán)輸出角度。

圖3是本發(fā)明一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的裝置及控制方法的statcom的電壓矢量。

圖4是本發(fā)明一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的裝置及控制方法的預(yù)測電流模型控制算法流程圖。

圖5是本發(fā)明一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的裝置及控制方法在不同控制器下，加減三相對稱阻性負(fù)載時(shí)機(jī)端電壓仿真波形。

圖中，(a)為加50ω三相對稱阻性，負(fù)載下機(jī)端電壓波形、(b)為減50ω三相對稱阻性，負(fù)載下機(jī)端電壓波形、實(shí)線表示預(yù)測電流控制下機(jī)端電壓幅值仿真波形，虛線表示pi控制下機(jī)端電壓幅值仿真波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，但不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。

一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，1.一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的裝置1由信號采集和調(diào)理模塊2、statcom模塊3、控制器模塊4和自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5構(gòu)成。

所述信號采集和調(diào)理模塊2由自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)電壓和電流信號的實(shí)時(shí)采集2-1和鎖相環(huán)輸出角度和機(jī)端電壓幅值的計(jì)算2-2構(gòu)成，其中自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)電壓和電流信號的實(shí)時(shí)采集2-1包括對自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5機(jī)端電壓信號usa、usb、usc以及所述statcom模塊3交流側(cè)輸入電流信號ica、icb、icc和直流側(cè)電壓信號udc的采集，鎖相環(huán)輸出角度和機(jī)端電壓幅值的計(jì)算2-2包括對鎖相環(huán)輸出角度θ的正余弦值和機(jī)端電壓幅值ut的計(jì)算。所述信號采集和調(diào)理模塊2將采集到的電壓信號usa、usb、usc，通過計(jì)算獲得機(jī)端電壓幅值ut作為電壓外環(huán)控制4-1的機(jī)端電壓幅值控制4-1-1的無功輸入量，所述statcom模塊3的直流側(cè)電壓udc作為電壓外環(huán)控制的直流側(cè)電壓控制4-1-2的有功輸入量；所述statcom模塊3交流側(cè)輸入電流信號ica、icb、icc通過abc-αβ坐標(biāo)變換獲得的電流icα、icβ分別作為所述控制器模塊4的電流內(nèi)環(huán)控制4-2的有功輸入量和無功輸入量。

機(jī)端電壓幅值ut的計(jì)算公式為

abc-αβ坐標(biāo)變換表達(dá)式為

鎖相環(huán)輸出角度θ的計(jì)算公式為

式中，usα、usβ為αβ坐標(biāo)系下的自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5機(jī)端相電壓值。

所述statcom模塊3包括濾波電感3-1、三相全橋開關(guān)管3-2以及直流側(cè)電容3-3；濾波電感3-1濾去進(jìn)入statcom模塊3交流電中的脈動成分；直流側(cè)電容3-3的儲能作用，支持直流電壓的穩(wěn)定；statcom模塊3通過并聯(lián)自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5用于補(bǔ)償seig系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓連續(xù)可調(diào)，閉合km2開關(guān)8通過statcom模塊3發(fā)出連續(xù)的無功功率，使系統(tǒng)在通過斷開km1開關(guān)7投切負(fù)載9的情況下，能夠維持自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5的機(jī)端電壓穩(wěn)定。

所述控制器模塊4用于對所述statcom模塊3進(jìn)行控制，包括對電壓外環(huán)控制4-1中機(jī)端電壓幅值控制4-1-1和直流側(cè)電壓控制4-1-2、電流內(nèi)環(huán)控制4-2的預(yù)測電流模型4-2-1和價(jià)值函數(shù)g4-2-2以及電壓空間矢量的選擇4-3；直流側(cè)電壓控制4-1-2將所述statcom模塊3的直流側(cè)電壓udc和直流側(cè)電壓的參考量的偏差量通過pi控制器后，其輸出作為電流內(nèi)環(huán)控制4-2的有功給定；機(jī)端電壓幅值控制4-1-1將機(jī)端電壓幅值ut和電壓幅值的參考量的偏差量通過pi控制器后，其輸出作為電流內(nèi)環(huán)控制4-2的無功給定；在電流內(nèi)環(huán)控制4-2中通過預(yù)測電流模型4-2-1對從電壓外環(huán)控制4-1輸出的和所述statcom模塊3獲得的電流ica、icβ以及所述statcom模塊3的直流側(cè)電壓udc在預(yù)測電流模型4-2-1下進(jìn)行相應(yīng)的算法計(jì)算獲得下一時(shí)刻的預(yù)測電流值i(k+1)在αβ坐標(biāo)系下的電流iα(k+1)和iβ(k+1)；價(jià)值函數(shù)g4-2-2采用絕對誤差計(jì)算方式計(jì)算，即通過將電壓外環(huán)控制4-1輸出的通過dq-αβ坐標(biāo)變換后獲得αβ坐標(biāo)系下的給定電流和預(yù)測電流模型4-2-1在αβ坐標(biāo)系下輸出的預(yù)測電流iα(k+1)和iβ(k+1)，這兩個(gè)分量的絕對值之和進(jìn)行計(jì)算；電壓空間矢量的選擇4-3通過選擇價(jià)值函數(shù)g4-2-2的最小值，即電流誤差最小時(shí)所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)組合sa、sb和sc。

dq-αβ坐標(biāo)變換的表達(dá)式為

所述自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5由異步發(fā)電機(jī)5-1和勵(lì)磁電容5-2并聯(lián)組成，自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5通過原動機(jī)6驅(qū)動其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，其中勵(lì)磁電容5-2向自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5提供建壓過程中的勵(lì)磁電流，用于異步發(fā)電機(jī)5-1的空載建壓。負(fù)載9通過km1開關(guān)7直接以并聯(lián)形式接在自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5的機(jī)端。

2.一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的控制方法，操作如下：

1)所述信號采集和調(diào)理模塊2在裝置1中分三個(gè)步驟操作：

步驟一：使用電壓傳感器采集的自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5的機(jī)端電壓信號usa、usb、usc以及statcom模塊3的直流側(cè)電容3-3兩端的電壓udc，使用電流傳感器采集statcom模塊3交流側(cè)輸入電流信號ica、icb、icc。

步驟二：將采集的自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5機(jī)端電壓信號usa、usb、usc，通過公式計(jì)算出機(jī)端電壓幅值ut，通過鎖相環(huán)輸出角度θ的正余弦計(jì)算公式計(jì)算出鎖相環(huán)輸出角度θ的正余弦值。

步驟三：將采集的statcom模塊3交流側(cè)輸入電流信號ica、icb、icc通過abc-αβ坐標(biāo)變換，得到dq坐標(biāo)系下的電流icα、icβ。

2)所述statcom模塊3在裝置1中的補(bǔ)償過程分三個(gè)階段：

第一階段：自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5自激建壓成功后，閉合km2開關(guān)8并通過濾波電感3-1，投入statcom模塊3，statcom模塊3不發(fā)出無功電流。

第二階段：閉合km1開關(guān)7，此時(shí)負(fù)載9投入后，自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5的機(jī)端電壓幅值產(chǎn)生跌落，statcom模塊3檢測到系統(tǒng)電壓的跌落，從而快速發(fā)出感性或容性無功電流，連續(xù)的補(bǔ)償自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5所需的無功功率，直到自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5的機(jī)端電壓達(dá)到給定值，系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。

第三階段：當(dāng)切除負(fù)載9時(shí)，因?yàn)閟tatcom模塊3不能瞬間檢測到，還按前一狀態(tài)發(fā)送容性無功電流，從而使自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5獲得過多無功功率，因而發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓升高；當(dāng)statcom模塊3檢測到電壓升高后，立刻快速發(fā)出感性無功電流，從而使自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5的機(jī)端電壓快速恢復(fù)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定控制。

3)所述控制器模塊4的控制過程分五個(gè)階段：

第一階段：對statcom模塊3給定的直流側(cè)電壓指令和反饋的statcom模塊3直流側(cè)電壓指令udc的差值進(jìn)行pi控制，得到給定的有功電流指令對自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5的機(jī)端電壓幅值ut和電壓幅值的參考量的偏差量通過pi控制器后，其輸出作為電流內(nèi)環(huán)控制4-2的無功給定。

第二階段：在電流內(nèi)環(huán)控制4-2中通過預(yù)測電流模型4-2-1對從電壓外環(huán)控制4-1輸出的和statcom模塊3獲得的電流ica、icβ以及statcom模塊3的直流側(cè)電壓udc在預(yù)測電流模型4-2-1下進(jìn)行相應(yīng)的算法計(jì)算獲得下一時(shí)刻的預(yù)測電流值i(k+1)在αβ坐標(biāo)系下的電流iα(k+1)和iβ(k+1)。

第三階段：價(jià)值函數(shù)g4-2-2采用絕對誤差計(jì)算方式計(jì)算，即通過將電壓外環(huán)控制4-1輸出的通過dq-αβ坐標(biāo)變換后獲得αβ坐標(biāo)系下的給定電流和預(yù)測電流模型4-2-1在αβ坐標(biāo)系下輸出的預(yù)測電流iα(k+1)和iβ(k+1)，這兩個(gè)分量的絕對值之和進(jìn)行計(jì)算。

第四階段：電壓空間矢量的選擇4-3通過選擇價(jià)值函數(shù)g4-2-2的最小值，即電流誤差最小時(shí)所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)組合sa、sb和sc。

第五階段：對電流內(nèi)環(huán)控制4-2輸出的pwm信號產(chǎn)生開關(guān)狀態(tài)組合sa、sb和sc，控制三相全橋開關(guān)管3-2的通斷，使statcom模塊實(shí)時(shí)動態(tài)的發(fā)出系統(tǒng)所需無功量，從而維持自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5機(jī)端電壓的穩(wěn)定。

4)所述自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5的空載建壓過程如下：

在原動機(jī)6的拖動下，異步發(fā)電機(jī)5-1轉(zhuǎn)子以一定轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子中殘留的磁通將切割定子繞組，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過并聯(lián)上勵(lì)磁電容5-2，感應(yīng)電動勢作用在電容上所產(chǎn)生的感應(yīng)電流，對剩磁起了加強(qiáng)作用，氣隙磁通的增加使定子繞組感應(yīng)出更大的電勢，再作用在勵(lì)磁電容5-2中，再次增大了電容電流，從而進(jìn)一步增加了氣隙磁通，通過如此反復(fù)的自激過程，磁通量不斷遞增，使氣隙磁通得到增強(qiáng)，從而感應(yīng)出更高的電動勢，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，異步發(fā)電機(jī)5-1能夠發(fā)出足夠的電壓，直到勵(lì)磁電容阻抗曲線與發(fā)電機(jī)空載特性曲線的交點(diǎn)時(shí)建壓完成，此時(shí)自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5的機(jī)端電壓逼近某一穩(wěn)態(tài)值，從而進(jìn)入到穩(wěn)定的工作點(diǎn)。

一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的裝置及控制方法的控制原理如圖2所示，圖中，控制器模塊4、電壓外環(huán)控制4-1、機(jī)端電壓幅值控制4-1-1、直流側(cè)電壓控制4-1-2、電流內(nèi)環(huán)控制4-2、預(yù)測電流模型4-2-1、價(jià)值函數(shù)g4-2-2、電壓空間矢量的選擇4-3、信號采集和調(diào)理模塊2、自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)電壓和電流信號的實(shí)時(shí)采集2-1、鎖相環(huán)輸出角度和機(jī)端電壓幅值的計(jì)算2-2、udc為statcom直流側(cè)電壓，為給定的直流側(cè)電壓指令，ut為自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5機(jī)端電壓幅值，為電壓幅值的參考量，和分別dq坐標(biāo)系下給定的有功電流指令和無功電流指令，和分別αβ坐標(biāo)系下給定的有功電流指令和無功電流，sa、sb、sc為開關(guān)狀態(tài)組合，iα(k+1)和iβ(k+1)為下一時(shí)刻的預(yù)測電流值i(k+1)在αβ坐標(biāo)系下的電流，icα和icβ分別為αβ坐標(biāo)系下有功電流和無功電流的實(shí)際值，usabc為自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5的機(jī)端電壓實(shí)際值，icabc為statcom模塊3的交流側(cè)電流信號，θ為鎖相環(huán)輸出角度。自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)電壓、電流信號的實(shí)時(shí)采集2-1、鎖相環(huán)輸出角度和機(jī)端電壓幅值的計(jì)算2-2，主要通過利用相應(yīng)的傳感器采集這些信號，采集到的自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5的機(jī)端電壓usabc、三相全橋開關(guān)管3-2的直流側(cè)電容兩端電壓udc和stcatcom模塊3交流側(cè)的電流icabc，通過公式計(jì)算和abc-αβ坐標(biāo)變換獲得的鎖相環(huán)輸出角度θ、αβ坐標(biāo)系下的電流isα和isβ以及自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5的機(jī)端電壓幅值ut，并將其傳遞給控制器模塊4；控制器模塊4將采集的信號經(jīng)過電壓外環(huán)控制4-1的直流側(cè)電壓控制4-1-2和機(jī)端電壓幅值控制4-1-1，分別通過外環(huán)電壓pi控制器后，通過電流內(nèi)環(huán)控制4-2的預(yù)測電流控制方法選擇出電流誤差最小時(shí)所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)組合sa、sb和sc，來驅(qū)動三相全橋開關(guān)管3-2實(shí)時(shí)動態(tài)的通斷，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的控制。

根據(jù)圖2所示，本發(fā)明一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)控制方法，具體的實(shí)現(xiàn)包括以下步驟：

步驟一：電壓外環(huán)控制4-1。

通過信號采集和調(diào)理模塊2將獲取的電壓信號usa、usb、usc計(jì)算出自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5機(jī)端電壓幅值機(jī)端電壓幅值控制4-1-1將機(jī)端電壓幅值ut和電壓幅值的參考量的偏差量通過pi控制器后，其輸出作為電流內(nèi)環(huán)控制4-2的無功給定，同時(shí)，直流側(cè)電壓控制(4-1-2)將statcom模塊(3)的直流側(cè)電壓udc和直流側(cè)電壓的參考量的偏差量通過pi控制器后，其輸出作為電流內(nèi)環(huán)控制(4-2)的有功給定；計(jì)算公式如下:

式中，為直流電壓參考值，為機(jī)端電壓參考值，kp_dc和ki_dc為直流電壓pi控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，kp_ac和ki_ac為交流電壓pi控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用中比例系數(shù)和積分系數(shù)由工程經(jīng)驗(yàn)獲得。

為了實(shí)現(xiàn)電壓的準(zhǔn)確定向，通過對電壓信號進(jìn)行計(jì)算獲得電壓定向角即鎖相環(huán)輸出角度θ。其計(jì)算表達(dá)式表示如下:

式中，usα、usβ為αβ坐標(biāo)系下的自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)5機(jī)端相電壓值。

步驟二：電流內(nèi)環(huán)控制4-2。

①建立系統(tǒng)模型和可能的開關(guān)狀態(tài)

statcom的輸入電壓空間矢量為:

式中，a＝e^j2π/3，a²＝e^j4π/3，uca，ucb和ucc為輸入相電壓。

三相平衡情況下，電流空間矢量可以定義為

三相全橋開關(guān)管3-2的開關(guān)狀態(tài)由開關(guān)狀態(tài)組合sa、sb和sc決定，可以用向量的形式直接表示為

輸入電壓空間矢量和開關(guān)狀態(tài)矢量s有關(guān)，可表示為

uc＝udcs

式中，udc是三相全橋開關(guān)管3-2直流側(cè)電容3-3兩端的電壓。

考慮到門極信號sa，sb和sc所有的組合，有八個(gè)開關(guān)狀態(tài)，從而獲得八個(gè)電壓矢量。其中v0＝v7，因此只有7個(gè)不同的電壓矢量。如圖3所示，變流器是非線性離散系統(tǒng)，只有七個(gè)不同的狀態(tài)作為可能的輸入。簡化模型，使用一個(gè)簡單的變流器模型來表示。

us是電機(jī)輸出電壓，可以表示為:

式中，usa，usb和usc為異步發(fā)電機(jī)5-1機(jī)端輸出相電壓。這樣輸出電壓空間矢量可用電壓方程表示：

式中，r、l分別為三相全橋開關(guān)管3-2交流側(cè)濾波電抗的等效電阻和等效電感。

②建立離散時(shí)間模型

電流i在采樣時(shí)間ts的離散時(shí)間形式，可預(yù)測第k個(gè)采樣時(shí)刻的電流和測量電壓。di/dt約為

把上式代入電壓方程，得到第k個(gè)采樣時(shí)刻的電流

其中，當(dāng)采樣時(shí)間足夠小且負(fù)載側(cè)主要為電感時(shí)，rts可忽略不計(jì)。

將上式離散時(shí)間往前推一步，可確定下一時(shí)刻的電流為:

可得uc(k)的估計(jì)值:

可利用估計(jì)的輸出電壓空間矢量當(dāng)前及過去的值來推斷出下一采樣時(shí)刻的輸出電壓，由于輸出電壓在采樣間隔內(nèi)沒有太大的改變，在這種情況下可假設(shè)

③電壓空間矢量選擇與價(jià)值函數(shù)g的定義。

為了運(yùn)算的簡單以及更為有效地跟蹤，價(jià)值函數(shù)采用絕對誤差的方式，即給定值與預(yù)測值在兩相靜止αβ坐標(biāo)系下兩分量的絕對值之和為:

式中，iα(k+1)和iβ(k+1)以及和分別為αβ坐標(biāo)系下第k+1個(gè)采樣時(shí)刻的預(yù)測電流值和給定電流值。

在預(yù)測算法中，估算出可能存在的7個(gè)電壓矢量，得出7個(gè)不同的電流預(yù)測值。電壓矢量的電流預(yù)測值接近預(yù)期的下一個(gè)采樣時(shí)刻電流參考值。即選擇的矢量將作為最小化的價(jià)值函數(shù)。在具體算法的實(shí)現(xiàn)過程中，由于采樣時(shí)間ts為數(shù)微秒，相對50hz發(fā)電系統(tǒng)其電流保持不變，因此可認(rèn)為i^*(k+1)≈i^*(k)。

步驟三：電壓空間矢量選擇4-3。

如圖4所示，在第k個(gè)采樣時(shí)刻利用電流反饋和所有開關(guān)狀態(tài)組合(sa，sb和sc)，根據(jù)電流預(yù)測模型對第k+1個(gè)采樣時(shí)刻的電流進(jìn)行預(yù)測，然后選擇使電流誤差最小，即價(jià)值函數(shù)的最小化時(shí)所對應(yīng)的sa，sb和sc作用于statcom，并在接下來的每一個(gè)采樣周期內(nèi)不斷地循環(huán)運(yùn)行該運(yùn)算流程，可以實(shí)現(xiàn)對每一個(gè)電壓矢量的預(yù)測。生成的pwm信號控制開關(guān)管通斷，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的穩(wěn)定控制。

采用上述控制策略及裝置，針對2kw/380v/1440r/min的鼠籠式異步發(fā)電機(jī)進(jìn)行高性能控制設(shè)計(jì)，其仿真結(jié)果如圖5所示。對比了在電流內(nèi)環(huán)分別使用常規(guī)pi控制下和預(yù)測電流控制方法下，加減三相對稱阻性負(fù)載時(shí)機(jī)端電壓仿真波形。

對圖5分析可知，本發(fā)明一種自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的裝置及控制方法分別在內(nèi)環(huán)采用預(yù)測電流控制和pi控制下，加減50ω三相對稱阻性負(fù)載時(shí)機(jī)端電壓幅值仿真波形。動態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)精度高，滿足異步電動機(jī)的電流跟蹤能力，同時(shí)在電阻變化時(shí)，該裝置具有較好的控制性能，說明其動態(tài)性能和魯棒性較好。

最后應(yīng)說明的是：以上內(nèi)容僅用以對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書對本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換；而一切不脫離本發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中。