[发明专利]一种变速永磁交流发电机系统及其双端口稳压控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电机领域，特别涉及一种变速永磁交流发电机系统及其双端口稳压控制方法。

背景技术

永磁交流发电机输出交流电压，经PWM整流器进行交流/直流（亦称ac/dc）变换和经直流滤波装置滤波后，可以获得可控的直流电压，为直流负载供电。永磁交流发电机系统的结构一般包括永磁交流发电机、PWM整流器、直流滤波装置以及控制系统。

永磁交流发电机采用永磁体励磁，其缺点在于励磁不可调节。原动机带动永磁交流发电机的转子旋转，在恒定励磁磁场作用下，永磁交流发电机（以下简称为发电机）产生的旋转电势（亦称发电机电势或反电势）大小正比于发电机转子的转速。发电机输出的交流电经PWM整流器进行功率变换，再经直流滤波装置进行滤波，之后的直流输出端的直流电压是可控、稳定的。发电机的输出端称为交流输出端，直流滤波装置的输出端称为直流输出端。

直流滤波装置的直流输出端的直流电压（以下简称为直流输出端电压或直流电压）的控制系统的常见结构如下：

所述的发电机、PWM整流器及直流滤波装置通过一个控制器形成闭环控制回路。所述的控制器主要包括直流电压检测模块、调节器以及PWM发生模块；所述的直流电压检测模块接入所述的直流输出端，检测直流电压；所述的调节器包括：用于计算所述发电机的交流输出端的交轴电流给定值I_q^*的运算器（运算器根据直流输出端电压以及检测到的发电机转子的转速信号并根据预设的直流电压标准值运算出所述的给定值I_q^*），以及用于对所述的交轴电流给定值I_q^*进行微调的补偿器（补偿器是对永磁交流发电机系统的参数变化、数学模型的不精确性，以及发电机转子的转速变化等各种扰动因素进行补偿）；一般情况下，在实际的实施过程中，所述的调节器利用闭环控制方法，直接根据直流输出端电压和预设的直流电压标准值之间的差值来计算交轴电流给定值I_q^*，使得直流输出端电压与预设的直流电压标准值一致，这是一种比使用独立的所述运算器和补偿器具有更好的稳压效果的更简便的实现方法；所述的调节器还根据发电机的凸极率设定发电机的交流输出端的直轴电流给定值I_d^*，设定的标准是使发电机的功率、电磁转矩或者功率因素最大化；所述的PWM发生模块用于根据比较发电机交流输出端的交轴电流I_q及其给定值I_q^*以及比较发电机交流输出端的直轴电流I_d及其给定值I_d^*，并根据发电机转子的位置和发电机转子的转速产生控制所述PWM整流器的功率开关管导通或关断的PWM触发脉冲；此外，所述的调节器与PWM发生模块之间还设有电流限幅模块，该电流限幅模块用于限制交轴电流给定值I_q^*和直轴电流给定值I_d^*的相量和的幅值输出的限幅后的交轴电流给定值I_q^*和限幅后的直轴电流给定值I_d^*，使得二者的相量和的幅值不超过发电机的交流电流额定值I_额定。

在大多数发电场合，要求所述的直流输出端电压稳定，但并不关心发电机交流输出端的交流电压（以下简称为交流输出端电压或交流电压）是否稳定。在发电机转子的转速变化明显的场合(如风力发电)，由于发电机的旋转电势也随着转速而变化明显，导致发电机交流输出端电压变化明显。当发电机工作在正常转速范围的最低速时，其旋转电势已经足够高，可以使得PWM整流器正常工作，那么当发电机工作在正常转速范围的最高速时，其旋转电势明显变大。发电机正常工作的转速范围越宽（即最高速与最低速的比值k_s越大），则发电机的旋转电势以及交流输出端电压变化越显著（最高速时的旋转电势与最低速时的旋转电势的比值也是k_s）。而PWM整流器的器件的耐压等级必须按发电机最高速时的交流输出端电压来选取，因此，在发电机工作在宽转速范围的条件下必须选取很高的耐压等级，由此大大提高了器件的成本，并降低系统可靠性。同时，发电机的交流输出端电压越大，对发电机的绝缘等级要求也越高，由此大大提高了发电机的成本，甚至降低发电机的绝缘寿命。