[发明专利]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

说明书

本发明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_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，最后基于步骤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；本发明解决了现有调磁调压直流发电机系统单一外环PI参数无法满足不同负载突变下的动态特性，电压回复过程较慢的问题；同时不存在算法切换，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。

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，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。

背景技术

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。

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。

上述系统采用双PI环的电压控制动态性能具有以下缺点：

(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。

(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。

(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。

为了提高调磁调压发电机系统的动态性能，文献《Capacitor-Energy-basedControl of Doubly Salient Brushless DC Generator for Dynamic PerformanceOptimization,Yanwu Xu；Zhuoran Zhang；Zhangming Bian；Li Yu,IEEE Transactions onEnergy 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。

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。