一种大型发电机状态检测电源控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电子信息技术和自动控制领域技术领域，具体为一种大型发电机状态检测电源控制方法及系统。

背景技术

在大型发电机运行过程中，其定子线棒在定子槽内存在局部放电的风险。通过对定子线棒与定子铁心槽的接触状态的检测，可对定子线棒槽内电晕放电状态进行有效评估。一种具有较高技术经济性和工程应用价值的大型发电机状态检测电源控制方法及系统，作为系统核心单元之一的DC-AC变换单元，为系统测试点提供安全、可靠的电源，其控制技术直接影响大型发电机定子线棒槽内电晕放电状态检测系统的性能。

传统的PI(比例积分)控制方式易于实现，在很多领域得到了广泛应用，但在实现交流信号的无差调节时通常需要对其进行坐标变换，然后再使用PI调节器对转换的直流信号进行控制，实现过程较为复杂，且会出现较大的电流谐波。PR(比例谐振)控制可以在特定频率下产生谐振，消去特定频率下的谐波，但是使用PR控制消除多个低次谐波需要多个PR控制器并联，结构较为复杂。电流跟踪PWM(脉宽调制)控制电流追踪的精度与环宽的大小关系密切，为保持较低的输出波形失真率和开关损耗，需要在开关频率允许的范围内选择合适的滞环宽度，以实现双重平衡，在大型发电机现场作业，其稳定性和可靠性难以保证。综上，从技术经济的角度考虑，以上现有技术均难以满足大型发电机定子线棒槽内电晕放电状态检测系统中的要求。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：如何更好地控制交流信号误差和抑制交流侧电压波动。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种大型发电机状态检测电源控制方法，其包括如下步骤，

采用LCL滤波模块并通过电容电流反馈作为有源阻尼控制策略消除谐振尖峰；使用比例积分控制器对电压外环的直流母线进行稳压；使用准比例谐振控制器对电流内环的交流侧电流进行控制；采用电容电流反馈与交流侧电压前馈策略，消除交流侧电压对电流的影响。

作为本发明所述的一种大型发电机状态检测电源控制方法的一种优选方案，其中：所述LCL滤波模块包括逆变侧电感以及交流侧电感与滤波电容的组合，将收集到的状态数据去掉缺失值，异常值，以及错误格式的无效数据，将原始格式数据转换为符合数学模型需求分析的格式，最后将数据归一化完成数据预处理并标记为标准数据集。

作为本发明所述的一种大型发电机状态检测电源控制方法的一种优选方案，其中：所述LCL滤波模块使用电容电流反馈与交流侧电流内环相互级联的双电流环控制策略消除滤波器谐振尖峰。

作为本发明所述的一种大型发电机状态检测电源控制方法的一种优选方案，其中：所述双电流环控制策略中采用准PR控制器作为交流侧电流内环控制器，构建准PR控制模型且增加复变量s的一次项，表达式为：

其中，K

构建LCL滤波模块三阶模型，表达式为：

其中，i

LCL滤波模块三阶模型在S域的表达式为：

其中，L

作为本发明所述的一种大型发电机状态检测电源控制方法的一种优选方案，其中：通过PI控制器处理直流侧电容电压与直流母线电容参考电压，两电压的误差信号经过PI控制器得到参考电流幅值，交流侧电压经过锁相环PLL得到交流侧电压相位，参考电流幅值与交流侧电压相位正选的乘积作为电流内环的输入参考值，对并网电流进行内环控制；当直流侧电容电压与直流母线电容参考电压的误差信号经过PI输出后电流内环给定值为负值时，则减小交流侧电流，控制器通过数模转换器调节直流侧电容电压升高；当参考值与实际值相等时，完成当前检测所需参数的测量；当实际值超过参考值时，电流内环参考值为正值，则增大交流侧电流。

作为本发明所述的一种大型发电机状态检测电源控制方法的一种优选方案，其中：通过准PR控制模型处理参考电流与实际电流比较后的误差信号，该误差信号与电容电流反馈环比较得到的调制信号，此调制信号经过正弦脉宽调制SPWM控制来控制逆变器输出，SPWM控制的表达式为：

其中，U

作为本发明所述的一种大型发电机状态检测电源控制方法的一种优选方案，其中：所述交流侧电流的表达式为：

其中，i

本发明的另外一个目的是提供一种大型发电机状态检测系统电源控制系统，其能通过LCL滤波模块、比例积分控制模块、准比例谐振控制器模块、锁相环PLL模块以及正弦脉宽调制SPWM控制模块，解决了现有电源不稳定的问题。

作为本发明所述的一种分布式电源无功响应系统的一种优选方案，其中：包括LCL滤波模块、比例积分控制模块、准比例谐振控制器模块、锁相环PLL模块以及正弦脉宽调制SPWM控制模块；所述LCL滤波模块是采用电容电流反馈作为有源阻尼控制策略，消除谐振尖峰；所述控制算法模块主要负责根据收集到的数据，计算出优化的设备操作策略，实现设备间的协同工作；所述比例积分控制模块是用于对电压外环的直流母线进行稳压；所述准比例谐振控制器模块是用于对电流内环的交流侧电流进行控制交流电流的大小和方向；所述锁相环PLL模块是获取交流侧电压相位；所述正弦脉宽调制SPWM控制模块是控制逆变器的输出，用于处理参考电流与实际电流比较后的误差信号。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述一种大型发电机状态检测电源控制方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述一种大型发电机状态检测电源控制方法的步骤。

本发明的有益效果：本发明在基频附近获得较好的幅频响应特性，并更好地控制交流信号误差和抑制交流侧电压波动，抑制谐振尖峰，并消除交流侧电压的影响。具有良好的动态特性、静态特性和鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例提供的一种大型发电机状态检测电源控制方法的整体流程图；

图2为本发明第一个实施例提供的一种大型发电机状态检测电源控制方法中状态检测系统电源控制策略框架示意图；

图3为本发明第一个实施例提供的一种大型发电机状态检测电源控制方法的电压外环控制策略框架示意图；

图4为本发明第一个实施例提供的一种大型发电机状态检测电源控制方法钟基于电容电流与并网电流反馈的双电流环控制策略框架示意图；

图5为本发明第一个实施例提供的一种大型发电机状态检测电源控制方法的双闭环控制策略的等效变换过程步骤一框架示意图；

图6为本发明第一个实施例提供的一种大型发电机状态检测电源控制方法的双闭环控制策略的等效变换过程步骤四框架示意图；

图7为本发明第一个实施例提供的一种大型发电机状态检测电源控制方法的改进电压前馈等效变换框图；

图8为本发明第一个实施例提供的一种大型发电机状态检测电源控制方法的改进电压前馈简化等效变换框图；

图9为本发明第一个实施例提供的一种大型发电机状态检测电源控制方法的准PR控制器的波特图；

图10为本发明第二个实施例提供的一种大型发电机状态检测电源控制系统的结构图；

图11为本发明第二个实施例提供的一种大型发电机状态检测电源控制方法的系统框架示意图；

图12为本发明第三个实施例提供的一种大型发电机状态检测电源控制方法的电源交流输出波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～图9，为本发明的一个实施例，提供了一种重力储能系统稳定运行控制方法，其特征在于：

采用LCL滤波模块并通过电容电流反馈作为有源阻尼控制策略消除谐振尖峰；使用比例积分控制器对电压外环的直流母线进行稳压；使用准比例谐振控制器对电流内环的交流侧电流进行控制；采用电容电流反馈与交流侧电压前馈策略，消除交流侧电压对电流的影响。

该环节对系统整个后级检测至关重要，直接影响大型发电机定子线棒槽内电晕放电状态的检测评估结果。PR控制将输出值与期望值的误差作为反馈输入给比例控制器，同时也作为谐振控制器输入的一部分，通过共振电路对误差信号进一步调整。

在PR控制器传递函数的分母中缺少一次项s，会导致在基波角频率处增益无穷大，但是当频率偏离基波角频率时，幅频增益非常小，这将影响系统的稳定性。

因此，在设计传递函数时，为了保持其优良的控制交流信号的性能，需要其在频率偏移时也能存在较大的增益，因此本发明采用准PR控制，其传递函数在PR控制器传递函数的基础上增加了s的一次项，避免了当基波频率带入时分母趋于0的问题。

LCL滤波模块包括逆变侧电感以及交流侧电感与滤波电容的组合，将收集到的状态数据去掉缺失值，异常值，以及错误格式的无效数据，将原始格式数据转换为符合数学模型需求分析的格式，最后将数据归一化完成数据预处理并标记为标准数据集。

采用电容电流反馈与输出电压前馈策略提高输出的稳定性，其控制原理如图2所示。

LCL滤波模块使用电容电流反馈与交流侧电流内环相互级联的双电流环控制策略消除滤波器谐振尖峰。

双电流环控制策略中采用准PR控制器作为交流侧电流内环控制器，构建准PR控制模型且增加复变量s的一次项，表达式为：

其中，K

构建LCL滤波模块三阶模型，表达式为：

其中，i

LCL滤波模块三阶模型在S域的表达式为：

其中，L

LCL型滤波器的电容一端与L

如图3所示，通过PI控制器处理直流侧电容电压与直流母线电容参考电压，两电压的误差信号经过PI控制器得到参考电流幅值，交流侧电压经过锁相环PLL得到交流侧电压相位，参考电流幅值与交流侧电压相位正选的乘积作为电流内环的输入参考值，对并网电流进行内环控制。

当直流侧电容电压与直流母线电容参考电压的误差信号经过PI输出后电流内环给定值为负值时，则减小交流侧电流，控制器通过数模转换器调节直流侧电容电压升高；当参考值与实际值相等时，完成当前检测所需参数的测量；当实际值超过参考值时，电流内环参考值为正值，则增大交流侧电流。

通过准PR控制模型处理参考电流与实际电流比较后的误差信号，该误差信号与电容电流反馈环比较得到的调制信号，此调制信号经过正弦脉宽调制SPWM控制来控制逆变器输出，SPWM控制的表达式为：

其中，U

电容电流反馈环路的加入会使得图4的传递函数的求解非常复杂，因此本发明通过使用比较点前移、后移等方式对图4进行化简，其转换过程如图5所示。

图中，G

图6所示框图的传递函数的表达式为：

交流侧电流的表达式为：

其中，i

由交流侧电流的表达式可知，交流侧电压与参考电流共同影响交流侧电流，使得交流侧电流与参考电流之间存在误差，将交流侧电压所在项消去，即抵消图6交流侧电压前向通路，即可解决这一问题。

为了更加符合实际应用系统在运行过程中包含电压高次谐波以及出现电压突变等情况，本发明采用交流侧电压前馈控制以消除上述影响。本发明以此策略进行双闭环改进，该控制策略具有稳定性能更高、动态响应更强等优点。根据传统自动控制理论，图6所示的交流侧电压v

重新配置到整体系统图如图7所示。由LCL滤波模块三阶模型在S域的表达式可知，由于交流侧电压反馈通路表达式中包含着内环控制器G

其中，G

当逆变器的输入电压U

在基波频率附近，准PR控制器的幅频响应特性得到了改善。相对于PR控制器，准PR控制能够更好地控制交流信号误差和抑制交流侧电压波动，因此在选用准PR控制以控制电流内环稳定运行。选取较为合适的比例与谐振系数关系着准PR控制器的控制性能以及稳态误差的大小。准PR控制器的波特图如图9所示。

实施例2

参照图10～图11，为本发明的一个实施例，提供了一种大型发电机状态检测电源控制方法的系统，其特征在于：包括LCL滤波模块、比例积分控制模块、准比例谐振控制器模块、锁相环PLL模块以及正弦脉宽调制SPWM控制模块。

LCL滤波模块是采用电容电流反馈作为有源阻尼控制策略，消除谐振尖峰。

控制算法模块主要负责根据收集到的数据，计算出优化的设备操作策略，实现设备间的协同工作。

比例积分控制模块是用于对电压外环的直流母线进行稳压。

准比例谐振控制器模块是用于对电流内环的交流侧电流进行控制交流电流的大小和方向。

锁相环PLL模块是获取交流侧电压相位。

正弦脉宽调制SPWM控制模块是控制逆变器的输出，用于处理参考电流与实际电流比较后的误差信号。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

实施例3

参照图12是本发明的实施例，为了验证本发明的有益效果，通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证。本实施例分别对现有传统的方法、本实施例的方法进行了实验。

为了得出闭环策略的有效性，以下便对单相并网逆变器进行仿真建模，主要包括准PR控制器、LCL型滤波器、电流内环控制器等等。同时为了验证电网电压前馈策略对于电压扰动以及谐波的抑制性，仿真加上了高次谐波以及电压突变环节，仿真参数如表1所示：

表1仿真参数对比表

输出波形图如图12所示，在PI内环控制与单相锁相环的控制下，交流电流理想地跟踪到参考电流，二者几乎同相位，说明双闭环控制有较好的控制效果。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。