一种BDFIG-DC系统谐波铜耗最小化控制装置及方法

技术领域

本发明属于BDFIG控制技术领域，更具体地，涉及一种BDFIG-DC系统谐波铜耗最小化控制装置及方法。

背景技术

BDFIG(无刷双馈发电机)是一种新型交流感应电机，包含两套极对数不同的定子绕组和一个用以耦合定子侧不同极对数旋转磁场的特殊设计转子。这两套定子绕组根据传递能量大小分别称为PW和CW。与传统的有刷双馈感应发电机相比，BDFIG取消了电刷和滑环，并且凭借其高可靠性等特点在船舶轴带发电、风力发电、水力发电等领域具有显著的应用优势。

相较于传统交流电网，直流电网具有无无功潮流、损耗低、并联过程简单等优势。目前风能、太阳能等分布式可再生能源发电并入直流微电网已经在国内外有很多成功的范例并已经成为研究的热点。但是BDFIG-DC系统PW与三相不控整流桥相连，绕组中会产生显著的-5次和7次谐波，进而产生谐波铜耗，导致系统效率下降，这也是制约该系统进一步发展的主要因素之一，必须采取措施加以抑制。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种BDFIG-DC系统谐波铜耗最小化控制装置及方法，旨在解决现有的BDFIG-DC系统PW与三相不控整流桥相连，绕组中会产生显著的-5次和7次谐波，进而产生谐波铜耗，导致系统效率下降的问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种BDFIG-DC系统谐波铜耗最小化控制装置，包括：MSC控制系统和谐波铜耗最小化控制系统；

MSC控制系统连接在BDFIG的CW侧，用于稳定BDFIG-DC系统的直流母线电压；且采用CW谐波电流补偿方式控制PW的谐波电流；

谐波铜耗最小化控制系统连接在BDFIG的PW侧，用于提供CW谐波电流参考值；

其中，所述BDFIG-DC系统的PW与三相不控整流桥相连；CW谐波电流参考值包括CW的-5次谐波电流参考值和7次谐波电流参考值。

进一步优选地，谐波铜耗最小化控制系统包括：PW电压锁相环模块、PW谐波电流参考值计算模块、PW电流分离模块和PW谐波电流控制模块；

PW电压锁相环模块用于对PW静止abc坐标系三相电压u

PW谐波电流参考值计算模块连接PW电压锁相环模块，用于根据

PW电流分离模块用于对PW静止abc坐标系三相电流i

PW谐波电流控制模块的输入端连接PW谐波电流参考值计算模块，用于将

进一步优选地，MSC控制系统包括：直流母线电压控制模块、CW总电流计算模块、CW电流控制模块、第一坐标变换模块、SVPWM发生器、第二坐标变换模块和CW变换角计算模块；

直流母线电压控制模块的输出端连接CW总电流计算模块，用于根据直流母线电压参考值

CW总电流计算模块的输出端连接CW电流控制模块的输入端；用于将直流母线电压控制模块生成的CW的基波电流参考值与PW谐波电流控制模块生成的CW的-5次和7次谐波电流参考值相加生成CW总电流参考值；

CW总电流控制模块的输出端连接第一坐标变换模块，用于将CW总电流计算模块得到的CW总电流参考值与第二坐标变换模块得到的CW电流实际值进行

第一坐标变换模块的输出端与SVPWM发生器相连，用于将dq坐标系下CW电压参考值

第二坐标变换模块的输出端连接CW电流控制模块，用于将abc坐标系下CW的a相电流i

CW变换角计算模块用于根据测得的RW角频率和给定的PW角频率以获取变换参考角度；

SVPWM发生器用于基于两相静止坐标系下CW的α轴分量参考值

进一步优选地，PW谐波电流控制模块，包括第十加法器、第十一加法器、第十二加法器、第十三加法器、第三PI控制器、第四PI控制器、第五PI控制器、第六PI控制器、第七坐标变换器和第八坐标变换器；

第十加法器的输出端与第三PI控制器的输入端连接；第十一加法器的输出端与第四PI控制器的输入端连接；第三PI控制器和第四PI控制器的输出端与第七坐标变换器的输入端连接；第十二加法器的输出端与第五PI控制器的输入端连接；第十三加法器的输出端与所述第六PI控制器的输入端连接；第五PI控制器和第六PI控制器的输出端与第八坐标变换器的输入端连接；

第十加法器、第十一加法器、第十二加法器和第十三加法器分别用于进行

第三PI控制器、第四PI控制器、第五PI控制器和第六PI控制器分别用于对

第七坐标变换器用于获取正序基频旋转坐标下的CW的-5次谐波电流参考值的d轴分量

第八坐标变换器用于获取正序基频旋转坐标下的CW的7次谐波电流参考值的d轴分量

另一方面，本发明提供了一种BDFIG-DC系统谐波铜耗最小化控制方法，包括以下步骤：

采用谐波铜耗最小化控制系统提供CW谐波电流参考值；

利用MSC控制系统采用CW谐波电流补偿方式控制PW的谐波电流，进而降低谐波铜耗；

其中，所述BDFIG-DC系统的PW与三相不控整流桥相连；CW谐波电流参考值包括CW的-5次谐波电流参考值和7次谐波电流参考值。

进一步优选地，CW谐波电流参考值的获取方法为：

对PW静止abc坐标系三相电压u

根据

其中，

分别为PW的-5次旋转坐标系下的-5次谐波参考电流d轴分量和q轴分量；/>

对PW静止abc坐标系三相电流i

将

进一步优选地，控制MSC的方法，包括以下步骤：

根据直流母线电压参考值

将CW基波电流参考值与CW的-5次和7次谐波电流参考值相加生成CW总电流参考值；

将CW总电流参考值与CW电流实际值进行

将dq坐标系下CW电压参考值

将abc坐标系下CW的a相电流i

根据测得的RW角频率和给定的PW角频率以获取变换参考角度；

基于两相静止坐标系下CW的α轴分量参考值

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：

本发明提供了一种BDFIG-DC系统谐波铜耗最小化控制装置及方法，目的在于不增加额外滤波装置，通过控制方法使得谐波铜耗尽可能减小，提高BDFIG-DC系统的效率。更为具体地，本发明利用MSC控制系统，采用CW谐波电流参考值(CW的-5次和7次电流谐波分量)补偿CW基波电流参考值，进而控制PW的谐波电流，使得BDFIG的谐波铜耗最小，提高了系统效率。其中，谐波铜耗最小化控制系统连接在BDFIG的PW侧，用于提供CW谐波电流参考值；CW谐波电流参考值包括CW的-5次谐波电流参考值和7次谐波电流参考值。更为具体地，对PW静止abc坐标系三相电压u

附图说明

图1是本发明实施例提供的BDFIG-DC系统谐波铜耗最小化控制方法示意图；

图2是本发明实施例提供的直流母线电压控制模块的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的CW总电流计算模块的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的CW电流控制模块的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的PW电压锁相环模块的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的PW谐波电流参考值计算模块的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的PW电流分离模块的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的PW谐波电流控制模块的结构示意图。

具体实施方式

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。

以下对本发明中有关概念加以解释：

abc坐标系：对应于交流电机的三相对称的静止绕组，具有相交于原点的a轴、b轴和c轴三个坐标轴，三个坐标轴在空间静止且互差120度对称分布，按顺时针方向，依次为a轴、b轴和c轴；

两相静止坐标系：对应于交流电机虚拟的两相正交的静止绕组，具有相交于原点的α轴和β轴两个坐标轴，两个坐标轴在空间静止且互差90度，按逆时针方向，依次为α轴和β轴；

正序基频dq旋转坐标系：具有相交于原点的d轴和q轴两个坐标轴，两个坐标轴互差90度(按逆时针方向，依次为d轴和q轴)，以角速度ω

负五次旋转dq坐标系：具有相交于原点的d轴和q轴两个坐标轴，两个坐标轴互差90度(按逆时针方向，依次为d轴和q轴)，以角速度-5ω

七次旋转dq坐标系：具有相交于原点的d轴和q轴两个坐标轴，两个坐标轴互差90度(按逆时针方向，依次为d轴和q轴)，以角速度7ω

本发明中α轴和a轴重合；

本发明中如果不在右上角标明电气量所在的dq坐标系，则默认为正序基频旋转坐标系：dq坐标系；

电气量右下角的p代表PW侧，dq和αβ分别表示两相旋转坐标系和两相静止坐标系，数字代表谐波次数；右上角的数字代表旋转坐标系的次数，“*”代表参考值，变量上方的“～”代表该变量的共轭；

基波分量：指分量频率与额定频率相同的分量；

谐波分量：指分量频率为额定频率整数倍的分量；

PI控制器：为电机控制中常用概念，本发明中PI控制器的形式均为

PIR控制器：本发明中第一PIR控制器、第二PIR控制器的形式均为

1.首先将k

2.保证k

SVPWM发生器：本发明中SVPWM发生器属于此列；以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。

本发明涉及到的物理含义如下表：

/>

/>

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种BDFIG-DC系统谐波铜耗最小化控制方法，包括以下步骤：

采用MSC(control winding side converter，电机侧变流器)控制系统稳定直流母线电压；同时采用CW谐波电流参考值补偿方式控制PW的谐波电流；其中，BDFIG的PW连接三相不控整流桥，导致PW电压和电流中产生显著的-5次和7次谐波；CW谐波电流参考值包括CW的-5次谐波电流参考值和CW的7次谐波电流参考值；

更为具体地，MSC控制系统包括直流母线电压控制模块、CW总电流计算模块、CW电流控制模块、第一坐标变换模块、SVPWM发生器、第二坐标变换模块和CW变换角计算模块；

直流母线电压控制模块的输出端连接CW总电流计算模块，用于根据直流母线电压参考值

CW总电流计算模块用于将直流母线电压控制模块生成的CW基波电流参考值与PW谐波电流控制模块生成的CW的-5次和7次谐波电流参考值相加生成CW总电流参考值；

CW电流控制模块的输出端连接第一坐标变换模块；用于将CW总电流计算模块得到的CW电流参考值与第二坐标变换模块得到的CW电流实际值进行

第一坐标变换模块的输出端与SVPWM发生器相连；用于将CWdq坐标系电压参考值

第二坐标变换模块的输出端连接CW电流控制模块，用于将abc坐标系下CW的a相电流i

其中，变换参考角度θ

其中，ω

CW变换角计算模块用于根据测得的RW角频率和给定的PW角频率以获取变换参考角度；

SVPWM发生器用于基于两相静止坐标系下CW的α轴分量参考值

谐波铜耗最小化控制系统包括：PW电压锁相环模块、PW谐波电流参考值计算模块、PW电流分离模块和PW谐波电流控制模块；

PW电压锁相环模块用于对PW静止abc坐标系三相电压u

PW谐波电流参考值计算模块连接PW电压锁相环模块，用于根据

PW电流分离模块用于对PW静止abc坐标系三相电流i

PW谐波电流控制模块的输入端连接PW谐波电流参考值计算模块，用于将

具体地，如图2所示，直流母线电压控制模块包括第一加法器和第一PI控制器；第一加法器用于将直流母线电压参考值

具体地，如图3所示，CW总电流计算模块包括第二加法器和第三加法器，第二加法器用于将

具体地，如图4所示，CW电流控制模块包括第四加法器、第五加法器、第一PIR控制器和第二PIR控制器；第四加法器用于将CW的d轴电流参考值

具体地，如图5所示，PW电压锁相环模块包括第一广义积分器、第三坐标变换器、第一幅值运算器、第一除法器、第二PI控制器、第六加法器和第一积分器；

第一广义积分器用于将PW静止abc坐标系三相电压u

其中，u

第三坐标变换器用于对得到的PW基波电压进行坐标变换得到正序基波旋转坐标系下的PW电压；

为了防止电压幅值对锁相环的影响，特意设置了第一幅值运算器以及第一除法器，使得进入第二PI控制器的量与幅值无关；

第六加法器用于将角频率参考值与第二PI控制器输出相加获得PW电压角频率，再经过第一积分器即可获得PW电压θ

具体地，如图6所示，PW谐波电流参考值计算模块，获取实现谐波铜耗最下化所需的PW谐波电流参考值

其中：

/>

其中，

具体地，如图7所示，PW电流分离模块，包括第四坐标变换器、第七加法器、第八加法器、第九加法器、第二二阶广义积分器、第三二阶广义积分器、第四二阶广义积分器、第五坐标变换器和第六坐标变换器；

第四坐标变换器用于将PW静止abc坐标系三相电流i

其中，i

得到的i

具体地，如图8所示，PW谐波电流控制模块，包括第十加法器、第十一加法器、第二十加法器、第十三加法器、第三PI控制器、第四PI控制器、第五PI控制器、第六PI控制器、第七坐标变换器和第八坐标变换器；

第十加法器、第十一加法器、第十二加法器和第十三加法器分别用于进行

/>

其中，

实施例2

本发明提供了一种BDFIG-DC系统谐波铜耗最小化控制方法，包括以下步骤：

采用谐波铜耗最小化控制系统提供CW谐波电流参考值；

利用MSC控制系统采用CW谐波电流补偿方式控制PW的谐波电流，进而稳定BDFIG-DC系统的直流母线电压；

其中，所述BDFIG-DC系统的PW与三相不控整流桥相连；CW谐波电流参考值包括CW的-5次谐波电流参考值和7次谐波电流参考值。

进一步优选地，CW谐波电流参考值的获取方法为：

对PW静止abc坐标系三相电压u

根据

对PW静止abc坐标系三相电流i

将

进一步优选地，MSC控制方法，包括以下步骤：

根据直流母线电压参考值

将CW的基波电流参考值与CW的-5次和7次谐波电流参考值相加生成CW总电流参考值；

将CW总电流参考值与CW电流实际值进行

将dq坐标系下CW电压参考值

将abc坐标系下CW的a相电流i

根据测得的RW角频率和给定的PW角频率以获取变换参考角度；

基于两相静止坐标系下CW的α轴分量参考值

进一步优选地，实现最小铜耗控制所需的PW谐波电流参考值

其中，

本发明与现有技术相比，存在以下优势：

本发明提供了一种BDFIG-DC系统谐波铜耗最小化控制装置及方法，目的在于不增加额外滤波装置，通过控制方法使得谐波铜耗尽可能减小，提高BDFIG-DC系统的效率。更为具体地，本发明利用MSC控制系统，采用CW谐波电流参考值(CW的-5次和7次电流谐波分量)补偿CW基波电流参考值，进而控制PW的谐波电流，使得BDFIG的谐波铜耗最小，提高系统效率。其中，谐波铜耗最小化控制系统连接在BDFIG的PW侧，用于提供CW谐波电流参考值；CW谐波电流参考值包括CW的-5次谐波电流参考值和7次谐波电流参考值。更为具体地，对PW静止abc坐标系三相电压u

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。