考虑电容充放电的永磁起动/发电系统及模式切换方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，特别是一种考虑电容充放电的永磁起动/发电系统及模式切换方法。

背景技术

在油动植保无人机领域，使用起动/发电系统，在额定工况使用内燃发动机拖动电机为负载供电，既弥补了传统油动无人机缺少电力源、电力供应不充分等缺陷，又保持了油动无人机本身续航时间长，带载能力强的优势。

由于永磁同步电机功率密度大、效率高、控制策略简单等优点，因此常使用永磁同步电机作为起动/发电系统中的起动/发电机。由于三相电压型PWM可控整流电路可以在起动/发电系统中的起动模式与发电模式完成电磁功率可逆传输，因此常使用三相电压型PWM可控整流电路作为起动/发电系统中的功率变换器。

依据系统运行状态，永磁起动/发电系统需要完成起动模式与发电模式间的切换。由起动模式到发电模式的切换为例，其过程包括起动模式的退出、切换过程的空载建压以及发电模式的负载稳压三个阶段。如何依据系统运行状态，平稳、快速完成模式切换，是永磁起动/发电系统面临的技术难点，也是确保起动/发电系统正常运行的重要要求。同时，当内燃发动机转速过低，不足以维持电气直流负载功率需求时，也需要永磁起动/发电系统由发电模式切换至起动模式。

但现有文献并没有对永磁起动/发电系统模式切换策略进行详细设计，且已经出现的控制策略在实际运行时会出现较大的负载端电压坠落现象，因此需要对永磁起动/发电系统模式切换策略做出详细设计，并降低其模式切换过程中出现的电压坠落现象。

发明内容

发明目的：

针对上述永磁起动/发电系统模式切换问题，结合永磁起动/发电机及其直流负载端特点，本发明提供了一种考虑电容充放电的永磁起动/发电系统及模式切换方法，它在基于传统模式切换策略的基础上，通过考虑模式切换过程中电容电压变化，合理进行控制策略端与电气负载端的切换，既达到本发明所应用的永磁起动/发电系统模式切换性能指标，又可以降低电压坠落现象。

技术方案：

一种考虑电容充放电的永磁起动/发电系统，所述永磁起动/发电系统中的内燃发动机与永磁起动/发电机相连，永磁起动/发电机与逆变整流器相连，逆变整流器端口与电气负载连接，电气负载为第一负载端并联电容与第三串联开关串联形成的支路、直流电源与第一串联开关形成的支路与直流负载并联的结构，且第三串联开关所在支路与第一串联开关所在支路之间的环路上设置有第二串联开关；永磁起动/发电机连接模式切换控制系统。

进一步的，模式切换控制系统中转速PI调节器的输出端或者电压PI调节器的输出端与q轴电流内环PI控制器的输入端相连，同时，模式切换控制器与电流反Park变换输出端也均与q轴电流内环PI控制器的输入端相连，d轴参考电流给定与电流反Park变换的输出端均与d轴电流内环PI控制器输入端相连，q轴电流内环PI控制器的输出端与q轴电流内环电压补偿结构的输出端均与dq两相旋转坐标系向αβ两相静止坐标系变换的输入端相连，d轴电流内环PI控制器的输出端与d轴电流内环电压补偿结构的输出端均与dq两相旋转坐标系向αβ两相静止坐标系变换输入端相连，dq两相旋转坐标系向αβ两相静止坐标系变换的输出端与SVPWM控制器的输入端相连，SVPWM控制器的输出端与逆变整流器的输入端相连，逆变整流器分别与电压PI调节器和永磁起动/发电机的输入端相连，永磁起动/发电机的输出端分别与电流反Park变换的输入端、dq两相旋转坐标系向αβ两相静止坐标系变换的输入端、转速运算环节的输入端连接，转速运算环节和转速PI调节器的输入端连接。

一种考虑电容充放电的永磁起动/发电系统的控制策略，在模式切换控制系统中，起动模式时参考转速给定信号n

进一步的，模式切换控制器的输入信号为电机实际转速信号n、直流端负载电压U

一种考虑电容充放电的永磁起动/发电系统的模式切换方法，永磁起动/发电系统中模式切换控制系统的模式切换方法为：

系统处于起动模式时：

当起动/发电机转速n达到点火转速n

系统处于切换模式时：

条件①当起动/发电机转速n小于电气负载所需功率的最低转速n

条件②若不满足条件①情况下，当第一负载端并联电容的电压U

若不满足条件①和条件②，则维持系统运行现状，即维持切换模式；

系统处于发电模式时：

当起动/发电机转速n小于未出电气负载所需功率的最低转速n

进一步的，最低转速n

式中，U

本发明优点：

本发明基于第一负载端并联电容的充放电效应，减小了永磁起动/发电系统模式切换过程中出现的电压坠落现象。在切换模式时给予了第一负载端并联电容时间进行充放电。因此与传统切换策略相比，避免了直流端第一负载端并联电容电压U

附图说明

图1是本发明永磁起动/发电系统示意图；

图2是本发明永磁起动/发电机内的控制策略示意图；

图3是本发明模式切换控制器输入输出关系示意图；

图4是本发明模式切换控制器的工作流程图；

图5是对本发明模式切换策略验证时发动机转速n的波形；

图6是对本发明模式切换策略验证时开关信号g

图7是对本发明模式切换策略验证时直流端电压U

图8是对本发明模式切换策略验证时交轴电流i

图9是对本发明模式切换策略验证时直轴电流i

图10是传统模式切换策略电气负载切换连接示意图；

图11是对本发明模式切换策略与传统切换策略对比验证时发动机转速n的波形；

图12是对本发明模式切换策略与传统切换策略对比验证时系统状态的波形；

图13是对本发明模式切换策略与传统切换策略对比验证时直流端电压U

图14是对本发明模式切换策略与传统切换策略对比验证时交轴电流i

图15是对本发明模式切换策略与传统切换策略对比验证时第一负载端并联电容电压U

附图标记说明：

1.内燃发动机；2.永磁起动/发电机；3.逆变整流器；4.第一负载端并联电容；5.第一直流电源；6.第一直流负载；7.第一串联开关；8.第二串联开关；9.第三串联开关；10.转速PI调节器；11.电压PI调节器；12.模式切换控制器；13.q轴电流内环PI调节器；14.d轴电流内环PI调节器；15.q轴电流内环电压补偿结构；16.d轴电流内环电压补偿结构；17.dq两相旋转坐标系向αβ两相静止坐标系变换；18.SVPWM控制器；19.逆变整流器；20.反Park变换；21.转速运算环节；23.第二负载端并联电容；24.第二直流电源；25.第二直流负载；26.第四串联开关；27.第五串联开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施案例做进一步说明。

由于永磁起动/发电系统多运行于起动模式时，为了减重与节约成本，蓄电池容量将不会被设计得足够大。因此，蓄电池无法在起动模式时即为直流负载电容进行充电。当永磁起动/发电系统处于起动模式向发电模式的切换过程时，由于负载并联电容充放电，在切换过程中将不可避免地产生电压坠落现象。因此，在本发明中将在设计的模式切换控制器中，添加对电容充放电进行考虑，以减小切换过程中的电压坠落现象，提高系统性能。

本发明一方面提出了考虑电容充放电的永磁起动/发电系统，永磁起动/发电系统由内燃发动机1、永磁起动/发电机2、逆变整流器3与电气负载组成。

如图1所示，永磁起动/发电系统中各结构连接关系：内燃发动机1与永磁起动/发电机2相连，永磁起动/发电机2与逆变整流器3相连，逆变整流器3负载端并联电气负载，电气负载为电气负载为第一负载端并联电容4与第三串联开关9串联形成的支路、直流电源5与第一串联开关7形成的支路与直流负载6并联的结构，且第三串联开关9所在支路与第一串联开关7所在支路之间的环路上设置有第二串联开关8。永磁起动/发电机2连接模式切换控制系统。

如图2所示，模式切换控制系统中各结构连接关系：参考转速给定与实际转速的输出端均与转速PI调节器10的输入端相连，参考电压给定与实际电压的输出端均与电压PI调节器11的输入端相连，转速PI调节器10的输出端或者电压PI调节器11的输出端与q轴电流内环PI控制器13的输入端相连，当转速PI调节器10的输出端与q轴电流内环PI控制器13的输入端相连时，此时可执行起动模式；当电压PI调节器11的输出端与q轴电流内环PI控制器13的输入端相连时，此时可执行发电模式；同时，模式切换控制器12与电流反Park变换20输出端也均与q轴电流内环PI控制器13的输入端相连，d轴参考电流给定与电流反Park变换20的输出端均与d轴电流内环PI控制器14输入端相连，q轴电流内环PI控制器13的输出端与q轴电流内环电压补偿结构15的输出端均与dq两相旋转坐标系向αβ两相静止坐标系变换17的输入端相连，d轴电流内环PI控制器14的输出端与d轴电流内环电压补偿结构16的输出端均与dq两相旋转坐标系向αβ两相静止坐标系变换17输入端相连，dq两相旋转坐标系向αβ两相静止坐标系变换17的输出端与SVPWM控制器18的输入端相连，SVPWM控制器18的输出端与逆变整流器19的输入端相连，逆变整流器19分别与电压PI调节器11和永磁起动/发电机2的输入端相连，永磁起动/发电机2的输出端分别与电流反Park变换20的输入端、dq两相旋转坐标系向αβ两相静止坐标系变换17的输入端、转速运算环节21的输入端连接，转速运算环节21和转速PI调节器10的输入端连接。

如图2所示，模式切换控制系统的控制策略为：起动模式时参考转速给定信号n

本发明所涉及的永磁起动/发电系统，附图1中永磁起动/发电机2采用永磁同步电机，永磁同步电机dq两相旋转坐标系下的电压电流方程为：

式(1)中，u

根据永磁起动/发电系统运行状态，可分为起动模式、发电模式与切换模式三种。当起动/发电系统处于起动模式时，永磁起动/发电机2作为电动机，受电气负载端直流电源供能，拖动内燃发动机1达到点火转速。经切换过程后，永磁起动/发电系统处于发电模式，永磁起动/发电机作为发电机，受内燃发动机1拖动向电气负载端作功稳压。由上述过程可知，其间涉及到起动模式充当电动机与发电模式充当发电机的永磁起动/发电机控制策略的切换，也涉及负载端直流电源、电气负载并联第一负载端并联电容4的切换。不同模式控制策略切换和负载端结构切换中的模式识别与切换信号输出功能，由模式切换控制器12实现。

基于此本发明提出了模式切换控制器12的切换方法。

根据控制结构切换系统的控制策略以及如图3所示可知，模式切换控制器12的输入信号分别为转速运算环节21输出信号电机转速n和逆变整流器19输出信号直流端负载电压U

本发明所涉及的永磁起动/发电系统共有三种运行状态，分别为：起动模式、发电模式、切换模式。

起动模式：

起动模式为直流负载端电源向永磁起动/发电机2与直流负载6供电，永磁起动/发电机2充当电动机，拖动内燃发动机1达到点火转速。运行于起动/发电系统起动时或发电后内燃发动机1转速不足以维持电气负载所需功率时。

此时模式切换控制器输出开关信号g

发电模式：

发电模式为内燃发动机1拖动永磁起动/发电机2向直流负载6端供电，运行于内燃发动机1达到点火转速后的额定状态时。

此时模式切换控制器输出开关信号g

切换模式：

切换模式为当运行于起动模式的永磁起动/发电系统中的内燃发动机1达到脱离转速，或当运行于发电模式的永磁起动/发电机2转速无法维持电气负载所需功率时，实现起动/发电系统的运行模式作起动模式与发电模式间的切换。

此时模式切换控制器输出开关信号g

将上述所得的永磁起动/发电系统在起动模式与发电模式的异同比较如表1所示，各开关信号在各运行模式下的状态如表2所示。

表1永磁起动/发电系统在起动模式与发电模式的异同

表2各开关信号在各运行模式下的状态

在实现永磁起动/发电系统模式切换时，分别经过模式判断与模式切换两个过程。模式判断根据识别电气负载开关信号依据表2进行判断。模式切换根据系统现运行模式的不同，通过判定切换条件实现切换，模式切换控制器的切换方法，如图4所示，具体如下：

Case1当系统处于起动模式时：

当起动/发电机转速n达到点火转速n

否则，维持系统运行现状，即维持起动模式。

Case2当系统处于切换模式时：

条件①当起动/发电机转速n小于电气负载所需功率的最低转速n

条件②若不满足条件①情况下，当第一负载端并联电容4电压U

若不满足条件①②，则维持系统运行现状，即维持切换模式。

Case3当系统处于发电模式时：

当起动/发电机转速n小于未出电气负载所需功率的最低转速n

否则，维持系统运行现状，即维持发电模式。

其中，永磁起动/发电机转速n不足以维持电气负载所需功率最低转速n

式中，U

本方法中由于考虑了第一负载端并联电容4的充放电效应，在切换模式时给予了第一负载端并联电容4时间进行充放电。因此与传统切换策略相比，避免了直流端第一负载端并联电容4电压U

实施案例：

本发明为了验证本发明所提及的控制策略以及推导结果的正确性，以42极电机为例其相关参数如表3所示。

表3

首先，对本发明所提出的考虑电容充放电的永磁起动/发电系统模式切换策略进行功能验证性分析。模拟内燃发动机(发动机)转速如图5所示：系统起动后将内燃发动机拖动至500r/min的点火转速后，在1.2s时，模拟内燃发动机发生故障，转速突降至300/min，小于维持电气负载所需功率最低转速n

由图5并结合表2可知，永磁起动/发电系统0.15s时由起动模式(mode＝1)切换至切换模式(mode＝2)，在0.645s时由切换模式切换至发电模式(mode＝3)，在1.25s时由发电模式切换至起动模式。

由图6-8可知，0.15s至0.645s期间：永磁起动/发电系统处于切换模式，电气负载仍然由蓄电池供电，因此直流端电压U

在0.645s至1.25s期间，永磁起动/发电系统处于发电模式，在由切换模式切换至发电模式过程中，直流端电压出现了约0.5V的坠落，并很快回升，符合本永磁起动/发电系统的性能需求。交轴电流i

在1.2s至1.25s期间，内燃发动机1发生故障，转速下坠至300r/min，此时处于模式切换控制器的识别阶段，因而系统仍处于发电模式中，即使交轴电流输出增大，但仍无法满足电气负载的功率需求。

在1.25s时，永磁起动/发电系统由发电模式切换至起动模式，此时由永磁起动/发电机2拖动内燃发动机1做功，受负载端蓄电池供电，交轴电流i

由图9可知第一负载端并联电容4充放电在本切换策略中的作用：在0.15s后，第一负载端并联电容4接受磁起动/发电机2充电，但此时并未直接并联到电气负载上。若此时直接与电气负载并联，则负载端电压U

本节将对本发明所提出的考虑第一负载端并联电容4充放电的永磁起动/发电系统模式切换策略与图10所示的传统切换策略进行对比仿真分析。模拟内燃发动机(发动机)转速如图11发生变化：转速维持在500r/min。

图10为传统模式切换策略电气负载切换连接示意图，其中，各结构连接关系：第二负载端并联电容23与第五串联开关27串联，第二直流电源24与第四串联开关26串联，第二负载端并联电容23与第五串联开关27串联形成的支路、第二直流电源24与第四串联开关26串联形成的支路、第二直流负载25并联。开关信号g

由图12并结合表2可知，在传统切换策略下，本发明中的永磁起动/发电系统在0.35s由起动模式直接切换至发电模式；在本发明提出的考虑电容充放电的永磁起动/发电系统模式切换策略下，本发明中的永磁起动/发电系统在0.35s由起动模式切换至切换模式，并在0.7s时由切换模式切换至发电模式。

由图13-15可知，在传统切换策略下，由于直接由起动模式切换至发电模式，因而出现了较为严重的直流端电压U