本发明涉及交流励磁系统的电流调节器的,具体涉及一种交流励磁系统的电流调节器的设计方法及装置。
背景技术:
1、交流励磁系统在变速抽水蓄能机组中具有至关重要的作用,负责控制机组的有功/无功功率、转速等,能够实现变速恒频发电、电动等多种工况的运行与切换,大大提高了电力系统调度的灵活性。交流励磁系统与双馈异步电机(doubly-fed inductive machine,dfim)的转子直接相连,表现为一个可控电压源,因此对其关注的重点就是转子电流的调节性能。
2、随着现代工业应用对调速系统的性能以及控制精度要求的提高,矢量控制技术被广泛应用于需要对交流电机进行高性能控制的场合。矢量控制在转子磁场定向的同步旋转坐标系下将定子电流分解为励磁分量和转矩分量,再利用pi调节器实现对二者的独立调节,最后利用空间矢量脉宽调制(svpwm)等脉冲调制算法综合参考电压,从而实现交流电机的高性能控制。但是,电气量变换到同步坐标系时会在d、q轴之间产生交叉耦合,该耦合项与同步角频率成正比,传统的线性pi调节器不能实现完全独立设计。
3、由于交流励磁系统中,转子电流在正序同步旋转dq坐标系下表现为直流分量,因此可以通过比例-积分(proportional-integral,pi)电流调节器实现无静差的调节。通过分别对dq轴的电流进行调节,能够实现励磁分量与转矩分量的解耦控制,以提高系统的运行性能。然而,dfim的转子被控对象模型在dq坐标系下会出现交叉耦合项,导致dq轴电流在动态过程中相互影响,这是矢量控制所不期望的特性。
4、为了抑制dq轴耦合对转子电流动态性能的影响,现有技术中常用的做法是采用dq轴电流的交叉解耦控制策略,但是这种简单的交叉解耦仅考虑了电机连续域模型下存在的耦合,并未考虑交流励磁系统的数字控制延时所引起的耦合,虽然在高开关频率下该耦合可以忽略,但是变速抽水蓄能机组的交流励磁系统容量较大,受限于电力电子器件的性能和散热限制,开关频率通常取得较低(500hz~1.5khz),控制周期较长,数字控制延时引起的耦合效应加剧导致电流调节器的电流控制性能恶化,甚至不能稳定。因此,通过现有技术去设计的pi电流调节器只能被迫将控制带宽降低,导致机组的动态性能进一步下降,影响励磁系统的动态性能。
5、现有的电流调节器的设计方法使得电流调节器,无法满足开关频率低且控制周期长的交流励磁系统的电流控制需求,为此,亟需发明一种能够满足开关频率较低且控制周期长的,同时消除耦合效应的电流调节器的设计方法。
技术实现思路
1、为了克服上述现有的电流调节器不适用于交流励磁系统的技术缺陷,本发明提供一种在离散域实施电流调节器的设计,以避免在连续域设计的电流调节器,以实现dp轴解耦,进而适用于交流励磁系统中。
2、为了解决上述问题,本发明按以下技术方案予以实现的:
3、第一方面,本发明公开一种交流励磁系统的电流调节器的设计方法,包括以下步骤:
4、步骤s1:获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据;
5、步骤s2:基于电气量数据,得到dfim转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型;
6、步骤s3:针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消;
7、步骤s4:补偿一拍延时引起的耦合,最终构造转子电流调节器的传递函数;
8、步骤s5:基于dfim转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型和最终构造的转子电流调节器的传递函数,得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数;
9、步骤s6:基于闭环传递函数,获得基于离散域设计的复矢量电流调节器。
10、作为本发明的一种优选实施方式,所述电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据包括定子磁链d轴分量、定子磁链q轴分量、转子磁链d轴分量、转子磁链q轴分量、定子电流的d轴分量、定子电流的q轴分量、转子电流的d轴分量、转子电流的q轴分量、定子电压的d轴分量、定子电压的q轴分量、转子电压的d轴分量和转子电压的q轴分量。
11、作为本发明的一种优选实施方式,所述定子磁链d轴分量、定子磁链q轴分量、转子磁链d轴分量和转子磁链q轴分量通过dfim磁链方程分别计算获得;
12、所述dfim磁链方程具体为:
13、其中,所述ψsd为定子磁链d轴分量,所述ψsq定子磁链q轴分量,所述ψrd为转子磁链d轴分量,所述ψrq为转子磁链q轴分量,所述isd为定子电流的d轴分量,所述isq为定子电流的q轴分量,所述ird为转子电流的d轴分量,所述irq为转子电流的q轴分量,所述lm为定子转子同轴等效绕组间的互感,所述ls为定子等效两相绕组间的自感,所述lr为转子等效两相绕组间的自感。
14、作为本发明的一种优选实施方式,所述定子电压的d轴分量、定子电压的q轴分量、转子电压的d轴分量和转子电压的q轴分量通过dfim电压方程分别计算获得;
15、所述dfim电压方程具体为:
16、其中,所述usd为定子电压的d轴分量,所述usq为定子电压的q轴分量,所述urd为转子电压的d轴分量,所述urq为转子电压的q轴分量,所述rs为定子的电阻,所述rr为转子的电阻,rs和rr均折算至定子侧,所述ω为定子同步速角频率,所述ωslip为转差角频率,且ωslip=ω-ωr,所述ωr为转子电角频率。
17、作为本发明的一种优选实施方式,所述获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据后,还包括:
18、将所有电气量数据写为复矢量形式;
19、具体复矢量形式为:
20、在同步旋转dp坐标系下,处于稳态时各变量均为直流且导数均为0,由此可以得到usdq=rsisdq+jωψsdq,其中j为虚数因子;
21、当矢量控制策略基于定子电压定向方式实施,即d轴以定子电压定向时,使usd=us即定子电压幅值,usq=0,忽略定子电阻的压降后,可得到
22、结合后得到转子电压表达式,具体为
23、其中,所述为dfim的漏磁系数;
24、将转子电压表达式写为复矢量形式,即
25、其实所述其中erdq为等效转子反电势。
26、作为本发明的一种优选实施方式,所述基于电气量数据,得到dfim转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型,具体包括:
27、基于电气量数据和转子电压表达式,获得同步旋转dq坐标系下的dfim转子被控对象的复矢量模型;
28、静止坐标系下的dfim转子复矢量传递函数,对dfim转子被控对象的复矢量模型进行离散化,获得离散域被控对象模型;
29、基于离散域被控对象模型进行转换,得到同步旋转dq坐标系下的dfim转子被控对象的离散化模型;
30、消除环路延时的影响,得到dfim转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型。
31、作为本发明的一种优选实施方式,各步骤的具体运算步骤如下:
32、根据复矢量形式的转子电压表达式,得同步旋转dq坐标系下的dfim转子被控对象的复矢量模型为
33、为简化离散化分析步骤,假定ωslip=0,得到静止坐标系下的dfim转子复矢量传递函数为其中,上标s表示静止坐标系,下标αβ代表静止两相坐标系下α,β轴的分量;
34、在静止坐标系下采用零阶保持器的方法对dfim模型进行离散化处理,以获得离散域被控对象模型为
35、其中,t为系统的采样与控制周期,由于矢量控制需要在同步旋转dq坐标系下实现,为了得到同步旋转坐标系下的离散域模型,需要将静止坐标系下的离散域模型写成差分方程的形式并乘以离散化的旋转因子,以获得
36、其中,θ[k+1]=θ[k]+ωslip[k]t为第k+1个周期坐标变换的角度;
37、静止αβ坐标系与同步旋转dq坐标系间的变换关系为
38、将变换关系代入后可以得到同步旋转dq坐标系下dfim转子被控对象的离散化模型为
39、考虑环路延时带来的影响,由于离散化已经包含了零阶保持器环节,此处仅需考虑电流调节器一拍延时,静止坐标系下一拍延时环节为z-1,转换至同步旋转坐标系下为与结合后可得到dfim转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型。
40、作为本发明的一种优选实施方式,所述针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消;补偿一拍延时引起的耦合,最终构造转子电流调节器的传递函数,具体包括:
41、基于同步旋转dq坐标系下dfim转子被控对象的离散化模型,即针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点将其对消;
42、然后补偿一拍延时引起的耦合,将指令电压旋转一个控制周期对应的相位角;
43、最终构造转子电流调节器的传递函数为其中,所述k为电流环的开环增益,通过调节k值以调节系统阻尼。
44、作为本发明的一种优选实施方式,所述基于dfim转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型和最终构造的转子电流调节器的传递函数,得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数,具体包括:
45、基于以及以得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数
46、另一方面,本发明还公开一种交流励磁系统的电流调节器的设计装置,包括:
47、数据获取模块m1,其用于获取交流励磁系统中电动机的同步旋转dp坐标系的电气量数据;
48、离散模型模块m2,其用于基于电气量数据,得到dfim转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型;
49、零点消除模块m3,其用于针对引起耦合的复极点设计电流调节器的零点以将其对消;
50、延时消除模块m4,其用于补偿一拍延时引起的耦合,最终构造转子电流调节器的传递函数;
51、闭环函数模块m5,其用于基于dfim转子电流被控对象基于复矢量的离散化模型和最终构造的转子电流调节器的传递函数,得到复矢量电流调节器系统的闭环传递函数;
52、最终设计模块m6,其用于基于闭环传递函数,获得基于离散域设计的复矢量电流调节器。
53、与现有技术相比,本发明的有益效果是:
54、本发明直接在离散域实施电流调节器的设计,避免了在连续域设计电流调节器后的离散化步骤,使得电流调节器的引起耦合的零点得到消除,并补偿一拍延时引起的耦合,以获得复矢量电流调节器系统的闭环传递函数,进而使得采用该闭环传递函数设计的复矢量电流调节器能够消除dp轴耦合,以满足开关频率低且控制周期长的交流励磁系统的电流控制需求。
55、本发明中,基于离散域设计的复矢量电流调节器解决了旋转坐标系及数字延时引入的dq轴耦合,其闭环传递函数中不含有虚数因子,且dq轴不再互相影响。使得电流调节器无论采样频率如何变化,该电流调节器均能正确抵消被控对象的极点实现解耦。