一种混合励磁同步发电机励磁控制系统及联合仿真方法

本发明涉及发电机，具体涉及一种混合励磁同步发电机励磁控制系统及联合仿真方法。

背景技术：

1、发电机励磁控制指在电力系统中，用来维持同步发电机的稳定运行和功率因数的控制的一种重要技术。在电力系统中，发电机的稳定性对于保持系统的频率和电压是至关重要的，通过调节发电机的励磁电流，以确保发电机在不同负载条件下能够稳定运行，并且输出的电压和频率符合电网要求。励磁控制系统控制发电机的励磁电流，以确保发电机在各种负荷变化和外部干扰条件下能够稳定运行。对发电机的运行可靠性、经济性有直接的影响。

2、励磁控制系统一般由励磁功率变换单元和励磁控制单元两个主要部分组成。其中励磁功率变换单元是调节流过同步发电机定子三次谐波绕组中电流的大小，为同步发电机提供励磁功率，而励磁控制单元则是根据控制要求的输入信号和给定的参考，使混合励磁同步发电机稳定在相对平衡的状态。

3、现有励磁功率变换单元存在多种形式，但是现有技术中存在三次谐波励磁调节电压范围较窄、体积大、励磁功率利用率低下等问题，难以满足基于三次谐波励磁的混合励磁同步发电机的励磁要求。而现有控制策略当中对于控制对象混合励磁发电机的建模是较为复杂的，因此对于仿真的搭建以及控制器的参数确定也相继带来了困难。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种混合励磁同步发电机励磁控制系统及联合仿真方法，提出集成有源功率因数校正（apfc）与半桥llc谐振变换器功能的新型电路调节励磁电流，利用混合励磁同步发电机中固有的三次谐波能量，解决了传统三次谐波励磁同步发电机励磁功率不足的问题，也提高了三次谐波绕组输出功率因素。并提出了利用模态分配单元进行开关的复用减少了器件个数，提升了整体的效率，针对混合励磁同步发电机数学模型难以建立的问题提出了一种基于simulink、simplore与maxwell下的联合仿真。也有效避免了建立复杂模型，且结果更加具有说服性，能减少现实原型的迭代次数，更贴近于现实。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案。

3、本发明所述的一种混合励磁同步发电机励磁控制系统，包括励磁功率变换单元、励磁控制单元构成。励磁功率变换单元采用拓扑结构，集成apfc与半桥llc谐振变换器功能；所述励磁功率变换单元包括电源输入转换单元、升压输入电感l1、第一开关管q1、第二开关管q2、电容c1、谐振电感l2、谐振电容c2、电感l3、变压器原边励磁电感lm、第一二极管vd1、第二二极管vd2、第三二极管vd3、滤波电容c3、负载电阻r0、第一pwm信号发生器、第二pwm信号发生器及模态分配单元。

4、电源输入转换单元的一端连接升压输入电感l1的输入端，电源输入转换单元的另一端连接电容c1的一端，升压输入电感l1的输出端分别连接第一开关管q1的第一端和半桥llc谐振变换器的输入端，第一开关管q1的第二端分别连接第二开关管q2的第一端和电容c1的一端，第二开关管q2的第一端连接谐振腔的一端，第二开关管q2的第二端连接电容c1及谐振腔的另一端；谐振腔由谐振电感l2、电感l3和谐振电容c2组成，谐振腔的两端连接变压器原边励磁电感lm，谐振电感l2和谐振电容c2与变压器串联，电感l3与变压器并联，变压器副边电感上端连接第二二极管vd2的输入端、下端连接第三二极管vd3的输入端，第二二极管vd2与第三二极管vd3的输出端连接滤波电容c3的输入端，变压器副边电感的二等分点引出线连接滤波电容c3的输出端，电容c3并连负载电阻r0；第二开关管q2的两端反并联第二极管vd1。

5、所述的励磁控制单元主要由模态分配单元和pwm信号发生器组成。模态分配单元根据有源功率因数校正及半桥llc谐振变换器要求，将第一pwm信号发生器及第二pwm信号发生器结合数字逻辑门发出第一开关管q1、第二开关管q2的输入信号，第一pwm信号发生器和第二pwm信号发生器根据模态分配指示产生第一复合pwm信号s1，第一复合pwm信号s1输入第一开关管q1的第三端，第二pwm信号发生器和第一pwm信号发生器根据模态分配指示产生第二复合pwm信号s2，第二复合pwm信号s2输入第二开关管q2的第三端；第一复合pwm信号s1和第二复合pwm信号s2分别控制第一开关管q1和第二开关管q2的导通状态，使得升压输入电感l1的电感电流跟随电源输入转换单元的输入电压变化，实现有源功率因数校正，半桥llc谐振变换器实现三次谐波绕组电流宽输出调节范围。

6、所述的第一复合pwm信号s1和第二复合pwm信号s2的生成过程是，给定电容c1电压参考值vref与电容c1实际电压反馈信号进行比较，误差经过外环电压pi控制器，将外环电压pi控制器的输出作为内环升压输入电感l1电流的参考值，连接乘法器的第一输入端，乘法器的第二输入端输入信号 u g/ u gm，ugm代表的是电源转换单元输出电压ug的最大值，乘法器的输出端与升压输入电感l1的电流反馈值il1进行比较误差经过内环电流pi控制器一端，内环电流pi控制器的输出端连接第一运算放大电路的正端，第一运算放大电路的负端输入为锯齿载波，第一运算放大电路的输出端输出第一pwm信号p1；给定滤波电容c3电压参考值vref1与滤波电容c3实际电压反馈信号进行比较，误差经过pi控制器的输入端，pi控制器的输出端连接第二运算放大电路的正端，第二运算放大电路的负端输入锯齿载波，第二运算放大电路的输出端输出第二pwm信号p2；数字逻辑门包括或门电路、与非门电路、非门电路；第一运算放大电路产生的第一pwm信号p1与第二运算放大电路产生的第二pwm信号p2均输入至或门电路，或门电路的输出信号为第一复合pwm信号s1；同时第二pwm信号p2输入至非门电路，非门电路的输出与第一pwm信号p1共同作为与非门电路的输入，与非门电路的输出作为第二复合pwm信号s2。在本技术方案中，三次谐波绕组可理想等效为一个交流电源，为整个电路提供所需要的电压，有缘功率因素校正apfc电路与半桥llc谐振变换器通过复用开关管q1，结构上减少了开关管的数量，功能上集成了二者拓扑的功能，使得输入电感l1的电感电流跟随三次谐波绕组电流大小变化，实现有源功率因素校正，利用半桥llc谐振变换器实现三次谐波绕组电流宽输出调节范围。

7、本发明第一开关管q1及第二开关管q2三种工作模态下的状态。

8、当第一开关管q1及第二开关管q2均开通时，交流输入电源ac输入的交流正弦波转化为拱波后为升压输入电感l1充电，升压输入电感l1的电感电流il1上升，第一二极管vd1关断、第二二极管vd2关断、第三二极管vd3关断，谐振电容c2、滤波电容c3无初始储能。

9、当第一开关管q1开通，第二开关管q2关断时，交流输入电源ac与升压输入电感l1串联后向电容c1充电，升压输入电感l1所储存的能量释放存储至电容c1中，升压输入电感l1的电感电流il1先上升后下降；电容c1电压vc1增大且向谐振腔释放能量，谐振电感l2充电，谐振电容c2充电，谐振腔的能量经过变压器原边励磁电感lm传递能量至副边，第二二极管vd2导通给电阻r0提供能量，第三二极管vd3关断，滤波电容c3滤波，第一二极管vd1关断起到保护电源部分不受反向电流。

10、当第一开关管q1关断，第二开关管q2开通时，谐振电容c2与谐振电感l2释放能量经过变压器原边励磁电感lm传递能量至副边，第二二极管vd2关断，第三二极管vd3导通给电阻r0提供能量，滤波电容c3滤波，第一二极管vd1关断起到保护电源部分不受反向电流。

11、本发明第一开关管q1及第二开关管q2三种工作模态下的状态的更详细的描述：

12、给定升压电路的平均电流值，调节第一复合pwm信号s1为高电平，第二复合pwm信号s2也为高电平，第一开关管q1与第二开关管q2均处于开通模态，升压输入电感l1的电感电流il1上升。当升压输入电感l1的电感电流il1大于平均电流值时，调节第二复合pwm信号s2为高电平，保持第一复合pwm信号s1为低电平，第一开关管q1处于开通模态、第二开关管q2处于关断模态，升压输入电感l1的电流il1下降。当升压输入电感l1的电感电流il1小于平均电流值时，调节第二复合pwm信号s2为高电平，保持第一复合pwm信号s1为高电平，第一开关管q1与第二开关管q2均处于开通模态，升压输入电感l1的电感电流il1上升，使得升压输入电感l1的电感电流il1跟随平均电流值变换，实现有源功率因数校正。

13、调节第一复合pwm信号s1和第二复合pwm信号s2的电平高低状态的逻辑表达式为： s1= p1+ p2；；其中s1表示第一复合pwm信号，s2表示第二复合pwm信号，表示第二pwm信号取“非”。

14、调节第一复合pwm信号s1为低电平，第二复合pwm信号s2为高电平时，第一开关管q1处于关断模态，第二开关管q2处于开通模态，将开关器件频率设定为谐振频率，此时半桥llc谐振变换器工作在谐振频率，能够实现三次谐波绕组电流宽输出调节范围。

15、调节第一复合pwm信号s1和第二复合pwm信号s2的电平高低状态的逻辑表达式为： s1= p1+ p2；；其中s1表示第一复合pwm信号，s2表示第二复合pwm信号，表示第二pwm信号取“非”。

16、需要说明的是，利用第一复合pwm信号发生器以及第二复合pwm信号发生器产生与模态分配单元逻辑复合的脉冲信号用于控制励磁拓扑结构，模态分配的作用是及要实现三次谐波输出功率因素校正的作用，在此前提下实现三次谐波电流宽范围调节。为了实现有缘功率因素校正，需先将第一开关管q1与第二开关管q2同时触发，随着电感电流超过给定的平均值，此时q1开通，q2关断，在此工作模态下会导致电感电流下降，从而再次转变为q1与q2同时导通，如此重复完成电感电流跟随平均电流值，即周期性地完成有源功率因数校正。在保证有缘功率因素校正的作用之后，为实现三次谐波电流宽范围调节，在一个周期内，将有源功率因素校正第二部分模态分出两部分时间去维持半桥llc谐振变换器的工作状态，即第一开关管q1开通和第二开关管q2关断所表示的模态涵盖时间分出一部分时间维持llc谐振变换器的两个模态，其中一部分保持开关管q1开通开关管q2关断剩下一部分分配给第一开关管q1关断，第二开关管q2开通所表示地模态，分出的两部分时间共同去完成三次谐波电流宽范围调节功能。

17、即在一个周期内首先进入开关管q1与q2均导通所表示的模态，进而进入开关管q1开通和q2关断的模态，最后进入开关管q1关断q2导通所表示的模态，随后不断重复周期，以完成三次谐波输出功率因数校正及三次谐波输电流宽范围调节功能。

18、本发明所述的一种混合励磁同步发电机励磁控制系统的联合仿真方法，所述联合仿真方法中，在simulink中搭建双闭环控制部分，在maxwell当中搭建一台三次谐波无刷混合励磁同步发电机模型，在simplore当中搭建励磁功率变换单元；通过调取检索路径，将三个软件模型集成在simplore中，其中外环电枢电压连接bc两相间的线电压，通过改变外接电阻负载使得混合励磁同步发电机机端线电压保持不变。

19、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点。

20、（1）本发明通过将apfc与半桥llc谐振变换器共用两个开关管集成，达到了复用开关的作用，减少了开关及二极管数量。利用两路pwm信号结合数字逻辑门生成两路开关信号，使得升压电路中的电感跟随输入电压的变化，实现有源功率因数校正。三次谐波绕组电压是电枢电压三倍频率的交流电，可以将其理想等效为交流电压源。由于引入apfc集成半桥llc谐振变换器既提高了三次谐波输出功率因数，也实现了三次谐波绕组输出电流的宽范围调节。这一结构能够最大化利用三次谐波能量利用率，从而解决三次谐波在混合励磁同步发电机复励控制的过程中效率低下，且混合励磁电机励磁功率不足的问题。

21、（2）本发明基于一台三次谐波无刷混合励磁同步发电机，对其励磁拓扑即控制策略以及联合仿真进行研究，以联合仿真混合励磁同步发电机励磁闭环控制的结果模拟混合励磁同步发电机在现实当中对其励磁控制。联合仿真能更加精细化电机的电磁性质以及考虑电机现实工况，也避免复杂的建模过程。为模拟不同负载情况下的混合励磁同步发电机的建模提供了解决方案。

22、（3）本发明以谐波无刷混合励磁同步发电机端电压以及三次谐波输出电流为外环与内环的反馈信号，通过调节定子三次谐波绕组中的感应电流，提高了发电机端电压在不同负载下的稳定性，改善了电网电压质量。