CN113708678B - 基于谐波发电机的磁阻尼控制方法 - Google Patents

基于谐波发电机的磁阻尼控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及磁阻尼控制技术领域，公开了一种基于谐波发电机的磁阻尼控制方法。该方法包括：利用三相四桥臂变流器将谐波发电机的交流电整流成直流电；利用储能单元通过电容存储直流电；利用电流采样器对谐波发电机的各相集电线圈的电流进行采集；根据采集的各相集电线圈的电流计算各相零序电流值；根据各相零序电流值和各相零序电流指令值通过PI控制得到各相零序电压指令值；根据各相零序电压指令值和谐波发电机的各相发电控制电压指令值得到PWM变流器调制波；对调制波进行PWM调制生成PWM波；通过PWM波控制电力电子开关器件的开断将储能单元中存储的电能转化成各相零序电流阻尼控制值，将各相零序电流阻尼控制值注入至各相集电线圈，以实现磁阻尼控制。

Description

基于谐波发电机的磁阻尼控制方法
技术领域
本发明涉及磁阻尼控制技术领域，尤其涉及一种基于谐波发电机的磁阻尼控制方法。
背景技术
超导电动悬浮式磁悬浮列车是通过车载超导体产生强大的磁场，通过与地面线圈的相互作用，产生推进、悬浮、导向力的。超导悬浮技术的优点有：1、悬浮高度大，一般为100mm以上；2、悬浮无需全域控制；3、外部停电，只要有速度，车辆就不会突然失去悬浮力；4、无需车载励磁电源；5、超导线圈为空心，重量轻。由于超导悬浮技术存在以上优点，因此该技术适合在高速磁悬浮中使用。
由于此悬浮技术的悬浮特性为负阻尼特性，为了减少列车行驶时的振动，需要安装阻尼线圈，通过控制算法控制逆变器向阻尼线圈注入控制电流，来使阻尼线圈产生吸引力、排斥力，进而产生阻尼力减少列车行驶时的振动。
日本山梨试验线采用通过发电PWM变流器向集电线圈注入零序电流实现磁阻尼功能，从而改善超导电动悬浮的负阻尼特性，以谐波发电机发电线圈和PWM变流器来同时实现发电与磁阻尼功能。本文中所述零序电流均为三相中不与三相有关的，通过三相平衡电流求和取平均值得出的电流量。日本山梨试验线在控制磁阻尼控制策略(如图1所示)中，是采用将三相集电线圈采样电流带入以下公式从而得出零序电流值(与各相功率无关的电流，以各相电流平均值求得)。
然后通过零序电流I0与通过车体状态运算得到的零序电流指令值进行比较并通过PI控制，并输出零序控制的电压信号，与谐波发电控制器输出的各相电压信号相加得到PWM变流器输出电压调制波。
当三相平衡时日本现有的控制策略可以满足磁阻尼控制要求，但是当集电线圈产生反电势三相不平衡时，由于谐波发电控制器的控制效果，为了保证集电线圈的高内功率因数输出能量，三相电流会以三相集电线圈的反电势同相位，因此此时的集电线圈三相电流为三相不平衡电流，通过公式(1)无法获得各相实际的零序电流值，也就是无法进行三相不平衡时的磁阻尼控制。
发明内容
本发明提供了一种基于谐波发电机的磁阻尼控制方法，能够解决上述现有技术中的问题。
本发明提供了一种基于谐波发电机的磁阻尼控制方法，其中，该方法包括：
利用三相四桥臂变流器将谐波发电机的交流电整流成直流电，其中所述三相四桥臂变流器的变流器U相桥臂、变流器V相桥臂、变流器W相桥臂分别与谐波发电机的U相集电线圈、V相集电线圈和W相集电线圈连接，所述三相四桥臂变流器的变流器N相桥臂与所述谐波发电机的中性点连接，所述变流器U相桥臂、所述变流器V相桥臂、所述变流器W相桥臂和所述变流器N相桥臂均包括电力电子器件和与电力电子器件反向并联的二极管；
利用储能单元通过电容存储所述直流电，所述电容和所述储能单元并联在所述三相四桥臂变流器的输出侧；
利用电流采样器对所述谐波发电机的各相集电线圈的电流进行采集，所述电流采样器设置在所述谐波发电机和所述三相四桥臂变流器之间；
根据采集的各相集电线圈的电流计算各相零序电流值；
根据各相零序电流值和各相零序电流指令值通过PI控制得到各相零序电压指令值；
根据各相零序电压指令值和谐波发电机的各相发电控制电压指令值得到PWM变流器调制波；
对所述调制波进行PWM调制生成PWM波；
通过所述PWM波控制电力电子开关器件的开断将所述储能单元中存储的电能转化成各相零序电流阻尼控制值，并将各相零序电流阻尼控制值注入至各相集电线圈，从而实现磁阻尼控制。
优选地，根据采集的各相集电线圈的电流计算各相零序电流值包括：
以U相集电线圈的电流为基准建立U相的虚拟三相平衡电流，以V相集电线圈的电流为基准建立V相的虚拟三相平衡电流，以W相集电线圈的电流为基准建立W相的虚拟三相平衡电流；
根据U相的虚拟三相平衡电流计算U相零序电流值，根据V相的虚拟三相平衡电流计算V相零序电流值，根据W相的虚拟三相平衡电流计算W相零序电流值。
优选地，通过下式根据U相的虚拟三相平衡电流计算U相零序电流值：
其中，Iu0为U相零序电流值，Iua为U相的虚拟a相平衡电流，Iub为U相的虚拟b相平衡电流，Iuc为U相的虚拟c相平衡电流；
通过下式根据V相的虚拟三相平衡电流计算V相零序电流值：
其中，Iv0为V相零序电流值，Iva为V相的虚拟a相平衡电流，Ivb为V相的虚拟b相平衡电流，Ivc为V相的虚拟c相平衡电流；
通过下式根据W相的虚拟三相平衡电流计算W相零序电流值：
其中，Iw0为W相零序电流值，Iwa为W相的虚拟a相平衡电流，Iwb为W相的虚拟b相平衡电流，Iwc为W相的虚拟c相平衡电流。
优选地，根据各相零序电流值和各相零序电流指令值通过PI控制得到各相零序电压指令值包括：
对各相零序电流值和各相零序电流指令值按相分别相减得到各相对应的差值；
将各相对应的差值通过PI控制得到各相零序电压指令值。
优选地，根据各相零序电压指令值和谐波发电机的各相发电控制电压指令值得到PWM变流器调制波包括：
对各相零序电压指令值和谐波发电机的各相发电控制电压指令值按相分别相加得到PWM变流器调制波。
优选地，对所述调制波进行PWM调制生成PWM波包括：
将所述调制波与载波进行比较生成PWM波。
优选地，所述载波为三角波。
通过上述技术方案，可以利用谐波发电机和变流器同时实现磁阻尼控制和非接触供电，无需额外增加阻尼线圈即配套阻尼控制器；并且，对于谐波发电机产生的反电势，在三相平衡和三相不平衡下，本发明均可以实现有效的磁阻尼控制。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了现有技术中的一种磁阻尼控制策略的示意图；
图2示出了根据本发明一种实施例的一种基于谐波发电机的磁阻尼控制方法的流程图；
图3示出了根据本发明一种实施例的一种基于谐波发电机的谐波发电变流器的原理图；
图4示出了根据本发明一种实施例的磁阻尼控制策略的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图2示出了根据本发明一种实施例的一种基于谐波发电机的磁阻尼控制方法的流程图。
例如，该方法可以应用于磁悬浮列车的磁阻尼控制。
图3示出了根据本发明一种实施例的一种基于谐波发电机的谐波发电变流器的原理图。
如图2所示，本发明实施例提供了一种基于谐波发电机的磁阻尼控制方法，其中，该方法包括：
S100，利用三相四桥臂变流器将谐波发电机的交流电整流成直流电，
其中，如图3所示，所述三相四桥臂变流器(PWM变流器)的变流器U相桥臂3、变流器V相桥臂4、变流器W相桥臂5分别与谐波发电机1的U相集电线圈、V相集电线圈和W相集电线圈连接，所述三相四桥臂变流器的变流器N相桥臂6与所述谐波发电机的中性点连接，所述变流器U相桥臂、所述变流器V相桥臂、所述变流器W相桥臂和所述变流器N相桥臂均包括电力电子器件2和与电力电子器件2反向并联的二极管；
其中，所述三相四桥臂变流器的变流器N相桥臂6与所述谐波发电机的中性点之间的连接线形成中性线10。每相桥臂可以包括两个电力电子器件2和两个二极管，每个电力电子器件2反向并联一个二极管。
举例来讲，包括三相四桥臂变流器和谐波发电机的基于谐波发电机的谐波发电变流器可以用于实现磁悬浮列车非接触供电。
S102，利用储能单元通过电容存储所述直流电，所述电容7和所述储能单元8并联在所述三相四桥臂变流器的输出侧(直流侧)，如图3所示；
也就是，三相四桥臂变流器的交流侧为相互独立的三相交流电，直流侧共有1个直流电源(储能单元)。
S104，利用电流采样器对所述谐波发电机的各相集电线圈的电流进行采集，所述电流采样器11设置在所述谐波发电机1和所述三相四桥臂变流器之间，如图3所示；
举例来讲，可以在所述变流器U相桥臂3与所述U相集电线圈之间设置一个电流采样器11用于采集U相集电线圈的电流，可以在所述变流器V相桥臂4与所述V相集电线圈之间设置一个电流采样器11用于采集V相集电线圈的电流，以及可以在所述变流器W相桥臂5与所述W相集电线圈之间设置一个电流采样器11用于采集W相集电线圈的电流。
S106，根据采集的各相集电线圈的电流计算各相零序电流值；
S108，根据各相零序电流值和各相零序电流指令值通过PI控制得到各相零序电压指令值；
其中，各相零序电流指令值可以根据例如车体振动传感器(例如，速度传感器、加速度传感器或位置传感器)的测量值预先计算得到。
S110，根据各相零序电压指令值和谐波发电机的各相发电控制电压指令值得到PWM变流器调制波；
其中，谐波发电机的各相发电控制电压指令值可以通过现有的发电控制策略(发电控制算法)得到，本发明不对此进行限定。
S112，对所述调制波进行PWM调制生成PWM波；
S114，通过所述PWM波控制电力电子开关器件的开断将所述储能单元中存储的电能转化成各相零序电流阻尼控制值，并将各相零序电流阻尼控制值注入至各相集电线圈，从而实现磁阻尼控制。
通过上述技术方案，可以利用谐波发电机和变流器同时实现磁阻尼控制和非接触供电(例如，为磁悬浮列车的车载用电设备进行非接触供电)，无需额外增加阻尼线圈即配套阻尼控制器；并且，对于谐波发电机产生的反电势，在三相平衡和三相不平衡下，本发明均可以实现有效的磁阻尼控制。
也就是，本发明不仅适用于交流侧三相平衡电源，同时也适用于三相不平衡电源的控制。并且，可以采用三相四桥臂式变流器对谐波发电机产生的电能进行整流，通过变流器将谐波发电机产生的频率、幅值随车速变化而变化的交流电整流成直流电为车载用电负载(与储能单元并联)9供电。
继续参考图3，图3所示的电路可以包括U相桥臂、V相桥臂、W相桥臂与N相桥臂，分别采样三相电流，并分别对三相单独进行控制，同时通过对N相桥臂进行控制，可以使三相不平衡电流以及三相零序电流之和通过N相通路流过，实现三相不平衡下的零序电流控制。
如图3所示，所述谐波发电机1各相集电线圈可以采用星接方式。
其中，所述电力电子器件2为绝缘栅门极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。例如，所述MOSFET可以为SiC-MOSFET(碳化硅MOSFET)。所述储能单元9可以为蓄电池组。
本领域技术人员应当理解，上述关于电力电子器件2的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。
根据本发明一种实施例，根据采集的各相集电线圈的电流计算各相零序电流值包括：
以U相集电线圈的电流为基准建立U相的虚拟三相平衡电流，以V相集电线圈的电流为基准建立V相的虚拟三相平衡电流，以W相集电线圈的电流为基准建立W相的虚拟三相平衡电流；
根据U相的虚拟三相平衡电流计算U相零序电流值，根据V相的虚拟三相平衡电流计算V相零序电流值，根据W相的虚拟三相平衡电流计算W相零序电流值。
根据本发明一种实施例，
通过下式根据U相的虚拟三相平衡电流计算U相零序电流值：
其中，Iu0为U相零序电流值，Iua为U相的虚拟a相平衡电流，Iub为U相的虚拟b相平衡电流，Iuc为U相的虚拟c相平衡电流；
通过下式根据V相的虚拟三相平衡电流计算V相零序电流值：
其中，Iv0为V相零序电流值，Iva为V相的虚拟a相平衡电流，Ivb为V相的虚拟b相平衡电流，Ivc为V相的虚拟c相平衡电流；
通过下式根据W相的虚拟三相平衡电流计算W相零序电流值：
其中，Iw0为W相零序电流值，Iwa为W相的虚拟a相平衡电流，Iwb为W相的虚拟b相平衡电流，Iwc为W相的虚拟c相平衡电流。
根据本发明一种实施例，根据各相零序电流值和各相零序电流指令值通过PI控制得到各相零序电压指令值包括：
对各相零序电流值和各相零序电流指令值按相分别相减得到各相对应的差值；
将各相对应的差值通过PI控制得到各相零序电压指令值。
根据本发明一种实施例，根据各相零序电压指令值和谐波发电机的各相发电控制电压指令值得到PWM变流器调制波包括：
对各相零序电压指令值和谐波发电机的各相发电控制电压指令值按相分别相加得到PWM变流器调制波。
根据本发明一种实施例，对所述调制波进行PWM调制生成PWM波包括：
将所述调制波与载波进行比较生成PWM波。
其中，所述载波可以为三角波。
图4示出了根据本发明一种实施例的磁阻尼控制策略的示意图。
如图4所示，通过对采样的三相不平衡电流(Iu，Iv，Iw)，分别进行运算，分别计算出以各相为A相基准的三相平衡电流(U相：Iua，Iub，Iuc；V相：Iva，Ivb，Ivc；W相：Iwa，Iwb，Iwc；)，再通过公式(2)、(3)、(4)实时计算出三相各相的零序电流值(Iu0；Iv0；Iw0)，并且分别与零序电流指令值(I0_ref)求差，再通过PI控制器，分别生成三相零序电压指令值再将生成的零序电压指令值与谐波发电机发电控制算法生成的各相发电控制电压指令值相加获得PWM调制波。
其中，对于谐波发电机的各相发电控制电压指令值的生成，例如可以通过如下方式：可以利用电流采样器11采集的电流作为控制量参与控制，基于该控制量和相应的控制策略可以得出满足高功率因数和输出功率要求时所需输出电压，以作为调制波与载波(三角波)进行比较可以得到PWM波，通过PWM波控制电力电子器件的导通和关断，从而控制三相四桥臂变流器交流侧输出电压，因此三相四桥臂变流器的U相、V相、W相分别相当于可控三相交流电源。也就是，通过相应的控制算法可以实现交流侧高功率因数和满足直流侧输出功率要求。
本领域技术人员应当理解，虽然本发明上述实施例仅描述了三相的情况，但其仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。例如，对于四相等更多的相，无论是三相平衡还是三相不平衡同样适用。
从上述实施例可以看出，谐波发电机根据发电控制算法控制PWM变流器完成谐波发电机发电功能，将谐波发电机各个集电线圈产生的交流电整流成直流电，为直流电源进行充电，功率流向从交流侧流向直流电源。由此，可以实现对用电设备的非接触供电。零序电流控制算法控制PWM变流器完成磁阻尼功能，将直流电源的电能转化成零序电流分别向谐波发电机各个集电线圈里注入，通过注入零序电流在集电线圈上产生阻尼力从而实现阻尼控制，功率流向从直流电源流向谐波发电机。由此，可以在谐波发电机三相不平衡下，实现各相零序电流的获取，并进行零序电流注入以实现磁阻尼功能。
也就是，谐波发电机产生的电能为车载各用电设备供电的同时，也可以通过同一组PWM变流器控制谐波发电机产生磁力来实现磁阻尼功能。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于谐波发电机的磁阻尼控制方法，其特征在于，该方法包括：
利用三相四桥臂变流器将谐波发电机的交流电整流成直流电，其中所述三相四桥臂变流器的变流器U相桥臂、变流器V相桥臂、变流器W相桥臂分别与谐波发电机的U相集电线圈、V相集电线圈和W相集电线圈连接，所述三相四桥臂变流器的变流器N相桥臂与所述谐波发电机的中性点连接，所述变流器U相桥臂、所述变流器V相桥臂、所述变流器W相桥臂和所述变流器N相桥臂均包括电力电子器件和与电力电子器件反向并联的二极管；
利用储能单元通过电容存储所述直流电，所述电容和所述储能单元并联在所述三相四桥臂变流器的输出侧；
利用电流采样器对所述谐波发电机的各相集电线圈的电流进行采集，所述电流采样器设置在所述谐波发电机和所述三相四桥臂变流器之间；
根据采集的各相集电线圈的电流计算各相零序电流值；
根据各相零序电流值和各相零序电流指令值通过PI控制得到各相零序电压指令值；
根据各相零序电压指令值和谐波发电机的各相发电控制电压指令值得到PWM变流器调制波；
对所述调制波进行PWM调制生成PWM波；
通过所述PWM波控制电力电子开关器件的开断将所述储能单元中存储的电能转化成各相零序电流阻尼控制值，并将各相零序电流阻尼控制值注入至各相集电线圈，从而实现磁阻尼控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据采集的各相集电线圈的电流计算各相零序电流值包括：
以U相集电线圈的电流为基准建立U相的虚拟三相平衡电流，以V相集电线圈的电流为基准建立V相的虚拟三相平衡电流，以W相集电线圈的电流为基准建立W相的虚拟三相平衡电流；
根据U相的虚拟三相平衡电流计算U相零序电流值，根据V相的虚拟三相平衡电流计算V相零序电流值，根据W相的虚拟三相平衡电流计算W相零序电流值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
通过下式根据U相的虚拟三相平衡电流计算U相零序电流值：
其中，Iu0为U相零序电流值，Iua为U相的虚拟a相平衡电流，Iub为U相的虚拟b相平衡电流，Iuc为U相的虚拟c相平衡电流；
通过下式根据V相的虚拟三相平衡电流计算V相零序电流值：
其中，Iv0为V相零序电流值，Iva为V相的虚拟a相平衡电流，Ivb为V相的虚拟b相平衡电流，Ivc为V相的虚拟c相平衡电流；
通过下式根据W相的虚拟三相平衡电流计算W相零序电流值：
其中，Iw0为W相零序电流值，Iwa为W相的虚拟a相平衡电流，Iwb为W相的虚拟b相平衡电流，Iwc为W相的虚拟c相平衡电流。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据各相零序电流值和各相零序电流指令值通过PI控制得到各相零序电压指令值包括：
对各相零序电流值和各相零序电流指令值按相分别相减得到各相对应的差值；
将各相对应的差值通过PI控制得到各相零序电压指令值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据各相零序电压指令值和谐波发电机的各相发电控制电压指令值得到PWM变流器调制波包括：
对各相零序电压指令值和谐波发电机的各相发电控制电压指令值按相分别相加得到PWM变流器调制波。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述调制波进行PWM调制生成PWM波包括：
将所述调制波与载波进行比较生成PWM波。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述载波为三角波。
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