本發(fā)明屬于電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制領(lǐng)域，具體地說(shuō)是超級(jí)電容功率控制的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、航空業(yè)每年排放超9億公噸的二氧化碳，在航空運(yùn)輸市場(chǎng)的日益發(fā)展下，二氧化碳排放量也將隨之增加，隨著電動(dòng)汽車(chē)普及率的提高，地面交通排放的溫室氣體逐步減少，因此，環(huán)境受到航空交通污染的現(xiàn)象進(jìn)一步凸顯。空中交通量的持續(xù)增長(zhǎng)、順應(yīng)時(shí)代對(duì)航空性能的需求以及降低運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本的需求，都促使航空工業(yè)向多電方向迭代。

2、電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)(doubly?salient?electromagnetic?machine,dsem)成為了多電飛機(jī)主電源的研究和發(fā)展的方向。根據(jù)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的作用以及達(dá)到的效果不同，可將其分為電勵(lì)磁雙凸極電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)；作為發(fā)電機(jī)時(shí)，常用的整流方法包括不控整流(diode?rectifier，dr)和可控整流。不控整流橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需位置傳感器，體積小、有較高的功率密度；對(duì)需要依賴(lài)高可靠性的航空發(fā)電系統(tǒng)有著更好的應(yīng)用前景。

3、隨著時(shí)代的發(fā)展，更多的多電飛機(jī)采用帶有功率變換器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置作為恒功率負(fù)載(constantpower?load，cpl)，因此也對(duì)飛機(jī)的動(dòng)態(tài)性能也提出了更高的要求。由于系統(tǒng)能量流動(dòng)單向性和cpl的能量回饋特性，在突加或突卸負(fù)載時(shí)，會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，對(duì)部分用電設(shè)備會(huì)造成影響。因此在多電飛機(jī)中加入儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓、確保用電負(fù)載和發(fā)電機(jī)間的功率平衡，優(yōu)化多電飛機(jī)的動(dòng)態(tài)性能就顯得十分重要。超級(jí)電容(supercapacitor，sc)相較于傳統(tǒng)蓄電池，具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，短時(shí)間內(nèi)可以釋放大量的電量，并在很短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定電網(wǎng)電壓至有效值，在電網(wǎng)中建立超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用有效的方法，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性控制，可達(dá)到提高多電飛機(jī)動(dòng)態(tài)性能的目標(biāo)。

4、目前，超級(jí)電容在多電飛機(jī)的發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用與研究尚處在探索階段，利用超級(jí)電容的特質(zhì)提高電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能對(duì)未來(lái)航空發(fā)電系統(tǒng)的研究及探索的意義重大，這種應(yīng)用有望提升發(fā)電系統(tǒng)在高速飛行或急劇負(fù)載變化時(shí)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，從而提高整個(gè)航空電力系統(tǒng)的可靠性和效率，推動(dòng)未來(lái)航空電力系統(tǒng)向更高效的方向發(fā)展。

5、與現(xiàn)有技術(shù)相比區(qū)別如下：

6、與專(zhuān)利cn115800842a“優(yōu)化動(dòng)態(tài)性能的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)失磁容錯(cuò)發(fā)電控制方法”的技術(shù)對(duì)比

7、專(zhuān)利cn115800842a提出了一種優(yōu)化動(dòng)態(tài)性能的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)失磁容錯(cuò)發(fā)電控制方法，旨在完成提高失磁發(fā)電時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。本專(zhuān)利提出了一種超級(jí)電容功率控制的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化方法，旨在完成在電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制提高正常發(fā)電時(shí)的動(dòng)態(tài)性能。兩者的技術(shù)目標(biāo)存在本質(zhì)區(qū)別。

8、專(zhuān)利cn115800842a通過(guò)由電壓環(huán)pi調(diào)節(jié)器輸出電流調(diào)節(jié)量作為誤差調(diào)節(jié)，同時(shí)設(shè)計(jì)前饋控制輸出前饋電流，完成電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)發(fā)電的控制；本專(zhuān)利在電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中建立超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)功率控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)母線(xiàn)電壓的精確調(diào)節(jié)，兩者的技術(shù)思路存在本質(zhì)區(qū)別。

9、專(zhuān)利cn115800842a由電壓環(huán)pi調(diào)節(jié)器輸出電流調(diào)節(jié)量作為誤差調(diào)節(jié)，同時(shí)引入前饋控制輸出前饋電流，屬于控制方法的改進(jìn)；本專(zhuān)利基于實(shí)時(shí)變化的電阻和電流構(gòu)建功率外環(huán)的控制方法，屬于控制的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。兩者在控制層面上存在本質(zhì)區(qū)別。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提出超級(jí)電容功率控制的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化方法，通過(guò)引入提出的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)與功率外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)的pid控制算法，提升電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和穩(wěn)定性，特別是在負(fù)載變化劇烈、電壓波動(dòng)較大的環(huán)境下，能夠有效抑制母線(xiàn)電壓變化，保證電機(jī)在各種工況下的高效運(yùn)行。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

3、超級(jí)電容功率控制的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化方法，包括以下步驟：

4、(s1)檢測(cè)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)電流、繞組內(nèi)阻和轉(zhuǎn)子位置的參數(shù)數(shù)據(jù)，建立電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)母線(xiàn)電壓及勵(lì)磁電流的給定值與參考值計(jì)算電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的電壓外環(huán)-勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、和微分系數(shù)kd三個(gè)控制變量；

5、(s2)通過(guò)已知的母線(xiàn)電壓和勵(lì)磁電流的波動(dòng)情況，根據(jù)實(shí)時(shí)變化的母線(xiàn)電壓和母線(xiàn)電流值可以計(jì)算出實(shí)時(shí)變化的電阻，進(jìn)而根據(jù)歐姆定律在已知母線(xiàn)電壓的參考值與求得的電阻值之間求得給定的母線(xiàn)電流值；

6、(s3)把功率外環(huán)控制中的直流母線(xiàn)的功率作為控制目標(biāo)。通過(guò)電壓參考值和實(shí)時(shí)電阻計(jì)算出電流參考值，然后得出功率的參考值；

7、(s4)將功率實(shí)際值與功率給定值通過(guò)外環(huán)pi控制器，得到超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的電流給定值，然后通過(guò)脈寬調(diào)制作為雙向dc/dc開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)對(duì)儲(chǔ)能電路進(jìn)行控制充放電；

8、(s5)通過(guò)對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向dc/dc變換器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功率外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)pid控制方法，結(jié)合電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)不控整流的控制，降低加減載時(shí)的母線(xiàn)電壓波動(dòng)，提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

9、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(s1)具體包括如下步驟：

10、(s11)根據(jù)電磁感應(yīng)定律以及基爾霍夫電壓定律，可得繞組端電壓方程：

11、

12、其中，ua、ub、uc，ra、rb、rc，ia、ib、ic和ψa、ψb、ψc分別是a、b、c相電樞繞組端電壓、內(nèi)阻、電流以及磁鏈，uf、rf、if、ψf分別是勵(lì)磁繞組端電壓、內(nèi)阻、電流以及磁鏈，t是時(shí)間，d為微分算子；

13、(s12)根據(jù)電勵(lì)磁雙凸及電機(jī)的特性，電樞繞組以及勵(lì)磁繞組的磁鏈表示為：

14、

15、式中，lxx指繞組自感，lxy和lyx指繞組互感，且lxy＝lyx；

16、(s13)不對(duì)稱(chēng)半橋變換器驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁繞組產(chǎn)生勵(lì)磁電流，根據(jù)母線(xiàn)電壓外環(huán)-勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)，推導(dǎo)出電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的閉環(huán)母線(xiàn)電壓和勵(lì)磁電流的參考值，通過(guò)外環(huán)的輸出作為勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)的給定值：

17、

18、其中，sv代表著對(duì)母線(xiàn)電壓誤差的積分操作，uref是母線(xiàn)電壓的參考值，ifref是勵(lì)磁電流的參考值，kpv和kiv是電壓外環(huán)pi控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；

19、(s14)根據(jù)電壓外環(huán)-勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)的控制操作，計(jì)算出ahb中功率電子器件的占空比：

20、

21、其中，kpi是電流內(nèi)環(huán)比例系數(shù)，kii是電流內(nèi)環(huán)積分系數(shù)，kdi是電流內(nèi)環(huán)微分系數(shù)。

22、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(s2)具體包括如下步驟：

23、(s21)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)中功率外環(huán)中母線(xiàn)電流的給定值為：

24、

25、其中，udcref為母線(xiàn)上的給定電壓值，idcref為母線(xiàn)上的給定電流值，rrt為母線(xiàn)上的實(shí)時(shí)電阻值。

26、(s22)rrt值可由下式計(jì)算：

27、

28、其中，udc為母線(xiàn)上的實(shí)際電壓值，idc為母線(xiàn)上的實(shí)際電流值。

29、(s23)將(6)式中由實(shí)際母線(xiàn)電壓和電流得出的實(shí)施電阻值代入(5)式：

30、

31、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(s3)的具體步驟如下：

32、(s31)根據(jù)功率的計(jì)算公式，可得功率外環(huán)的給定值為：

33、

34、其中，pdcref為母線(xiàn)功率的給定值；

35、(s32)將(7)式代入(8)式得出只有一個(gè)電壓給定值的功率外環(huán)的給定值：

36、

37、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(s4)的具體步驟如下：

38、(s41)功率外環(huán)pi控制器的輸出是超級(jí)電容電感電流的給定值，其中：

39、

40、式中，sp為對(duì)母線(xiàn)功率誤差的積分操作，kpp、kip為功率外環(huán)pi控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，iref為超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)的給定值。

41、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(s5)的具體步驟如下：

42、(s51)在不對(duì)稱(chēng)h橋中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管中的一個(gè)始終導(dǎo)通，另一個(gè)由驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制其占空比，使得勵(lì)磁電流能夠穩(wěn)定在某個(gè)特定的值；

43、(s52)當(dāng)設(shè)置母線(xiàn)電壓外環(huán)的參考值uref，誤差值經(jīng)過(guò)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電系統(tǒng)的pid控制器后輸出勵(lì)磁電流的參考值ifref；

44、(s52)通過(guò)母線(xiàn)電壓外環(huán)的參考值uref和母線(xiàn)電阻計(jì)算的母線(xiàn)電流的參考值iref，根據(jù)功率公式得到母線(xiàn)功率的參考值pref，將功率的誤差值經(jīng)過(guò)超級(jí)電容系統(tǒng)的pid控制器后輸出電流的參考值iref，最后經(jīng)pi控制器做差輸出到開(kāi)關(guān)管中根據(jù)外環(huán)的變化控制超級(jí)電容的充放電；

45、(s53)根據(jù)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)調(diào)節(jié)的信號(hào)，再根據(jù)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)功率外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)，最后產(chǎn)生控制變流器的脈沖信號(hào)。

46、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，基于超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)由勵(lì)磁電流源、不對(duì)稱(chēng)h橋、整流電路、濾波電路負(fù)載、控制電路、儲(chǔ)能電路以及電網(wǎng)組成，主控制回路采集主電路輸出電壓、勵(lì)磁電流，儲(chǔ)能控制回路在主控制回路的基礎(chǔ)上，經(jīng)功率外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制器產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，最后產(chǎn)生控制變流器的脈沖信號(hào)。

47、有益效果：

48、1.本發(fā)明提出的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)功率外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)與電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)電壓外環(huán)-勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)協(xié)同控制方法與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁雙凸極電壓外環(huán)-勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)控制相比，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)更好的適應(yīng)負(fù)載電流的變化。在瞬時(shí)負(fù)載變化時(shí)為負(fù)載提供或吸收額外的電能，降低了母線(xiàn)電壓波動(dòng)，保證電機(jī)在各種工況下的高效運(yùn)行。

49、2.本發(fā)明提出的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化方法不需要對(duì)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的整流部分進(jìn)行控制，不需要考慮開(kāi)關(guān)管的通斷對(duì)電路的影響，降低了電路的復(fù)雜程度，具體實(shí)現(xiàn)方便。