变速永磁同步发电机系统及控制策略

变速永磁同步发电机系统及控制策略

王敬涛

13012319870228****

­摘­要：­永磁同步发电机PWM整流系统因为具有发电机电流谐波分量小，功率因数­可调、直流电压动态响应快、能量可双向流动等优点，被广泛应用于船舶供电、­特种车辆供电、混合动力汽车以及新能源发电等领域。本文以变速永磁同步发­电机PWM整流系统为研究对象，采用理论分析、软件仿真以及实验验证相结合­的研究路线，对永磁同步发电机PWM整流系统的控制策略进行了研究­

关键词:永磁同步发电机­PWM整流器­双环控制­解耦控制­电压­角度控制

只有当原动­机转速恒定时发电机的输出频率才维持稳定，但是在设计发电机时往往需要大幅度提高永磁磁负荷来­减小绕组匝数与阻抗，因此磁负荷与电负荷可能不­均匀，给发电机的功率密度及成本等带来负面影响。­而且，原动机往往是变速运行的，甚至速度范围很­宽(例如车用发电机的转速变化可达10倍以上­)，则发电机的输出频率与电压大小均不稳定。本文将对这­两类系统的构成及控制策略进行综合分析与比较。

1概述

­永磁同步发电机(PMSG)具有效率高、功率­密度大、拓扑结构灵活多样、不需电刷机构等诸多­优点，因此在风力发电机、燃气轮发电机、­航空航天用主发电机、车用发电机或起动发电一­体机、飞轮储能系统电动发电一体机等诸多­场合的应用日益广泛，并覆盖了从兆瓦级到瓦级的­很宽功率范围。­永磁同步发电机本身输出交流电。只有当原动­机转速恒定时发电机的输出频率才维持稳定，但是在设计发电机时往往需要大幅度提高永磁磁负荷来­减小绕组匝数与阻抗，因此磁负荷与电负荷可能不­均匀，给发电机的功率密度及成本等带来负面影响。­而且，原动机往往是变速运行的，甚至速度范围很­宽(例如车用发电机的转速变化可达10倍以上­)，则发电机的输出频率与电压大小均不稳定。­因此，永磁同步发电机通常需要AC-AC或AC-­DC-AC电力电子装置来实现交流稳压与恒频，也可­实现交流并网。在实际系统中，又以AC-DC-­AC结构为多。当然，永磁同步发电机也可通过­AC-DC装置来提供直流电源(例如车用发电机)，­必要时可再采用DC-DC装置实现高品质的直流稳­压。­所以，大部分实际应用的永磁同步发电机都需­要一套电力电子装置实现整流与稳压(即提供稳定­的直流电源)，由此构成一个基本的发电机系统。­输出电压仍会随负载而变化。为了减小电压调整率，常见的整流与直流稳压包括以下方式:晶闸管可控­整流、二极管不控整流+DC-DC变换，以及PWM整流。若最终需要提供交流电源或交流并­网，则可在直流环节之后连接逆变装置;当然，逆­变装置本身可以稳定交流侧电压，因此对前端直流­稳压的要求就比较低。对于变速、变负载的基本永磁同步发电机系统，­稳压控制包括两大类，即:发电机输出端不稳压但­直流端稳压，称为单端口稳压;发电机输出端基本­稳压且直流端稳压，称为双端口稳压。

2单端口稳压­

单端口稳压的基本永磁同步发电机系统的常见，­其发电机本身不作稳压控制，而­直接依靠电力电子装置实现直流侧的稳压。需要说­明的是，逆变器­可用以输出后续的交流电源或交流并网，当然，可­以看作是直流端的负载。

2.1­晶闸管可控整流

­晶闸管可控整流可以是半控型或全控型，可以­是单相、三相或多相。该技术已经成熟，所需器件­价格低廉，大电流、高电压的器件亦不依赖进口，­因此应用广泛­。所以，永磁同步发电机系统采用晶闸管整流时，­直流供电品质较差:若转速变化范围大，则对晶闸­管及电容器的电压等级要求高，甚至可能找不到满­足耐压等级的器件。此外，发电机本身的绝缘耐压­等级也需按最大旋转电动势设计，要求较高。

­2.2二极管不控整流+DC-DC

变换­功率二极管价格低廉，大电流、高电压的器件­亦不依赖进口。DC-DC变换器的开关频率高，直流­侧的滤波比较容易实现，电能品质较好。但是功率­开关器件的价格较高，尤其是大电流、高电压、质­量好的国产器件较少。­这类系统又可分为下述三种情况。二极管不控整流+降压电路、二极管不控整流+升压电路、二极管不控整流+升压/降压复合电路。

3双端口稳压

­第2节所述的单端口稳压控制没有对发电机输­出电压采取稳压措施，因此，在宽速度范围条件下，­会对功率器件的耐压或耐流选型造成困难，也可能­对滤波电容的耐压及发电机本身的绝缘耐压带来不­利影响。而双端口稳压控制可以在宽速度范围条件­下维持发电机的输出电压稳定或基本稳定，然后通­过简单的不控整流提供品质较低的直流电源，或者­再配以DC-DC装置来实现直流侧的高品质稳压，­或者用可控的AC-DC装置实现高品质整流。其优点在于电力电子装置的输入电压基本­稳定，不存在功率器件的电压或电流等级选型问题，­也不存在DC-DC变换比例非常大或非常小的问题。同步发电机的输出电压受转速、负载、电枢绕­组、励磁磁场等因素的影响。对于变速、变负载永­磁同步发电机而言，可以通过调节电枢绕组及气隙­磁场来维持输出电压的基本稳定。所以，用于永磁同步发电机的PWM整流技术­不应单纯地追求功率因数、内功率因数或单位电流­产生的电磁转矩的最大化，还应考虑用直轴电流分­量来对永磁体起到弱磁作用，进而提高发电机的高­速运行范围。该方法对于转速范围很宽的永磁同步­发电机系统非常有效。­需要说明的是，在PWM整流时，虽然发电机­输出电压的峰值始终是Uae，但是其基波分量的大­小还是随着直轴电流的弱磁作用而变化的。因此，­实际，上适当的PWM整流可以使得在不同转速下的­发电机输出电压基波分量保持基本稳定。

4结论­

永磁同步发电机具有诸多优点，其应用日益广­泛。在大多数应用中，永磁同步发电机通过电力电­子装置提供直流电源(由此构成基本的发电机系统)­，为直流负载供电，也可以再通过逆变装置提供交­流电源或并入交流电网。­传统永磁同步发电机的旋转电动势正比于转速，­因此，在变速、变负载系统中，发电机的输出电压­不稳定。基本永磁同步发电机系统可以是单端口稳­压(即发电机输出端不稳压，仅直流端稳压)，也­可以是双端口稳压。单端口稳压控制一般适用于转­速变化范围小的场合;若转速变化范围过大，则可­能对功率器件的电压或电流选型、滤波电容的电压­选型以及电机绕组的耐压能力带来负面影响。双端­口稳压系统的结构与控制策略多样，能有效克服单­端口稳压系统的上述不足。可以采用变电枢绕组的­方式，但这种控制方式一般是有级的；而采用调节­发电机气隙磁场的方法可以实现无级控制。气隙磁­场的调节可以通过混合励磁实现，也可以利用独立­的励磁装置或者系统本身的PWM整流装置为发电­机馈入适当的直轴电流来实现。其中，以PWM整­流装置调节气隙磁场的方法可以精确地实现双端口­稳压，并可显著提高系统的高速运行区域。

­参考文献

[1]陈瑞培. 变速永磁同步发电机控制策略研究[D].华侨大学,2019.

[2]漆文睿. 永磁同步发电机PWM整流系统控制策略研究[D].上海电机学院,2019.

[3]曹曦元. 变速永磁同步发电系统控制策略研究[D].湖南大学,2017.

[4]沈建新,缪冬敏.变速永磁同步发电机系统及控制策略[J].电工技术学报,2013,28(03):1-8.