駱繼明，孔婉琦，黃明明，郭新軍

(1.河南工程學(xué)院，鄭州451191;2.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，鄭州450044)

0 引 言

與電勵(lì)磁結(jié)構(gòu)同步電機(jī)不同，永磁同步電機(jī)省卻了勵(lì)磁繞組和電刷，大大簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，提升了電機(jī)可靠性。永磁體作為勵(lì)磁激勵(lì)源，減小了鐵耗和銅耗，提高了發(fā)電機(jī)的效率，較大地增強(qiáng)了電機(jī)的氣隙磁密，從而達(dá)到縮小電機(jī)體積的目的，提高了功率密度［1］?，F(xiàn)有永磁同步電機(jī)較多采用轉(zhuǎn)子永磁型結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)在于依靠轉(zhuǎn)子上永磁體作為磁勢(shì)源，為克服工作在高速狀態(tài)時(shí)較大的離心力，則需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分采取特殊設(shè)計(jì)或者實(shí)施加固措施，如轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌或者裝配特殊材料制成的固定裝置，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度增加，增加了制造成本。同時(shí)轉(zhuǎn)子上裝配永磁體，導(dǎo)致散熱困難，冷卻較為困難，同時(shí)較大的溫升會(huì)增大永磁鐵發(fā)生不可逆退磁的可能，從而限制電機(jī)出力、抑制功率密度的提高，制約了電機(jī)性能的提升。

區(qū)別于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，磁通切換型永磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱FSPMSM)采用定子內(nèi)嵌永磁型結(jié)構(gòu)且定子上均布繞組，轉(zhuǎn)子采用凸極結(jié)構(gòu)既無(wú)永磁也無(wú)繞組，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，此結(jié)構(gòu)保證了磁通切換型電機(jī)具有較強(qiáng)的聚磁效應(yīng)和抗去磁能力［2］，因此在航空領(lǐng)域、混合動(dòng)力等應(yīng)用場(chǎng)合有著較大應(yīng)用潛力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞新型電機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)?、性能?yōu)化、轉(zhuǎn)矩密度提升以及新型高效控制算法等方面展開(kāi)了研究，取得了一系列研究成果［3］。FSPMSM 工作在發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)具有較為優(yōu)良的特性，其電壓調(diào)整率可以長(zhǎng)期保持在較低水平狀態(tài)，適合于風(fēng)力發(fā)電。配合背靠背的雙PWM 結(jié)構(gòu)變流器［4］，F(xiàn)SPMSM 用作發(fā)電機(jī)時(shí)，其構(gòu)成的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，達(dá)到靈活控制變流器的有功、無(wú)功功率，但是圍繞磁通切換型永磁同步電機(jī)用作直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行高功率因數(shù)并網(wǎng)發(fā)電以及并網(wǎng)運(yùn)行控制策略方面，現(xiàn)有研究并未過(guò)多涉及。

1 磁通切換型同步發(fā)電機(jī)工作原理

所謂磁通切換原理，是指隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鏈會(huì)隨之發(fā)生方向和數(shù)量改變，產(chǎn)生正負(fù)極性交變和數(shù)值大小變化。電機(jī)的一個(gè)電周期即為一個(gè)轉(zhuǎn)子極距，對(duì)應(yīng)著磁通數(shù)值隨磁鏈從進(jìn)入繞組到穿出繞組在最大與最小之間變化［5］，如圖1 所示。

圖1 磁通切換原理

圖1(a)的轉(zhuǎn)子位置，永磁體產(chǎn)生的磁鏈沿圖中箭線方向穿出定子齒，沿磁阻最小原理切入與之相對(duì)齊的轉(zhuǎn)子極，定子繞組兩端感生出相應(yīng)的反電勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)到圖1(b)所示位置時(shí)，永磁磁鏈數(shù)量保持不變，而路徑方向則與圖1(a)正好相反，為穿出轉(zhuǎn)子極而切入定子齒，此時(shí)繞組感應(yīng)的反電勢(shì)與圖1(a)中情況相比，數(shù)值大小相等但正負(fù)極性相反。當(dāng)凸極轉(zhuǎn)子在穿出和穿入兩個(gè)位置之間持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電樞繞組匝鏈的永磁磁鏈就不斷地在正負(fù)最大值范圍內(nèi)呈重復(fù)性周期變化，繞組兩端產(chǎn)生出幅值和相位交替變化的反電勢(shì)，此過(guò)程即被稱為“磁通切換”。

磁通切換型永磁同步發(fā)電機(jī)是在磁通切換原理上發(fā)展而來(lái)。磁通切換型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)(FSPMSG)發(fā)電運(yùn)行原理可用圖1 來(lái)解釋。在圖1(a)位置，定子A 相繞組內(nèi)的永磁磁鏈穿出定子進(jìn)入轉(zhuǎn)子，假設(shè)此時(shí)繞組兩端的感應(yīng)出反電勢(shì)為U+和U-。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子被外部原動(dòng)機(jī)拉動(dòng)到圖1(b)位置時(shí)，繞組內(nèi)的磁鏈大小不變、方向正好相反，此時(shí)繞組的兩端反電勢(shì)變?yōu)閁-和U+。當(dāng)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，A 相繞組內(nèi)的永磁磁鏈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)就呈現(xiàn)交變，而三相正弦變化的電勢(shì)經(jīng)整流逆變后即可實(shí)現(xiàn)了發(fā)電運(yùn)行。

圖2 12 槽/10 極FSPMSG 結(jié)構(gòu)圖

圖2 為12 槽/10 極FSPMSG 結(jié)構(gòu)圖。其中圖2(a)為電機(jī)平面圖，永磁體內(nèi)嵌于定子，繞組沿圓周均布;圖2(b)為電機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖，可以看到轉(zhuǎn)子凸極無(wú)繞組，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。

2 電機(jī)d-q 軸數(shù)學(xué)模型

忽略諧波分量和局部飽和效應(yīng)的影響，可磁通切換型永磁同步電機(jī)空載永磁磁鏈呈現(xiàn)正弦分布，其繞組內(nèi)感生的反電動(dòng)勢(shì)也呈現(xiàn)正弦分布，總諧變率THD較小。忽略齒槽轉(zhuǎn)矩影響，其作為發(fā)電機(jī)的外特性與普通永磁同步發(fā)電機(jī)無(wú)差別，因此，借鑒分析普通永磁同步發(fā)電機(jī)的方法推導(dǎo)本電機(jī)的d -q軸數(shù)學(xué)模型，以此來(lái)分析電機(jī)的穩(wěn)態(tài)特征和瞬態(tài)性能。做如下假設(shè):

(1)忽略電機(jī)鐵心飽和效應(yīng);

(2)不計(jì)發(fā)電機(jī)中的磁滯以及渦流損耗。從而得到磁鏈、電壓以及轉(zhuǎn)矩方程:

式中:Rs為定子繞組電阻;p 為極對(duì)數(shù);ωe為電機(jī)的電角速度;Te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩;ψd，ψq分別代表磁鏈的d，q 軸分量;isd，isq分別代表定子電流的d，q 軸分量;usd，usq分別代表電壓的d，q 軸分量;Lsd，Lsq分別代表定子繞組的d，q 軸電感;Lmd為定、轉(zhuǎn)子之間的d 軸互感;ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈;if是永磁體等效勵(lì)磁電流，當(dāng)不考慮溫度影響時(shí)，其值為一常數(shù)。以上各量均為瞬時(shí)值。

將式(1)代入式(2)，整理得:

式(2)～式(4)即構(gòu)成了發(fā)電機(jī)d，q 軸數(shù)學(xué)模型。

3 基于改進(jìn)后的直接功率并網(wǎng)控制策略實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制在轉(zhuǎn)速環(huán)中利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，通過(guò)在PWM 變頻器中利用磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)產(chǎn)生PWM 波形，可以省去了坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，同時(shí)定子磁鏈模型不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了系統(tǒng)的抗干擾性。對(duì)于磁通切換型永磁同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)由風(fēng)機(jī)拖動(dòng)，能量流入發(fā)電機(jī)，機(jī)側(cè)PWM 變頻器的控制目標(biāo)是追隨風(fēng)速實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤以及保證發(fā)電機(jī)工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)［6］?，F(xiàn)有直接轉(zhuǎn)矩控制多在機(jī)側(cè)采用直接轉(zhuǎn)矩控制，由于引入大量零矢量，一個(gè)開(kāi)關(guān)表很難同時(shí)調(diào)節(jié)有功和無(wú)功功率，導(dǎo)致傳統(tǒng)直接功率控制策略的網(wǎng)側(cè)電流仍然具有較高的諧波含量，且在每個(gè)周期內(nèi)有一段時(shí)間的無(wú)功失控區(qū)域，使得該控制方法的轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)優(yōu)點(diǎn)未能得到體現(xiàn)，同時(shí)惡化了其穩(wěn)態(tài)性能。

對(duì)于磁通切換型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，該并網(wǎng)系統(tǒng)采用不控整流和可控逆變的結(jié)構(gòu)，基于雙開(kāi)關(guān)表結(jié)構(gòu)思想提出改進(jìn)型并網(wǎng)控制策略。具體是在直接轉(zhuǎn)矩控制方法基礎(chǔ)上，通過(guò)加入一個(gè)功率狀態(tài)變量，進(jìn)一步對(duì)開(kāi)關(guān)表細(xì)化，采用改進(jìn)型三狀態(tài)直接功率控制策略［7］。該策略通過(guò)增加一個(gè)標(biāo)示有功、無(wú)功功率狀態(tài)的變量來(lái)細(xì)分開(kāi)關(guān)表，優(yōu)化了對(duì)有功和無(wú)功功率的控制。在功率變量的定義上，有別于傳統(tǒng)直接功率控制策略通過(guò)滯環(huán)產(chǎn)生功率狀態(tài)變量的方式，增加一個(gè)中間狀態(tài)，具體定義如表1 所示。表中，Wp和Wq為滯環(huán)寬度。

在得到新的功率狀態(tài)變量后，開(kāi)關(guān)表被細(xì)分，和傳統(tǒng)控制策略的開(kāi)關(guān)表相比，狀態(tài)表示擴(kuò)充到9 種，大大細(xì)化了功率狀態(tài)的表示能力。

圖3 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 為基于改進(jìn)型直接功率控制策略的磁通切換型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)于圖3 結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)側(cè)使用霍爾傳感器采集兩相電流、電壓信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算逆變器輸出的有功功率P 和無(wú)功功率Q，通過(guò)直流側(cè)電壓與給定電流ir相乘產(chǎn)生有功功率的給定Pr［8］。為了實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，無(wú)功功率的給定Qr為0。通過(guò)P、Q 和Pr、Qr的比較，產(chǎn)生有功和無(wú)功的功率狀態(tài)變量Vp和Vq，最后將Vp和Vq以及Vr信號(hào)送入開(kāi)關(guān)表，得到PWM 逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)。

4 仿真分析與實(shí)驗(yàn)論證

表1 功率變量定義

基于MATLAB/Simulink 搭建了如圖4 所示的仿真模型。采用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)磁通切換型永磁同步電機(jī)，仿真系統(tǒng)參數(shù)如下:Vp= 3.5 W，Vq=3.5 Var，濾波電感L =8 mH，濾波電容C =3 500 μF，并網(wǎng)線電壓峰峰值36 V。在仿真過(guò)程中將給定有功電流從-0.8 A階躍至-1.2 A，以考察并網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖4 磁通切換型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)仿真圖

仿真實(shí)驗(yàn)波形如圖5 所示，可見(jiàn)網(wǎng)側(cè)A 相電流波形正弦，與A 相電壓反相，很好地實(shí)現(xiàn)了鎖相環(huán)節(jié);有功和無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)解耦，無(wú)功功率基本為0，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)，給定有功電流發(fā)生階躍后，輸出有功功率變大，無(wú)功功率始終為0，電流幅值增大，頻率不變，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程響應(yīng)迅速，超調(diào)較小，減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

為了進(jìn)一步研究其并網(wǎng)特性以及提出控制策略的正確性，本文基于前期設(shè)計(jì)的一臺(tái)600 W 三相12槽/10 極磁通切換型永磁同步發(fā)電機(jī)，搭建了并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖6 所示。實(shí)際實(shí)驗(yàn)參數(shù)采Simulink 仿真模型參數(shù)一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖5 仿真實(shí)驗(yàn)波形

圖6 磁通切換型12 槽/10 極永磁同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖7 并網(wǎng)控制發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形

由圖7(a)可以，看出A 相電流正弦性較好，BC間相電壓實(shí)測(cè)值約為39.7 V，與仿真相比有0.76%的誤差，滿足設(shè)計(jì)要求。該并網(wǎng)控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，有功、無(wú)功功率解耦清晰，并網(wǎng)電流正弦度較高。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從分析磁通切換型永磁同步電機(jī)原理和結(jié)構(gòu)入手，建立了電機(jī)d，q 軸數(shù)學(xué)模型。在此模型基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)型直接功率控制策略，基于Simulink 搭建了磁通切換型永磁同步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行了相關(guān)仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該并網(wǎng)控制策略有效可行，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)，能夠?qū)τ泄蜔o(wú)功功率施加單獨(dú)的控制，并網(wǎng)有功、無(wú)功功率解耦清晰，在給定功率發(fā)生階躍變化時(shí)，系統(tǒng)能迅速做出相應(yīng)并跟隨，電流和功率的超調(diào)量小。

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