鄧建國，蔡亞輝，黃守道，張洪彬

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永磁同步發(fā)電機弱磁控制策略的研究

鄧建國，蔡亞輝，黃守道，張洪彬

（湖南大學(xué)國家電能變換與控制技術(shù)研究中心，長沙 410082）

本文在轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的研究基礎(chǔ)上，提出了一種基于直軸電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的弱磁控制策略來解決永磁同步發(fā)電機PMSG（Permanent Magnet Synchronous Generator）在高速運行、負載增加時，交軸電樞反應(yīng)增大使得發(fā)電機輸出端線電壓幅值超出直流母線電壓這一問題，并引入電流前饋調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，削弱系統(tǒng)擾動對控制性能的影響。最后，對本文所提的控制算法進行仿真及實驗驗證，證明了所有控制策略的有效性。

永磁同步發(fā)電機；弱磁控制；直軸電壓外環(huán)；電流前饋調(diào)節(jié)

0 前言

永磁同步發(fā)電機（PMSG）以其構(gòu)造簡單、體積小、重量輕、高效率和可靠性的優(yōu)點，廣泛用于各工業(yè)領(lǐng)域[1]。

本文從永磁同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，在雙閉環(huán)矢量控制的基礎(chǔ)上提出了直軸電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器弱磁控制策略，并引入電流前饋調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)來改善電機控制性能。最后，通過MATLAB/Simulink仿真和永磁同步發(fā)電機弱磁實驗，證明了這種控制策略的正確性。

1 永磁同步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型及弱磁控制策略

永磁同步發(fā)電機在基于轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子磁鏈方程為：

電壓方程為：

穩(wěn)定運行時，忽略定子壓降，將式（1）代入式（2）中，定子電壓方程可改寫為：

定子端電壓方程為：

將式（3）代入，即

由式（5）可以看出，發(fā)電機在基速以上運行時，為了避免發(fā)電機線電壓幅值超出直流母線電壓值，可通過增加負的直軸去磁電流分量來降低端電壓，達到發(fā)電機弱磁的效果。

如圖1所示，永磁發(fā)電機運行在弱磁控制時的相量圖可直觀表述，增加弱磁電流（的絕對值增加，），直軸電樞反應(yīng)增加，抵消轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的影響，達到了削弱負載增加時、交流電樞反應(yīng)隨之增加而造成的影響。定子端電壓降低后，再經(jīng)過PWM變流器功率器件導(dǎo)通及關(guān)斷，進而滿足低直流母線電壓的要求。

2 直軸電壓外環(huán)弱磁和電流前饋調(diào)節(jié)

2.1 直軸電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器弱磁策略

由前述可知，發(fā)電機的輸出端線電壓幅值超過直流母線電壓時，需用弱磁的方法來使得交流發(fā)電機輸出端的電壓下降。本文通過引入直軸電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的方法來實現(xiàn)弱磁控制，即通過電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的作用產(chǎn)生直軸偏移電流，對的控制可以直接調(diào)節(jié)的去磁作用。具體實現(xiàn)如下：通過電流內(nèi)環(huán)的輸出、，計算出上一次變流器電壓幅值作為反饋值，倍母線電壓作為參考值構(gòu)成直流電壓環(huán)，當(dāng)反饋值高于設(shè)定的參考值時進入弱磁控制，通過PI調(diào)節(jié)和限幅可得到直軸偏移電流。這樣就可以自動調(diào)節(jié)弱磁電流的給定，從而達到等效于降壓的目的。直軸電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器弱磁控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 直軸電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器弱磁控制結(jié)構(gòu)框圖

2.2 電流前饋調(diào)節(jié)

在實際情況中，由于控制算法及精度、傳感器檢測存在誤差以及電磁干擾等因素的影響，使得電機實際工作的電流會存在比較大的擾動，如果沒有在未影響電機輸出之前把它檢測出來并消除，控制性能會有所降低。本文通過在控制系統(tǒng)中引入電流前饋調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，來削弱系統(tǒng)存在的擾動，改善控制精度。引入電流前饋調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)后的系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

綜上所述，引入電流前饋調(diào)節(jié)的永磁同步發(fā)電機弱磁控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 永磁同步發(fā)電機弱磁控制系統(tǒng)框圖

3 仿真及結(jié)果分析

本文用MATLAB仿真來驗證所提出的控制策略。發(fā)電機采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，相關(guān)參數(shù)為R=0.0013W，軸電感L=0.124mH，軸電感L=0.269mH，永磁體磁鏈Ψ=0.2689Wb，直流母線電壓為900V，額定頻率為280Hz，額定轉(zhuǎn)速為4200r/min，極對數(shù)為4。仿真采用離散系統(tǒng)，對真實數(shù)字控制的環(huán)境進行模擬。

從圖5可看出，采用本文所提弱磁控制時，負載轉(zhuǎn)矩在0.12s時由105增加到205，直流母線電壓由于能量的消耗而下降，通過電壓環(huán)PI控制器調(diào)節(jié)使得直流母線電壓上升并穩(wěn)定在450V，此時馬鞍波依然完整，系統(tǒng)能正常完成調(diào)制。相比于弱磁控制，矢量控制時，給定同樣轉(zhuǎn)矩變化，此時馬鞍波已被削峰，系統(tǒng)出現(xiàn)了過調(diào)制，隨后電流PI環(huán)輸出飽和，系統(tǒng)開始發(fā)散。由此可見，在相同工況下，弱磁控制下的負載能力較矢量控制大幅提高。換言之，永磁發(fā)電機的弱磁控制下，達到了等效于降壓的效果。

圖6為引入電流前饋調(diào)節(jié)后，額定負載狀態(tài)時的三相交流電流及FFT諧波THD分析。由圖可看出，交流電流波形比較好，電流諧波畸變率THD低，為1.33%，較未引入電流前饋調(diào)節(jié)時降低了46%。諧波主要分布在開關(guān)頻率（3kHz）及兩倍開關(guān)頻率附近。

4 實驗研究

為了進一步驗證這種弱磁控制方法的有效性和實用性，搭建了永磁同步發(fā)電機——DSP控制系統(tǒng)實驗平臺，電機參數(shù)與仿真一致，采用通用變頻器驅(qū)動三相異步電動機拖動永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)，實驗現(xiàn)場照片如圖7所示。

圖7 實驗系統(tǒng)照片

當(dāng)轉(zhuǎn)速達到800r/min，先進行低轉(zhuǎn)速空載弱磁電壓控制的驗證。設(shè)定進入弱磁點的電壓為0.9倍實際直流電壓，空載不控整流直流電壓118V，給定直流母線電壓95V，得到空載弱磁電流波形如圖8所示。由圖可以看出電流波形正弦度很好，這種直軸電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的弱磁控制方法沒有問題。

圖9（a）是采用本文控制策略時電機在額定轉(zhuǎn)速下負載轉(zhuǎn)矩與母線電壓的實驗波形。電機在負載轉(zhuǎn)矩65穩(wěn)定運行后，增加到115，母線電壓波形非常平滑，在負載增加時因為能量的消耗而有所下降，隨后通過電壓環(huán)PI控制器調(diào)節(jié)能量流動而快速上升并穩(wěn)定到給定電壓處。圖9（b）是此時對應(yīng)的交流電流波形。由圖可見，隨著轉(zhuǎn)速上升，交流頻率的提高，載波比減小，電流波形中開關(guān)管通斷引起的充放電痕跡明顯，波形稍粗糙，但在負載增加時電流并沒有出現(xiàn)震蕩和失控等問題，過渡較為平穩(wěn)。實驗結(jié)果證明了所提控制策略的有效性。

5 結(jié)論

本文介紹了一種直軸電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的永磁發(fā)電機弱磁控制方法，該方法利用電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的作用產(chǎn)生直軸偏移電流來調(diào)節(jié)去磁作用，實現(xiàn)降低發(fā)電機端電壓的弱磁目的。并且針對實際工作中系統(tǒng)擾動較大的情況，引入了電流前饋調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)來消除擾動對控制性能的影響，提高控制精度。仿真和實驗的結(jié)果說明這種控制策略不僅具有良好的弱磁效果，而且動態(tài)性能好，電流諧波畸變率低，具有很強的工程實用價值。

[1] 唐任遠, 等. 現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 1997: 12, 01.

[2] BOSE B K. A high-performance inverter-fed drive system of an interior permanent magnet synchronous machine[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1988, 24(6): 987-997.

[3] Bon-Ho, Nitin Patel, Steven Schulz. New Field weakening Technique for High Saliency Interior Permanent Magnet Synchronous Machine[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2003, 2(4): 898-905.

[4] 張興, 張崇巍. PWM整流器及其控制[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2012: 98-99, 228-230.

Study on Flux-weakening Control Strategy for the Permanent Magnet Generator

DENG Jianguo, CAI Yahui, HUANG Shoudao, ZHANG Hongbin

(National Engineering Research Center of Energy Conversion and Control, Hunan University, Changsha 410082, China)

A kind of control strategy of d-axis voltage outer-loop PI regulator flux-weakening is put forward based on research on the rotor flux oriented vector control of permanent magnet synchronous generator, to solve the problem of generator output voltage exceeding DC bus voltage caused by cross-axis armature reaction under high speed increased load. And current feed-forward regulation is introduced to weaken the disturbance effect on the performance of control system. Finally, the simulation and experiment proved the validity of all the control strategies.

permanent magnet synchronous generator; flux-weakening; d-axis voltage outer-loop; current feed-forward regulation

TM351

A

1000-3983(2016)05-0007-04

2015-06-30

鄧建國（1956-），2007年12月畢業(yè)于湖南大學(xué)電機專業(yè)，博士，現(xiàn)從事電機傳動系統(tǒng)的教學(xué)和研究，教授。

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金（200805321038）

審稿人：宮海龍