龔 健，李 鵬，張 彥

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

多相永磁同步整流發(fā)電機(jī)因其功率密度高、功率因數(shù)高、直流供電容量大、可靠性高，廣泛應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)中[1]。發(fā)電時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)有波動(dòng)，船上用電設(shè)備的狀態(tài)也在變化，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，需要研究的多相可控整流技術(shù)能夠提供高質(zhì)量的500 V直流電壓。

本文研究的雙三相永磁同步發(fā)電機(jī)兩套繞組間具有強(qiáng)耦合且電角度互差30°，建立該電機(jī)基于雙d-q變換的解耦模型，推廣三相電機(jī)的矢量控制到雙三相電機(jī)中，確定雙三相永磁同步發(fā)電機(jī)可控整流的恒壓控制策略[2-4]。本文的多相可控整流技術(shù)研究對(duì)于船舶電力系統(tǒng)的容量擴(kuò)大、可靠性提升具有一定的意義。

1 解耦數(shù)學(xué)模型及控制策略

1.1 基于雙d-q變換的數(shù)學(xué)模型

為實(shí)現(xiàn)解耦控制，將雙三相發(fā)電機(jī)的兩套繞組在相差30°的2個(gè)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下分別進(jìn)行Clarke-Park變換，如圖1所示。

構(gòu)造出六階變換矩陣P如下：

圖1 雙三相PMSG的雙d-q坐標(biāo)變換

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到基于雙d-q變換的電壓方程和磁鏈方程：

(2)

(3)

式中：ω為同步電角頻率，單位為rad/s；Ld，Lq為直軸、交軸電感，單位為H；Ldd，Lqq為2套繞組間在雙d-q坐標(biāo)系下的互感，單位為H。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

Te=1.5pn[(Ldd-Lqq)(id1+id2)·

(iq1+iq2)+(iq1+iq2)ψf]

(4)

磁鏈方程中的Ldd、Lqq表示2套三相繞組的d軸和q軸磁鏈之間存在耦合。

當(dāng)2套繞組使用相同的PI控制器參數(shù)時(shí)，有：

id1=id2，iq1=iq2

(5)

此時(shí)磁鏈方程可以寫為：

(6)

綜上，當(dāng)2套繞組使用相同的PI控制器參數(shù)時(shí)，雙三相永磁同步電機(jī)基于雙d-q變換模型是完全解耦的。

1.2 可控整流的控制策略

恒壓發(fā)電時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，此時(shí)轉(zhuǎn)速不受控制，會(huì)有一定范圍的波動(dòng)，在轉(zhuǎn)速變化以及負(fù)載變化的工況下，直流側(cè)的輸出功率也會(huì)變化，需要控制直流側(cè)的母線輸出電壓恒定不變，針對(duì)基于雙d-q變換的解耦模型，采取id=0的雙閉環(huán)恒壓控制策略(1個(gè)電壓外環(huán)、4個(gè)電流內(nèi)環(huán))，使直流側(cè)的母線輸出電壓恒定不變，采集直流側(cè)母線電壓作為電壓外環(huán)的反饋量，電流環(huán)為id=0控制，q軸電流給定值為電壓PI調(diào)節(jié)器的輸出，如圖2。

圖2 基于雙d-q變換模型的雙三相PMSM發(fā)電矢量控制

2 可控整流仿真系統(tǒng)的搭建

2.1 雙三相永磁同步發(fā)電機(jī)的仿真模型

本文研究的發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 雙三相發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

基于1.1中的數(shù)學(xué)模型，變換得到該電機(jī)的狀態(tài)方程：

(7)

式中：B1=

利用Matlab的Simulink軟件，根據(jù)式(4)、式(7)搭建發(fā)電機(jī)的仿真模型，包括坐標(biāo)變換模塊、電氣模塊和機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊，如圖3所示。

圖3 基于雙d-q變換模型的雙三相永磁同步發(fā)電機(jī)的Simulink仿真模型

圖4 可控整流控制系統(tǒng)的仿真模型

2.2 可控整流控制系統(tǒng)的仿真模型

系統(tǒng)仿真模型如圖4，以功率電阻作為直流側(cè)的負(fù)載，本文分別在直流母線電壓變化工況、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化工況和直流側(cè)負(fù)載變化工況進(jìn)行系統(tǒng)的可控整流仿真分析。

3 可控整流的仿真與分析

3.1 變電壓工況的仿真分析

當(dāng)供電系統(tǒng)所需的直流電壓發(fā)生改變時(shí)，需要系統(tǒng)能快速反應(yīng)并穩(wěn)定在新的給定值。使用Simulink模擬此種工況，在仿真中保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為5 500 rpm不變，直流側(cè)500 Ω電阻負(fù)載不變，給定直流母線電壓為400 V，1 s時(shí)給定值提升為500 V，得到仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5(a)表明仿真開始后約經(jīng)過(guò)0.5 s直流母線電壓達(dá)到穩(wěn)定，1 s時(shí)改變電壓給定值，經(jīng)過(guò)約0.2 s達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，且紋波很小。圖5(b)為直流母線電壓為500 V時(shí)的六相電流，正弦對(duì)稱且相應(yīng)各相互差30°。

綜上，本文設(shè)計(jì)的可控整流控制系統(tǒng)在給定直流電壓發(fā)生變化時(shí)有較好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)特性，能夠在不同給定電壓下得到所需的穩(wěn)定直流電壓，而且電壓紋波較小。

3.2 變轉(zhuǎn)速工況的仿真分析

在發(fā)電時(shí)是由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)雙三相永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，由于沒(méi)有控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以發(fā)電運(yùn)行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不可避免地有一定幅度的波動(dòng)，此時(shí)仍然需要保持直流母線電壓穩(wěn)定不變。在仿真中，電壓外環(huán)給定值為500 V，直流側(cè)500 Ω電阻負(fù)載不變，在1 s時(shí)將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)? 500 rpm提升至6 000 rpm，以此模擬發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的工況，得到仿真波形如圖6。

從圖6(a)可以看出，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 s時(shí)刻發(fā)生變化時(shí)，直流側(cè)母線電壓經(jīng)過(guò)短暫波動(dòng)后能保持穩(wěn)定在500 V，恢復(fù)時(shí)間約為0.1 s，波動(dòng)幅度約為15 V。圖6(b)為轉(zhuǎn)速6 000 rpm時(shí)的六相電流波形圖，轉(zhuǎn)速變化后電流依然能保持正弦且對(duì)應(yīng)各相相差30°。

圖5 系統(tǒng)變輸出電壓工況仿真圖

因此，本文設(shè)計(jì)的雙三相永磁同步可控整流控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速變化的工況下有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，能快速恢復(fù)并保持直流母線電壓穩(wěn)定在500 V。

3.3 變負(fù)載工況的仿真分析

發(fā)電過(guò)程中，負(fù)載會(huì)因船上用電運(yùn)行狀況而發(fā)生改變，在仿真中模擬發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載變化情況，直流側(cè)接可變的功率電阻作為負(fù)載，在1 s時(shí)將電阻從500 Ω變成250 Ω，轉(zhuǎn)速保持在5 500 rpm不變，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)變負(fù)載工況仿真圖

圖7(a)中負(fù)載在1 s時(shí)變化后，直流母線電壓能維持500 V不變。圖7(b)中直流側(cè)負(fù)載電流從1 A變?yōu)? A，輸出功率從500 W增加為1 000 W，帶載能力提高了1倍。

綜上，該可控整流控制系統(tǒng)在負(fù)載變化的工況下直流母線輸出電壓依舊能夠保持穩(wěn)定不變，擁有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用Matlab/Simulink搭建雙三相永磁同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，分別在母線電壓變化、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化和直流負(fù)載變化的工況下，模擬發(fā)電機(jī)變電壓、變轉(zhuǎn)速、變負(fù)載運(yùn)行。仿真結(jié)果表明：直流側(cè)母線電壓能保持穩(wěn)定，表明該可控整流控制系統(tǒng)的可行性，且具有良好的靜動(dòng)態(tài)性能。