摘要：針對(duì)目前起發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，本文提出了一種基于永磁同步起發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制策略，可以使系統(tǒng)運(yùn)行在更高的轉(zhuǎn)速區(qū)域。在整個(gè)起發(fā)過(guò)程中，該控制策略均采用電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，分別采用速度環(huán)與母線電壓環(huán)作為外環(huán)。針對(duì)進(jìn)一步拓寬的轉(zhuǎn)速變化范圍，本文重點(diǎn)闡述了一種簡(jiǎn)化的解析弱磁控制方法，并驗(yàn)證了在該弱磁控制方法下母線電壓環(huán)的可行性。最后仿真結(jié)果表明在整個(gè)起發(fā)過(guò)程中，該控制策略都能保證系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到預(yù)期效果。

1引言

近年來(lái)，在航空、高速列車、電動(dòng)汽車、船舶等領(lǐng)域，起發(fā)電機(jī)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并逐漸成為發(fā)電系統(tǒng)的核心部分。起發(fā)電機(jī)不僅在電網(wǎng)中承擔(dān)了電源供給的主要角色，另外借助外接電源還能發(fā)揮起動(dòng)原動(dòng)機(jī)的作用。結(jié)合上述兩大功能，起發(fā)電機(jī)將進(jìn)一步提升其發(fā)電系統(tǒng)在重量以及體積上的競(jìng)爭(zhēng)力。本文主要探究一種基于永磁同步起發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制策略，并應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的發(fā)展需求拓寬其發(fā)電階段時(shí)的轉(zhuǎn)速變化范圍。

一般而言，當(dāng)起發(fā)電機(jī)運(yùn)行至高速時(shí)，起發(fā)電機(jī)的輸出電壓會(huì)相應(yīng)升高，使得直流母線端的輸出電壓不受控制，因此需要采用弱磁控制來(lái)調(diào)節(jié)起發(fā)電機(jī)側(cè)的輸出電壓。傳統(tǒng)的弱磁控制方法主要包括解析法、電壓反饋法、超前角法與開(kāi)關(guān)時(shí)間反饋法。后三種方法在d軸電流參考值生成的過(guò)程中均采用了PI調(diào)節(jié)器，而在拓寬后的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)將變得尤為困難，另外本文采用表貼式永磁同步電機(jī)作為起發(fā)電機(jī)，解析法中所采用的解析表達(dá)式將得到大大簡(jiǎn)化，因此對(duì)于本文的研究，采用解析法進(jìn)行弱磁控制更為合適。

當(dāng)起發(fā)電機(jī)運(yùn)行至高速時(shí)，將進(jìn)入發(fā)電階段。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，此時(shí)的控制策略可以采用直流母線電流或電壓作為外環(huán)控制變量。前者通常使用在系統(tǒng)與其他電源并聯(lián)運(yùn)行的情況。而本文只考慮系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的情況，由于后者具有更好的電壓輸出特性，因此本文采用母線電壓作為發(fā)電階段時(shí)的外環(huán)控制變量。下面本文將重點(diǎn)驗(yàn)證在拓寬的轉(zhuǎn)速范圍下，使用解析弱磁控制方法時(shí)，母線電壓閉環(huán)的可行性。

2起發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文中的起發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由一臺(tái)永磁同步電機(jī)，一臺(tái)電壓源型換流器以及±270V直流母線組成，如圖1所示。

起發(fā)電機(jī)的完整運(yùn)行過(guò)程如圖2所示。在起動(dòng)階段，起發(fā)電機(jī)由換流器驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，用于起動(dòng)原動(dòng)機(jī)。初期起發(fā)電機(jī)會(huì)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩模式，從而盡快提高轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到ωct/cp時(shí)，受限于輸出電壓，起發(fā)電機(jī)將會(huì)轉(zhuǎn)為恒功率模式運(yùn)行。在發(fā)電階段，起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)而由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，并通過(guò)直流母線為負(fù)載提供電能。在此過(guò)程中，雖然輸出功率保持不變，但是轉(zhuǎn)速會(huì)在ωnlg到ωmax的范圍內(nèi)變化。

3控制策略研究

在dq軸轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，本節(jié)提出了一套應(yīng)用于整個(gè)起發(fā)過(guò)程的控制策略。由于本文目的在于拓寬電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化范圍，因此本節(jié)將會(huì)著重闡述發(fā)電階段的部分。

3.1永磁同步電機(jī)與換流器的數(shù)學(xué)模型

上一節(jié)提到永磁同步電機(jī)與換流器是起發(fā)電機(jī)系統(tǒng)最基本的組成部分，因此控制策略必須建立在兩者的數(shù)學(xué)模型上。永磁同步電機(jī)的電路方程如下：

式中：Vd，Vq，id，iq，Ld，Lq分別為d、q軸電壓、電流、定子電感，對(duì)于表貼式永磁同步電機(jī)，Ld=Lq，記為L(zhǎng)S；RS，ωe，Ψf，J，Ω，RΩ，TL，Te，P，idc，Vdc，iL分別為定子電阻、轉(zhuǎn)子電角速度、等效永磁磁鏈、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、機(jī)械轉(zhuǎn)速、阻尼系數(shù)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩、極對(duì)數(shù)、換流器直流端輸出電流、母線電壓、負(fù)載電流。

3.2起動(dòng)階段

起動(dòng)階段的主要目標(biāo)是驅(qū)動(dòng)原動(dòng)機(jī)起動(dòng)，因此起動(dòng)階段的控制策略與永磁同步電機(jī)在電動(dòng)機(jī)模式下的傳統(tǒng)控制相類似。如圖3所示，將雙刀雙擲開(kāi)關(guān)接至S端即為起動(dòng)階段的控制框圖。

由式(3)、(4)可知，外環(huán)應(yīng)采用轉(zhuǎn)速環(huán)得到q軸電流參考值。對(duì)于表貼式永磁同步電機(jī)而言，d軸電流參考值一般設(shè)置為零以達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩電流比。另外，d、q軸電流內(nèi)環(huán)與空間矢量脈寬調(diào)制均沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[9]。

3.3弱磁控制方法設(shè)計(jì)

對(duì)于表貼式永磁同步電機(jī)而言，磁場(chǎng)是由貼于轉(zhuǎn)子表面的永磁體產(chǎn)生，由于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系設(shè)置的特殊性，d軸電流所產(chǎn)生的磁鏈與永磁體產(chǎn)生的等效磁鏈位于同一直線上，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)d軸電流從而間接達(dá)到弱磁的效果。

當(dāng)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，式(1)、(2)將得到簡(jiǎn)化，從而定子電壓矢量的幅值為：

其中由于運(yùn)行轉(zhuǎn)速較高，忽略了電阻上的壓降。將式（7）中的ν替代為νlim，可以得到限制電機(jī)運(yùn)行條件的電壓限制圓：

其中在采用空間矢量脈寬調(diào)制時(shí)，。另外定子電流矢量的幅值也受限于換流器與電機(jī)的最大允許電流νlim。

結(jié)合電壓極限圓與電流極限圓，電機(jī)的運(yùn)行范圍只能位于如圖4所示的陰影區(qū)域中。

對(duì)于表貼式永磁同步電機(jī)而言，輸出功率、轉(zhuǎn)速、q軸電流三者之間的關(guān)系如下：

式中：P*為輸出功率參考值；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為rpm。

因此當(dāng)輸出恒定的參考功率時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行范圍將進(jìn)一步被縮小，只包含了當(dāng)前轉(zhuǎn)速下q軸電流所對(duì)應(yīng)的水平線在陰影區(qū)域中的部分。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行范圍與q軸不再具有交點(diǎn)時(shí)，id=0，控制策略將不再適用，換言之，此時(shí)需要將d軸電流設(shè)為負(fù)值以削弱永磁體產(chǎn)生的磁鏈。跟據(jù)最大轉(zhuǎn)矩電流比的目標(biāo)，電機(jī)的電流矢量應(yīng)當(dāng)正好落在q軸電流所對(duì)應(yīng)的水平線與電壓極限圓的右交點(diǎn)上，可以得出：

3.4發(fā)電階段

本文主要考慮電阻負(fù)載的情形，可以通過(guò)式（5）、（6）得到母線電壓的轉(zhuǎn)遞函數(shù)為：

式中：RL為負(fù)載電阻；md、mq為換流器的d、q軸電壓調(diào)制系數(shù)，滿足：

當(dāng)設(shè)計(jì)滿足電流內(nèi)環(huán)遠(yuǎn)快于電壓外環(huán)時(shí)，在整個(gè)外環(huán)的時(shí)間常數(shù)內(nèi)，調(diào)制系數(shù)將迅速響應(yīng)并保持恒定，記為Md與Mq，d、q軸電流的實(shí)際值也會(huì)迅速相應(yīng)并與參考值保持一致。

在發(fā)電階段初期，采用id=0控制策略，可以得到q軸電流到母線電壓的傳遞函數(shù)如下：

當(dāng)采用弱磁控制時(shí)，將d軸電流參考值表達(dá)式整理為式（16），并代入式（13），可以得到q軸電流到母線電壓的傳遞函數(shù)如下：

式中：iq_comp為q軸電流前饋補(bǔ)償值；k由式（10）推導(dǎo)得到，由輸出功率參考值確定為常數(shù)，滿足：

因此，母線電壓環(huán)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，其中Tf為采樣反饋單元的濾波器時(shí)間常數(shù)，G（s）為q軸電流到母線電壓的傳遞函數(shù)，K為

R（s）為控制器的傳遞函數(shù)。本文采用一個(gè)PI調(diào)節(jié)器作為控制器，可以將母線電壓環(huán)修正為I型系統(tǒng)，從而保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)定性。

母線電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如下：

發(fā)電階段電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)與起動(dòng)階段完全一致。電流內(nèi)環(huán)的帶寬設(shè)計(jì)為電壓外環(huán)的10倍以滿足內(nèi)環(huán)遠(yuǎn)快于外環(huán)的假設(shè)。如圖3所示，將雙刀雙擲開(kāi)關(guān)接至G端即可得到發(fā)電階段的控制框圖。

4仿真結(jié)果與分析

根據(jù)圖3所示的系統(tǒng)框圖，在MATLAB中搭建一套起發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真模型。系統(tǒng)包括一臺(tái)表貼式永磁同步電機(jī)，一臺(tái)三相全橋兩電平IGBT換流器，電機(jī)參數(shù)如表1所示。發(fā)電階段母線電壓維持540V恒定，母線接入負(fù)載250kW。

起動(dòng)階段電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍在0~12000rpm之間，其仿真波形如圖6(a)~(c)所示。起發(fā)電機(jī)初期保持200Nm恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到7000rpm時(shí)，電機(jī)進(jìn)入恒功率模式，輸出功率保持147kW恒定。模擬原動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩如圖6(b)所示。

起動(dòng)階段與發(fā)電階段之間的切換點(diǎn)設(shè)置在0.5s，發(fā)電階段的仿真波形如圖6(b)~(d)所示。在發(fā)電階段中，原動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于起發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使得電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響可以忽略，因此仿真模型中起發(fā)電機(jī)的機(jī)械輸入由負(fù)載轉(zhuǎn)矩改為轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速在12000~24000rpm之間變化，如圖6(a)所示。由式(8)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)17800rpm時(shí)，開(kāi)始采用弱磁控制，仿真結(jié)果表明弱磁控制能夠保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。

如圖6(e)、(f)可知，內(nèi)環(huán)保證了d、q軸電流迅速并準(zhǔn)確地跟隨參考值。如圖6(a)、(d)所示，外環(huán)保證了電機(jī)轉(zhuǎn)速與母線電壓的動(dòng)態(tài)性能。

5結(jié)論

本文提出了一種基于永磁同步起發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制策略。該策略通過(guò)一種解析弱磁控制方法來(lái)應(yīng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速不斷提高的發(fā)展趨勢(shì)。基于該弱磁控制方法，母線電壓外環(huán)設(shè)計(jì)的可行性與穩(wěn)定性在理論上得到了驗(yàn)證。最后，通過(guò)一套250kW起發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性，最高轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到24000rpm。由于該控制策略具有簡(jiǎn)單且適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，未來(lái)可以應(yīng)用于起發(fā)電機(jī)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，用于電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)。由于其適應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍大，因此即使在測(cè)試極為苛刻的電機(jī)參數(shù)時(shí)，也能保證仿真平臺(tái)正常運(yùn)行。